Общая микробиология

9.2 Влияние физических факторов на микроорганизмы

Температура - один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность размножения микроорганизмов.

Микроорганизмы могут расти и проявлять свою жизнедеятельность в определенном температурном диапазоне, и в зависимости от отношения к температуре делятся на психрофилы, мезофилы и термофилы. Температурные диапазоны роста и развития микроорганизмов этих групп приведены в таблице 9.1.

Разделение микроорганизмов на 3 группы весьма условно, так как микроорганизмы могут приспосабливаться к несвойственной им температуре.

Таблица 9.1

Группа микроорганизмов	Т(°С) миним.	Т(°С) максим.	Т(°С) оптим.	Отдельные представители
1.Психрофилы (холодолюбивые)	(+10)-(-2)	около +30	10-15	Бактерии, обитающие в холодильниках, морские бактерии
2. Мезофилы	5-10	45-50	25-40	Большинство грибов, дрожжей, бактерий
3.Термофилы (теплолюбвые)	около 30	70-80	50-60	Бактерии, обитающие в горячих источниках. Большинство образуют устойчивые споры

Температурные пределы роста определяются терморезистентностью ферментов и клеточных структур, содержащих белки.

Среди мезофилов встречаются формы с высоким температурным максимумом и низким минимумом. Такие микроорганизмы называют термотолерантными.

Действие высоких температур на микроорганизмы. Повышение температуры выше максимальной может привести к гибели клеток. Гибель микроорганизмов наступает не мгновенно, а во времени. При незначительном повышении температуры выше максимальной микроорганизмы могут испытывать «тепловой шок» и после недлительного пребывания в таком состоянии они могут реактивироваться.

Механизм губительного действия высоких температур связан с денатурацией клеточных белков. На температуру денатурации белков влияет содержание в них воды (чем меньше воды в белке, тем выше температура денатурации). Молодые вегетативные клетки, богатые свободной водой погибают при нагревании быстрее, чем старые, обезвоженные.

Термоустойчивость - способность микроорганизмов выдерживать длительное нагревание при температурах, превышающих температурный максимум их развития.

Гибель микроорганизмов наступает при разных значениях температур и зависит от вида микроорганизма. Так, при нагревании во влажной среде в течение 15 мин при температуре 50-60 °С погибает большинство грибов и дрожжей; при 60-70 °С - вегетативные клетки большинства бактерий, споры грибов и дрожжей уничтожаются при 65-80° С. Наибольшей термоустойчивостью обладают вегетативные клетки термофилов (90-100 °С) и споры бактерий (120 °С).

Высокая термоустойчивость термофилов связана с тем, что, во первых, белки и ферменты их клеток более устойчивы к температуре, во вторых, в них содержится меньше влаги. Кроме того, скорость синтеза различных клеточных структур у термофилов выше скорости их разрушения.

Термоустойчивость спор бактерий связана с малым содержанием в них свободной влаги, многослойной оболочкой, в состав которой входит кальциевая соль дипиколиновой кислоты.

На губительном действии высоких температур основаны различные методы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах. Это кипячение, варка, бланширование, обжарка, а также стерилизация и пастеризация. Пастеризация - процесс нагревания до 100?С при котором происходит уничтожение вегетативных клеток микроорганизмов. Стерилизация - полное уничтожение вегетативных клеток и спор микроорганизмов. Процесс стерилизации ведут при температуре выше 100 °С.

Влияние низких температур на микроорганизмы. К низким температурам микроорганизмы более устойчивы, чем к высоким. Несмотря на то, что размножение и биохимическая активность микроорганизмов при температуре ниже минимальной прекращается, гибели клеток не происходит, т. к. микроорганизмы переходят в состояние анабиоза (скрытой жизни) и остаются жизнеспособными длительное время. При повышении температуры клетки начинают интенсивно размножаться.

Причинами гибели микроорганизмов при действии низких температур являются:

* нарушение обмена веществ;

* повышение осмотического давления среды вследствие вымораживания воды;

* в клетках могут образоваться кристаллики льда, разрушающие клеточную стенку.

Низкая температура используется при хранении продуктов в охлажденном состоянии (при температуре от 10 до -2 °С) или в замороженном виде (от -12 до -30 °С).

Лучистая энергия. В природе микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию солнечной радиации. Свет необходим для жизнедеятельности фототрофов. Хемотрофы могут расти и в темноте, а при длительном воздействии солнечной радиации эти микроорганизмы могут погибнуть.

Воздействие лучистой энергии подчиняется законам фотохимии: изменения в клетках могут быть вызваны только поглощенными лучами. Следовательно, для эффективности облучения имеет значение проникающая способность лучей, которая зависит от длины волны и дозы.

Доза облучения свою очередь определяется интенсивностью и временем воздействия. Кроме того, эффект воздействия лучистой энергии зависит от вида микроорганизма, характера облучаемого субстрата, степени обсемененности его микроорганизмами, а также от температуры.

Низкие интенсивности видимого света (350-750 нм) и ультрафиолетовых лучей (150-300 нм), а также низкие дозы ионизирующих излучений либо не влияют на жизнедеятельность микроорганизмов, либо приводят к ускорению их роста и стимуляции метаболических процессов, что связано с поглощением квантов света определенными компонентами или веществами клеток и переходом их в электронно-возбужденное состояние.

Более высокие дозы излучений вызывают торможение отдельных процессов обмена, а действие ультрафиолетовых и рентгеновских лучей может привести к изменению наследственных свойств микроорганизмов мутациям, что широко используется для получения высокопродуктивных штаммов.

Гибель микроорганизмов под действием ультрафиолетовых лучей связана :

* с инактивацией клеточных ферментов;

* с разрушением нуклеиновых кислот;

* с образованием в облучаемой среде перекиси водорода, озона и т.д.

Следует отметить, что наиболее устойчивыми к действию ультрафиолетовых лучей являются споры бактерий, затем споры грибов и дрожжей, далее окрашенные (пигментированные) клетки бактерий. Наименее устойчивы вегетативные клетки бактерий.

Гибель микроорганизмов под действием ионизирующих излучений вызвана:

* радиолизом воды в клетках и субстрате. При этом образуются свободные радикалы, атомарный водород, перекиси, которые, вступая во взаимодействие с другими веществами клетки, вызывают большое количество реакций, не свойственных нормально живущей клетке;

* инактивацией ферментов, разрушением мембранных структур, ядерного аппарата.

Радиоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах, причем микроорганизмы значительно радиоустойчивей высших организмов (в сотни и тысячи раз). Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений споры бактерий, затем грибы и дрожжи и далее бактерии.

Губительное действие ультрафиолетовых и рентгеновских г-лучей используется на практике.

Ультрафиолетовыми лучами дезинфицируют воздух холодильных камер, лечебных и производственных помещений, используют бактерицидные свойства ультрафиолетовых лучей для дезинфекции воды.

Обработка пищевых продуктов низкими дозами гамма-излучений называется радуризацией.

Электромагнитные колебания и ультразвук. Радиоволны. Это электромагнитные волны, характеризующиеся относительно большой длиной - от миллиметров до километров и частотами от 3·104 до 3·1011 герц.

Прохождение коротких и ультрарадиоволн через среду вызывает возникновение в ней переменных токов высокой (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ). В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Гибель микроорганизмов в электромагнитном поле высокой интенсивности наступает в результате теплового эффекта, но полностью механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы не раскрыт.

В последние годы сверхвысокочастотная электромагнитная обработка пищевых продуктов все более широко применяется в пищевой промышленности (для варки, сушки, выпечки, разогревания, размораживания, пастеризации и стерилизации пищевых продуктов). По сравнению с традиционным способом тепловой обработки время нагревания СВЧ-энергией до одной и той же температуры сокращается во много раз, в связи с чем полнее сохраняются вкусовые и питательные свойства продукта.

Ультразвук. Ультразвуком называют механические колебания с частотами более 20000 колебаний в секунду (20 кГц).

Природа губительного действия ультразвука на микроорганизмы связана:

* с кавитационным эффектом. При распространении в жидкости УЗ-волн происходит быстро чередующееся разряжение и сжатие частиц жидкости. При разряжении в среде образуются мельчайшие полые пространства - «пузырьки», заполняющиеся парами окружающей среды и газами. При сжатии, в момент захлопывания кавитационных «пузырьков», возникает мощная гидравлическая ударная волна, вызывающая разрушительное действие;

* с электрохимическим действием УЗ-энергии. В водной среде происходит ионизация молекул воды и активация растворенного в ней кислорода. При этом образуются вещества, обладающие большой реакционной способностью, которые обуславливают ряд химических процессов, неблагоприятно действующих на живые организмы.

Благодаря специфическим свойствам ультразвук все более широко применяют в различных областях техники и технологии многих отраслей народного хозяйства. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды, пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин), мойки и стерилизации стеклянной тары.

9.3 Влияние физико-химических факторов на микроорганизмы

Влажность. Влажность среды оказывает большое воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов. Вода входит в состав клеток и поддерживает тургорное давление в них. Кроме того, питательные вещества проникают внутрь клетки лишь в растворенном состоянии. Обезвоживание субстрата приводит к задержке развития микроорганизмов (состояние анабиоза). При повышении влажности жизнедеятельность микроорганизмов восстанавливается.

Микроорганизмы в зависимости от отношения к влажности делятся на гидрофиты (влаголюбивые), ксерофиты (сухолюбивые) и мезофиты (средневлаголюбивые). Для большинства бактерий минимальная влажность субстрата 20-30%, а для грибов - 11-13%.

Для развития микроорганизмов важна не абсолютная величина влажности, а ее доступность. Доступность содержащейся в субстрате влаги носит название активность воды (аw). Этот показатель выражает отношение давления паров над субстратом (Рс) к давлению паров над чистой водой (Р) при одной и той же температуре:

аw =Рс/Р

Активность воды лежит в интервале от 0 до 1 и характеризует относительную влажность.

Микроорганизмы могут осуществлять жизнедеятельность при активности воды от 0,999 до 0,62.

Существуют различные пути снижения активности воды: сушка, вяление. В сухом виде хранят муку, крупу, сухофрукты и т.д. При хранении таких продуктов необходимо соблюдать определенную температуру и влажность.

Осмотическое давление (концентрация растворенных веществ в среде). Осмотическое давление внутри клеток микроорганизмов несколько выше, чем в среде. Это является условием нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.

Осморегуляция - поддержание клетками оптимального для данного микроорганизма осмотического давления. Функцию осморегуляции осуществляет механизм активного транспорта веществ. Изменение привычной концентрации среды может привести к нарушению обмена веществ в клетках микроорганизмов, а иногда может вызвать их гибель.

При попадании микроорганизма в субстрат с ничтожно малой концентрацией растворенных веществ (например: в дистиллированную воду) в клетках наблюдается плазмоптис (чрезмерное насыщение цитоплазмы водой), что может привести к разрыву цитоплазматической мембраны и гибели микроорганизма.

При попадании микроорганизма в субстрат с концентрацией веществ выше оптимальных значений наступает плазмолиз - обезвоживание цитоплазмы. При этом клетки впадают в состояние анабиоза.

Микроорганизмы, способные существовать в субстратах с высоким осмотическим давлением называются осмофилами.

Галофилы - микроорганизмы, способные расти на средах с высоким содержанием поваренной соли. Умеренные галофилы развиваются при концентрации соли 1-2%, хорошо растут при 10% соли и могут выносить содержание соли 20%. Крайние галофилы не развиваются при содержании соли ниже15% и могут хорошо расти при концентрации соли в среде 30% (насыщенный раствор).

Неспособность большинства микроорганизмов расти на средах с высокими концентрациями соли и сахара используют в пищевой промышленности для консервирования различных продуктов. В отличие от поваренной соли, растворы сахара являются хорошей питательной средой и гибель микроорганизмов наступает лишь при концентрации сахара в растворе 65-70%.

9.4 Влияние химических факторов на микроорганизмы

Влияние концентрации водородных ионов (рН среды)

В зависимости от отношения к рН среды микроорганизмы делятся на три группы:

* нейтрофилы - предпочитают нейтральную реакцию среды. Растут в диапазоне значений рН от 4 до 9. К нейтрофилам относятся большинство бактерий, в то числе гнилостные бактерии;

* ацидофилы (кислотолюбивые). Растут при рН 4 и ниже. К ацидофилам относятся молочнокислые, уксуснокислые бактерии, грибы и дрожжи.

* алкалофилы (щелочелюбивые). К этой группе относятся микроорганизмы, которые растут и развиваются при рН 9 и выше. Примером алкалофилов является холерный вибрион.

Если рН не соответствует оптимальной величине, то микроорганизмы не могут нормально развиваться, так как активная кислотность оказывает влияние на активность ферментов клетки и проницаемость цитоплазматической мембраны.

Некоторые микроорганизмы, образуя продукты обмена и выделяя их в среду, способны изменять реакцию среды.

Для бактерий кислая среда более опасна, чем щелочная (особенно для гнилостных бактерий). Это используется для консервирования продуктов путем маринования или квашения. При мариновании к продуктам добавляют уксусную кислоту, при квашении создаются условия для развития молочнокислых бактерий, которые образуют молочную кислоту и тем самым способствуют подавлению роста гнилостных бактерий.

Окислительно-восстановительные условия среды. Степень аэробности среды (насыщения среды кислородом) может быть охарактеризована величиной окислительно-восстановительного потенциала, который выражают в единицах гН2. В среде, окислительные свойства которой соответствуют насыщению среды кислородом rН2 = 41. В среде с высокими восстановительными условиями гН2 = 0. При равновесии окислительных и восстановительных процессов гН2 = 28.

Облигатные анаэробы (микроорганизмы, для которых кислород является ядом) живут при гН2 меньше 12-14, но размножаются при rH2 менее 3-5. Факультативные анаэробы (микроорганизмы, способные расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях) развиваются при rH2 от 0 до 20-30, а аэробы - при гН2 от 12-15 до 30.

Регулируя окислительно-восстановительные условия среды можно затормозить или вызвать активное развитие той или иной группы микроорганизмов. Например, в виноделии, для предотвращения развития уксуснокислых бактерий емкости с вином нужно заполнять полностью, чтобы снизить степень насыщения среды кислородом.

Химические вещества. Многие химические вещества действуют губительно на микроорганизмы. Такие вещества называют антисептиками. Их действие зависит от концентрации и продолжительности воздействия, а также от рН среды и температуры.

Из неорганических соединений наиболее сильно действуют на микроорганизмы соли тяжелых металлов (золота, меди и, особенно, серебра). Например, ионы серебра адсорбируются на поверхности клетки, вызывая изменения свойств и функций цитоплазматической мембраны.

Бактерицидным действием обладают многие окислители (хлор, йод, перекись водорода, калий марганцево-кислый), минеральные соли (сернистая, борная, фтористо-водородная). Эти вещества вызывают активные окислительные процессы, не свойственные метаболизму клетки, а также разрушают ферменты.

Органические соединения (формалин, фенол, карболовая кислота, спирты, органические кислоты - салициловая, уксусная, бензойная, сорбиновая) также могут губительно воздействовать на микроорганизмы.

Органические соединения вызывают коагуляцию клеточных белков, растворяют липиды и т. д. Бактерицидным действием обладают также эфирные масла, дубильные вещества, многие красители (фуксин, метиленовая синь, бриллиантовая зелень).

Многие химические вещества используются в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности как дезинфицирующие вещества. Дезинфицирующие вещества вызывают быструю (в течение нескольких минут) гибель бактерий. Они более активны в средах бедных органическими веществами. Уничтожают не только вегетативные клетки, но и споры. Они не вызывают появления устойчивых форм микроорганизмов. В пищевой промышленности в качестве дезинфицирующих веществ применяют вещества, содержащие активный хлор (хлорамин, хлорная известь и т. д.).

Применение антисептиков для консервирования пищевых продуктов ограничено, к использованию допущены немногие химические консерванты (бензойная, сорбиновая кислоты и их соли) в малых дозах (от сотых до десятых процента).

9.5 Взаимоотношения между микроорганизмами. Влияние антибиотиков на микроорганизмы

В природе микроорганизмы сталкиваются с действием разнообразных биотических факторов. При симбиозе (совместном существовании) различают ассоциативные (благоприятствующие) и антагонистические (конкурентные) взаимоотношения.

Ассоциативные формы симбиоза. Широко распространены в природе. Именно на них основан круговорот веществ в природе. К ассоциативным формам симбиоза относятся метабиоз, мутуализм, синергизм и комменсализм.

Метабиоз - такая форма симбиоза, когда создаются условия для последовательного развития одних микроорганизмов за счет продуктов жизнедеятельности других. Примером метабиоза может служить порча сахаросодержащих субстратов (плодово-ягодных соков, поврежденных плодов, ягод), когда на них сначала развиваются дрожжи, превращающие сахар в спирт, затем уксуснокислые бактерии, превращающие спирт в уксусную кислоту и, наконец, мицелиальные грибы, которые окисляют уксусную кислоту до углекислого газа и воды.

Мутуализм - такие взаимоотношения между микроорганизмами, которые основаны на взаимной выгоде. Пример: совместное существование в природе анаэробных и аэробных микроорганизмов. Аэробы, поглощая кислород, создают необходимые для анаэробов окиспительно-восстановительньге условия.

Синергизм - усиление физиологических функций микроорганизмов при совместном культивировании. В кефирном грибке, например, содержатся дрожжи и молочнокислые бактерии. Витамины, синтезируемые дрожжами, стимулируют развитие молочнокислых бактерий, а молочная кислота, образуемая молочнокислыми бактериями, создает благоприятные значения рН для развития дрожжей.

Комменсализм - форма сожительства, когда один организм живет за счет другого, не причиняя ему вреда. Примером комменсалов могут служить бактерии нормальной микрофлоры тела человека.

Антагонистические формы симбиоза. К ним относятся такие формы симбиоза как антибиоз, паразитизм, хищнечество.

Антагонизм - такой тип взаимоотношений, когда один организм подавляет или прекращает развитие другого в основном за счет продуктов его жизнедеятельности. Молочнокислые бактерии, например, выделяя молочную кислоту, создают кислую реакцию среды, препятствующую развитию гнилостных бактерий. Это явление используется при квашении капусты, изготовлении кисломолочных продуктов.

Антибиоз - связан со способностью одного вида микроорганизмов выделять в окружающую среду специфические вещества, угнетающие жизнедеятельность других, - антибиотики. Они обладают либо широким спектром действия в отношении ряда микроорганизмов, либо избирательным действием к одному из них.

Паразитизм - это такой тип взаимоотношений, при котором совместное существование одному из симбионтов приносит выгоду, а другому причиняет вред. Примерами могут служить болезнетворные микроорганизмы и вирусы, являющиеся возбудителями инфекционных заболеваний.

Хищничество - это внеклеточный паразитизм. Хищные бактерии образуют подвижную колонию - сетку, улавливающую крупные бактериальные клетки других видов, которые лизируются (разрушаются) и используются ими внутри колонии, а остатки выбрасываются. Хищные бактерии обитают в илах водоемов.

Антибиотики. Фитонциды. Во многих случаях губительное действие микробов-антагонистов связано с выделением специфических биологически активных химических веществ - антибиотиков (анти - против, биос - жизнь). Продуцентами антибиотиков являются некоторые грибы, а также бактерии, чаще актиномицеты.

Характер действия антибиотических веществ на клетки разнообразен. Одни из них задерживают рост и развитие микроорганизмов, другие вызывают их гибель.

В пищевой промышленности для продления сроков хранения пищевых продуктов разрешено использовать только некоторые антибиотики (нистатин и биомицин) и только в ограниченных случаях (например, при транспортировании на дальние расстояния) для сырых продуктов (мясо, рыба), которые в последующем сохраняются на холоде. Ведутся также исследования по использованию специального антибиотика - низина, который не применяется в медицине. Продуцентами низина являются молочнокислые стрептококки. Низин является ингибитором роста стафилококков, многих стрептококков и анаэробных термостойких споровых бактерий рода Clostridium.

Антибиотические вещества вырабатываются не только микроорганизмами, но также растениями и животными.

Фитонциды - антибиотические вещества растительного происхождения. Химическая природа фитонцидов разнообразна. Антимикробным действием обладают многие вещества, находящиеся в растениях: эфирные масла, гликозиды, антоцианы, дубильные вещества и многие другие соединения.

Антимикробными свойствами обладают также многие овощи и пряности. Так, из чеснока и лука выделен аллицин, из репы и редьки - рапин, из томатов - томатин. В настоящее время ведутся исследования по использованию фитонцидов при хранении пищевых продуктов.

К антибиотическим веществам животного происхождения относятся лизоцим - белковое вещество, содержащееся в яичном белке, слезах, слюне, рыбной икре, эритрин - вещество, получаемое из эритроцитов крови животных; экмолин - получен из тканей рыб.

9.6 Использование факторов внешней среды для регулирования жизнедеятельности микроорганизмов при хранении пищевых продуктов

В настоящее время все шире изучают и используют различные способы воздействия на микроорганизмы для повышения сроков хранения пищевых продуктов. Основными принципами хранения пищевых продуктов (по Я.Я. Никитинскому) являются:

* Биоз (bios - жизнь). На этом явлении основано хранение свежих фруктов и овощей. При хранении этих продуктов создаются условия, препятствующие развитию микроорганизмов, путем понижения температуры до 5° С и поддержания определенной влажности. При этом сохраняется естественный иммунитет плодов и овощей, что также предотвращает микробную порчу;

* Абиоз (abiosis - отрицание, уничтожение жизни) достигается физическими и химическими способами. Этот принцип положен в основу хранения мясных и овощных консервов после их термической обработки - стерилизации, а также внесение в продукты консервантов. При абиозе погибают вегетативные и споровые формы бактерий, благодаря чему продукты могут храниться длительное время;

* Анабиоз (anabiosis - задержка жизни) происходит во время сушки, в процессе замораживания при повышении осмотического давления среды. Так хранят рыбные и мясные продукты, фрукты, овощи.

При оттаивании замороженных и повышении влажности сухих продуктов жизнедеятельность микроорганизмов восстанавливается, что может привести к порче продуктов.

* Ценоанабиоз - принцип хранения, при котором консервирующее вещество вырабатывают сами микроорганизмы. Основан этот принцип на антагонистических взаимоотношениях микроорганизмов: создаются условия для развития полезных микроорганизмов и тем самым подавляется развитие микроорганизмов - возбудителей порчи. На этом принципе основано квашение овощей, производство кисломолочных продуктов.

Эффективность всех мероприятий, направленных на предупреждение порчи пищевых продуктов, во многом зависит от соблюдения общих санитарно-гигиенических требований и выполнения установленного режима хранения.

Вопросы для самопроверки

1. Как и какие факторы внешней среды влияют на микроорганизмы?

2. Охарактеризовать понятия «бактериостатическое действие» и «бактерицидное действие».

3. На какие группы делят микроорганизмы по отношению к температуре?

4. Каково действие на микроорганизмы низких и высоких температур?

5. Как действуют на микроорганизмы излучения (видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи)?

6. Каково действие на микроорганизмы токов высокой и сверхвысокой частоты, ультразвука?

7. Что такое «активность воды» и как она определяется?

8. Что такое «осморегуляция», «плазмолиз», «плазмоптис»?

9. Как влияет на микроорганизмы рН среды?

10. Что такое «антисептики» и какие химические вещества применяют для дезинфекции в пищевой промышленности?

11. Перечислить ассоциативные формы симбиоза.

12. Что такое «синергизм», «мутуализм»?

13. Что такое «антибиотики», «фитонциды»?

14. Что такое «антагонизм» и какие антагонистические формы симбиоза Вы знаете?

15. Что такое осмофильные и галофильные микроорганизмы?

16. На каких принципах основано хранение пищевых продуктов?

Литература

1. Шлегель Г. Общая микробиология. -М.: Мир, 1987.- 500 с.

2. Чурбанова И.Н. Микробиология. - М.: Высшая школа, 1987.

3. Мудрецова-Висс К.А. Микробиология.- М.: Экономика, 1985.- 255 с.

4. Вербина Н.М., Каптерева Ю.В. Микробиология пищевых производств.- М.: Агропромиздат, 1988.- 256 с.

5. Асонов Н.Р. Микробиология. - 3 изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1997.-352 с.

Тема 10 ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ

10.1 Генетика как наука. Понятие о наследственности и изменчивости

10.2 Генотип и фенотип микроорганизмов

10.3 Формы изменчивости микроорганизмов

10.4 Практическое значение изменчивости микроорганизмов

10.1 Генетика как наука. Понятие о наследственности и изменчивости

Генетика - наука о наследственности и изменчивости организмов.

Наследственность - свойство организмов воспроизводить в поколениях сходный тип обмена веществ, сложившийся в процессе эволюционного развития вида и проявляющийся в определенных условиях внешней среды.

В процессе жизни под влиянием факторов внешней среды свойства микроорганизмов могут изменяться. Приспособление микроорганизмов к новым условиям жизни называется адаптацией. В одних случаях происходит временное, а в других - необратимое изменение этих свойств. Изменчивость - возникновение различий среди нарождающегося потомства.

Наследственность и изменчивость взаимно обусловлены и обеспечивают относительное постоянство видов живых существ в природе и их непрерывное совершенствование вследствие приспособления к изменяющимся условиям среды обитания.

Учение о наследственности и изменчивости было сформулировано Ч. Дарвином в 1859 г. Он доказал, что все существующие на Земле виды живых существ произошли путем серий изменений свойств из немногих или какой либо одной формы.

Основные законы наследственности и изменчивости (генетики) сформулированы в работах Г. Менделя, а также X. Де Фриза, Т. Моргана, Г. Меллера, Н.И. Вавилова, Н.К. Кольцова и других ученых. Ими доказано, что признаки вида закодированы в хромосомах ядра клетки и при делении от клетки к клетке передаются характерные для нее свойства, т.е. таким образом, обеспечивается постоянство видов.

Явления наследственности и изменчивости играют важную роль в жизни микроорганизмов, для которых характерны интенсивный обмен веществ, быстрое размножение и смена поколений, чрезвычайно высокая способность приспосабливаться к новым условиям среды обитания. Поэтому, существовало два противоположных мнения о наследственности и изменчивости микроорганизмов. Одни ученые (полиморфисты) считали что бактерии обладают свойствами неограниченной изменчивости и один и тот же микроорганизм в зависимости от условий среды может иметь различные морфологические и физиологические свойства, вследствие чего они отрицали возможность познания мира микроорганизмов, а следовательно, и их систематизации. Другие (мономорфисты) - считали, что в природе существует множество видов микроорганизмов, свойства которых постоянны, т.е. отрицали возможность направленной изменчивости свойств микроорганизмов. Таким образом, по своей сути оба эти направления были антинаучны.

По современным представлениям, в природе существует множество видов микроорганизмов, обладающих определенными свойствами, которые в зависимости от условий обитания могут изменяться.

10.2 Генотип и фенотип микроорганизмов

Материальной основой наследственности, определяющей генетические свойства микроорганизмов, является ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Фрагмент молекулы ДНК, контролирующий синтез одного белка называется геном. В генах закодирована генетическая информация о всех свойствах клетки: форме, структуре белков и их функциях. Полный набор генов, которыми обладает клетка, представляет ее генотип. Генотип определяет потенциальную возможность проявления свойств клетки микроорганизма.

Бактериальная клетка имеет множество генов, каждый из которых несет информацию и контролирует синтез одного белка или соответствующего соединения. Гены подразделяются на структурные гены, гены-регуляторы и гены-операторы. В структурных генах закодирована информация о первичном строении контролируемого ими белка, т. е. о последовательности расположения аминокислот, входящих в состав белка. Гены-регуляторы контролируют синтез белков-репрессоров, подавляющих функцию структурных генов, а гены-операторы выполняют роль посредников между генами регуляторами и структурными генами.

Гены обозначают строчными начальными буквами названия синтезируемого под их контролем соединения (например, his - гистидиновый ген, arg - аргининовый ген, lac и mal - гены, контролирующие расщепление coответственно лактозы мальтозы).

Свойства микроорганизмов, проявляемые в тех или иных условиях их существования, называют фенотипом. Фенотип бактерий обозначается теми же символами, что и генотип, но первая буква прописная (His , Arg , Lac и др.)

10.3 Формы изменчивости микроорганизмов

Изменчивость микроорганизмов подразделяется на наследственную, обусловленную генотипическими изменениями, и ненаследственную (фенотипическую).

Фенотипические изменения

Адаптация - приспособление микроорганизмов к условиям среды. В настоящее время это явление объясняется не изменением в микробной клетке, а развитием ранее измененных особей и гибелью неприспособленных. Таким образом, происходит естественный отбор.

Модификация - изменение микроорганизмов под влиянием условий среды. Изменяются только фенотипические (внешние) признаки (форма, размеры, цвет колоний). Модификация наблюдается в нормальных условиях жизни, это реакция на внешние раздражения, не связанные с нарушением физиологических процессов в организме.

	ИЗМЕНЕНИЯ
ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ		ГЕНОТИПИЧЕСКИЕ

Адаптация	Модификация	Мутации	Комбинативные

	Спонтанные	Индуцированные

		Конъюгация	Трансдукция	Трансформация

Рис. 10.1 Формы изменчивости микроорганизмов

Генотипические изменения. Изменчивость признаков микроорганизмов, обусловленная перестройкой генетического аппарата, проявляется в виде мутаций и генетических рекомбинации (комбинативные изменения).

Мутации - внезапные, скачкообразные изменения генов. Процесс мутирования генов приводит к таким изменениям, которые передаются по наследству и сохраняются даже тогда, когда вызвавший их фактор перестает действовать.

Спонтанные мутации (без направленного воздействия) очень редки:

примерно одна на 100 тыс. Они характеризуются изменением какого-нибудь одного признака и обычно стабильны.

Индуцированные или мутагенные мутации возникают вследствие воздействия факторов среды. Они встречаются сравнительно часто. Мутагенным действием обладают ультрафиолетовые, рентгеновские и радиоактивные излучения, которые вызывают повреждение генетического аппарата клетки. К химическим мутагенам относятся сильнодействующие вещества: отравляющие (иприт), лекарственные (йод, перекись водорода), кислоты и др. Примером биологических мутагенов может быть ДНК.

Бактериальные клетки, в которых произошла мутация, называют мутантами.

Генетические рекомбинации заключаются в объединении и обычно немедленной перетасовке генов, принадлежащих близкородственным, но генотипически различным организмам.

Генетические рекомбинации у эукариот - это образование индивидумов с новым сочетанием продуктов в результате полового процесса.

У прокариот комбинативные изменения проявляются в результате трансформации, трансдукции, конъюгации.

Трансформация - перенос генетической информации от бактерии донора (в форме отдельных фрагментов ее ДНК) в клетку реципиента. Наиболее эффективно трансформация происходит у бактерий одного и того же вида или близкородственных видов. При этом в хромосому реципиента включается только одна нить ДНК донора с образованием молекулярной гетерозиготы.

Обычно бактериальная клетка в результате трансформации приобретает одно свойство. С помощью трансформирующей ДНК передаются такие признаки как капсулообразование, ферментативная активность, устойчивость к ядам, антибиотикам и т.д.

Трансдукция - перенос генов (фрагментов ДНК) от донорской клетки бактерии к реципиентной посредством умеренного фага.

При трансдукции возможен перенос генов, контролирующих особенности питания бактерий, двигательный аппарат (жгутики) и другие свойства.

Конъюгация - форма полового процесса, при котором происходят соединение мужской и женской микробных клеток и обмен между ними ядерным веществом через цитоплазматический мостик, образующийся между клетками. При этом генетический материал клетки-донора переходит в клетку-реципиент. После рекомбинации и деления клетки образуются формы с признаками конъюгирующих клеток.

Таким образом, все три формы комбинативной изменчивости одинаковы по существу. При трансформации участок ДНК клетки-донора входит в клетку-реципиент; при трансдукции эту роль выполняет фаг, а при конъюгации перенос генетической информации осуществляется через цитоплазмитический мостик (пили).

Вследствие генетических рекомбинаций образуются новые бактериальные клетки - рекомбинанты, у которых имеются наследственные признаки обоих «родителей».

10.4 Практическое значение изменчивости микроорганизмов

Наследственность и изменчивость - это неразделимо связанные категории биологических явлений, определяющих направление эволюционного развития живых организмов на любом уровне биологической организации.

Вследствие этого учение о наследственности и изменчивости микроорганизмов является научной основой систематики микроорганизмов и их идентификации.

Знания закономерностей модификационной и мутационной изменчивости позволяют проводить целенаправленную селекцию (отбор) из популяций микроорганизмов особей с нужными человеку свойствами. Таким путем получены высокоактивные штаммы многих продуцентов различных органических соединений.

Селекцию микроорганизмов для выделения полезных мутантов осуществляют несколькими путями:

благодаря поиску и отбору полезных форм микроорганизмов из природных источников;

* в результате адаптации микроорганизмов путем выращивания при постоянно изменяющихся условиях культивирования;

* благодаря повторному выделению чистых культур из производственных штаммов;

* путем отбора индуцированных штаммов;

* путем использования явлений трансформации, трансдукции и конъюгации для получения штаммов с новыми свойствами.

В настоящее время получило развитие новое направление молекулярной биологии - генная инженерия. Генная инженерия занимается конструированием, выделением и пересадкой определенных генов из одних клеток в другие. В результате клетки приобретают новые свойства.

Еще одним примером использования учения о наследственности и изменчивости является борьба с возбудителями инфекционных заболеваний. Селекционируя бактерии по признаку вирулентности, токсичности и антигенной структуре, удается получить культуры с низкой вирулентностью и использовать их в качестве вакцин для профилактики заразных заболеваний.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое генетика? Каково ее определение как науки?

2. Дайте определение наследственности и изменчивости.

3. Что такое «ген», «генотип», «фенотип»?

4. Какую роль в клетке выполняют структурные гены, гены-регуляторы и гены-операторы?

5. Чем характеризуются мутации? Какими они бывают?

6. Какова роль комбинативных (рекомбинантных) изменений в передаче наследственных признаков?

7. Что такое «адаптация», «модификация»?

8. Чем отличаются мутанты от рекомбинантов?

9. Что такое генная инженерия?

10. Каково практическое значение учения о наследственности и изменчивости?

Литература

1. Асонов Н.Р. Микробиология. - 3 изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1997.- 352 с.

2. Сидоров М.А., Корнелаева Р.П. Микробиология мяса и мясопродуктов.- М.: Колос, 1998.- 240 с.

Тема 11 БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЫЗЫВАЕМЫЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ

11.1 Спиртовое брожение. Химизм, условия проведения процесса. Возбудители. Практическое использование спиртового брожения

11.2 Молочнокислое брожение: гомо- и гетероферментативное. Химизм процесса. Характеристика молочнокислых бактерий. Практическое значение молочнокислого брожения

11.3 Пропионовокислое брожение. Химизм процесса, возбудители. Практическое использование пропионовокислого брожения

11.4 Маслянокислое брожение. Химизм процесса. Возбудители. Практическое использование и роль в процессах порчи пищевых продуктов

11.5 Уксуснокислое брожение. Химизм процесса. Возбудители. Практическое использование и роль в процессах порчи пищевых продуктов

11.6 Окисление жиров и высших жирных кислот микроорганизмами. Микроорганизмы - возбудители порчи жиров

11.7 Гнилостные процессы. Понятие об аэробном и анаэробном гниении. Возбудители. Роль гнилостных процессов в природе, в пищевой промышленности

11.8 Разложение клетчатки и пектиновых веществ микроорганизмами

11.1 Спиртовое брожение. Химизм, условия проведения процесса. Возбудители. Практическое использование спиртового брожения

Спиртовое брожение - микробиологический процесс превращения углеводов в спирт и углекислый газ. Вызывается аскомицетовыми дрожжами рода Saccharomyces, некоторыми бактериями и отдельными представителями мукоровых грибов.

Суммарное уравнение реакции:

С6 H12 O6 > 2 СНзCH2 ОН + 2 СО2 + Е

глюкоза этиловый спирт

Как и любое брожение это сложный многоступенчатый процесс (см. 7.2), который протекает при участии комплекса ферментов. Наряду со спиртом могут образовываться побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, уксусная, яблочная кислоты, сивушные масла (смесь высших кислот).

Основными возбудителями спиртового брожения являются дрожжи - сахаромицеты.

Это факультативно-анаэробные микроорганизмы. В аэробных условиях дрожжи получают энергию путем полного окисления моно- и дисахаридов до углекислого газа и воды, т.е. путем аэробного дыхания. При этом интенсивно накапливается биомасса (эффект Пастера). Поэтому производство хлебопекарных дрожжей ведут в аэробных условиях.

Условия проведения спиртового брожения

1. Источники питания. В качестве источника углерода используют глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу. Крахмал дрожжи не сбраживают, так как амилолитические ферменты у них отсутствуют. Поэтому крахмалсодержащее сырье подвергают осахариванию при участии амилаз различного происхождения. Концентрация сахара 10-15% наиболее благоприятна для большинства дрожжей. В качестве источника азота используются аммонийные соли органических кислот и аминокислоты;

2. Анаэробные условия;

3. Температура. По отношению к температуре сахаромицеты делятся на низовые и верховые дрожжи. Дрожжи верхового брожения вызывают бурное и быстрое брожение при температуре 20-28 °С. При этом они всплывают на поверхность под действием выделяющегося диоксида углерода. Низовые дрожжи осуществляют более спокойное брожение, которое ведут при 5-10°С;

4. Концентрация этилового спирта. Этиловый спирт, накапливающийся в среде, оказывает неблагоприятное действие на дрожжи. Угнетающее действие спирт оказывает уже при концентрации в среде 2-5 % об., а при 12-15 % об. брожение прекращается;

5. Активная кислотность среды (рН). Спиртовое брожение протекает в кислой среде (рН 4-4,5). При подщелачивании среды до рН 8 дрожжи в качестве основного продукта брожения накапливают не спирт, а глицерин. Это так называемая глицериновая форма спиртового брожения:

2С6Н1206 > 2CН20HCHOHСН20Н+СНзСН20Н+СНзСООН+2С02 + Е

глюкоза глицерин этиловый уксусная

спирт кислота

Практическое использование спиртового брожения

Спиртовое брожение лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина, используется в хлебопечении. Совместно с молочнокислым брожением оно используется при производстве кваса, кефира, кумыса. Основными потребителями этилового спирта являются пищевая и химическая промышленность, а также медицина.

11.2 Молочнокислое брожение: гомо- и гетероферментативное. Химизм процесса. Характеристика молочнокислых бактерий. Практическое значение молочнокислого брожения

Молочнокислое брожение - процесс превращения углеводов молочнокислыми бактериями в молочную кислоту.

Возбудители молочнокислого брожения подразделяются на 2 группы:

гомоферментативные и гетероферментативные, которые в свою очередь вызывают гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение. В основу этого деления положены конечные продукты, образуемые при гомо- и гетероферментативном молочнокислом брожении.

Гомоферментативное молочнокислое брожение и его возбудители. При гомоферментативном молочнокислом брожении образуется преимущественно молочная кислота.

Химизм процесса:

С6H12О6 > 2 СНзСНОНСООН + Е

глюкоза молочная кислота

К гомоферментативным молочнокислым бактериям относятся молочнокислые стрептококки: Streptococcus lactis, Streptococcus cremoris, Streptococcus thermophilus, а также молочнокислые палочки: Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus acidophilus, Lactobacilus bulgaricus, Lactobacillus ptantarum.

Гетероферментативное молочнокислое брожение и его возбудители. Конечными продуктами при этом брожении являются не только молочная кислота, но и побочные продукты: уксусная кислота, этиловый спирт, янтарная кислота, диоксид углерода, водород. Суммарное уравнение процесса имеет вид:

С6H12О6 > СНзСНОНСООН + СООНСН2СН2СООН + СНзСООН +

глюкоза молочная кислота янтарная кислота уксусная кислота

СНзСН2ОН + C02+Н2 +Е

этиловый спирт

К гетероферментативным молочнокислым бактериям относятся бактерии рода Streptococcus: Streptococcus diacetilactis, Streptococcus acetoinicus; бактерии рода Lactobacillus: Lactobacillus brevis, Lactobacillus helveticus, а также бактерии рода Leuconostoc: Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc cremoris.

Характеристика молочнокислых бактерий

Все молочнокислые бактерии грамположительные, факультативные анаэробы. Среди молочнокислых бактерий есть мезофилы (предпочитают температуру около 30 °С) и термофилы (Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus), оптимальной температурой для которых является температура около 40-50 °С.

Молочнокислые бактерии отличает высокая требовательность к питательной среде: они нуждаются в полном наборе готовых аминокислот, в витаминах группы В12, в компонентах нуклеиновых кислот, что и определяет их распространение в природе.

Молочнокислые бактерии обитают, в основном, на растениях, плодах, овощах, в желудочно-кишечном тракте, в молоке и молочных продуктах, а также в местах разложения растительных остатков.

В качестве источника углерода используют лактозу, мальтозу.

Оптимальное значение рН для развития молочнокислых бактерий около 4. Молочнокислые бактерии образуют от 1 до 3,5 % молочной кислоты.

Практическое значение молочнокислого брожения

Оно находит широкое применение при изготовлении кисломолочных продуктов, сливочного масла, маргарина, используется в хлебопечении, при квашении овощей, силосовании кормов и производстве молочной кислоты.

Многие мезофильные гетероферментативные молочнокислые бактерии и лейконосток являются вредителями в производстве спирта, пива, вина, безалкогольных напитков, сахара и др.

11.3 Пропионовокислое брожение. Химизм процесса, возбудители. Практическое использование пропионовокислого брожения

Вызывается пропионовокислыми бактериями, относящимися к роду Propionibacterium.

Единственным источником энергии для пропионовокислых бактерий является процесс сбраживания различных веществ: моносахаридов (гексоз, пентоз), молочной, яблочной кислот, глицерина и других в пропионовую и уксусную кислоту, диоксид углерода и воду.

Химизм пропионовокислого брожения:

ЗС6H12О6 > 4СНзCH2СООН + 2СНзСООН + 2CO2 + 2H2O +Е

глюкоза пропионовая уксусная

кислота кислота

Пропионовокислые бактерии - небольшие, неподвижные грамположительные палочки, не образующие спор, факультативные анаэробы. Обитают, в основном, в кишечном тракте жвачных животных и в молоке.

Практическое применение пропионовокислого брожения

Пропионовокислое брожение используется в сыроделии. Летучие кислоты (пропионовая и уксусная) придают сырам кисловато-острый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков углекислый газ образует «глазки» в сыре.

У пропионовокислых бактерий обнаружена способность к активному синтезу витамина В, поэтому они используются в качестве продуцента в микробиологической промышленности для получения этого витамина.

11.4 Маслянокислое брожение. Химизм процесса. Возбудители. Практическое использование и роль в процессах порчи пищевых продуктов

Маслянокислое брожение - анаэробное окисление органических веществ маслянокислыми бактериями в масляную кислоту.

Химизм процесса:

С6H12О6 > СНзСН2СН2СООН + 2 С02 + 2Н2 +Е

глюкоза масляная кислота

Возбудители маслянокислого брожения

Маслянокислые бактерии относятся к роду Clostridium. Это крупные, подвижные грамположительные палочки, образующие устойчивые споры, при образовании которых клетка приобретает форму веретена или теннисной ракетки, облигатные (строгие) анаэробы.

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Обитают там, где много органических веществ и нет доступа воздуха - в иловых отложениях водоемов, навозе, почве и т.д.

Эти бактерии могут сбраживать многие углеводы, в т.ч. (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, целлюлозу), спирты (этиловый, маннит, глицерин) и аминокислоты. По характеру используемых субстратов маслянокислые бактерии делятся на две группы: сахаролитические клостридии, которые сбраживают в основном углеводы (Ctostridium butyricum) и протеопитические клостридии, которые разлагают белки и пептоны до аминокислот и затем их сбраживают (Clostridium sporogenes, Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum).

Практическое значение маслянокислого брожения. Маслянокислое брожение используется в промышленности для получения масляной кислоты (продуцент Clostridium butyricum). Хотя масляная кислота обладает резким, неприятным запахом прогорклого масла, ее эфиры отличаются приятным ароматом: метиловый эфир имеет яблочный запах, этиловый - грушевый, амиловый - ананасный. Эфиры масляной кислоты используют в кондитерской, безалкогольной, парфюмерной промышленности.

Маслянокислые бактерии участвуют в круговороте веществ в природе. С другой стороны, маслянокислые бактерии могут вызвать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов, прогоркание масла и маргарина, увлажненной муки и других продуктов, чем наносят большой урон народному хозяйству. Борьба с маслянокислыми бактериями затруднена из-за высокой устойчивости спор.

11.5 Уксуснокислое брожение. Химизм процесса. Возбудители. Практическое использование и роль в процессах порчи пищевых продуктов

Уксуснокислое брожение - аэробное окисление углеводов и спирта уксуснокислыми бактериями в уксусную кислоту. Таким образом, это брожение относится к неполным окислениям или окислительным брожениям. Суммарное уравнение процесса имеет вид:

С6H12O6 + 2 02 > 2СНзСООН + 2CO2 + 2Н20 + Е или

глюкоза уксусная кислота

СНзСН2ОН + O2 > СНзСООН + Н2О + Е

этиловый спирт уксусная кислота

Возбудителями уксуснокислого брожения являются уксуснокислые бактерии, относящиеся к двум родам: Gluconobacter и Acetobacter. Это короткие, подвижные грамотрицательные палочки, не образующие спор. Оптимальная температура развития - 30? С. Бактерии кислотоустойчивы, оптимальное значение рН для развития 5,4-6,3. Обитают на цветах, зрелых фруктах, ягодах, овощах, в прокисших соках, пиве, вине, квашенных овощах.

Практическое значение уксуснокислого брожения

Используется в промышленности для получения натурального спиртового уксуса (продуцент Acetobacter aceti). Кроме того, производят также винный уксус (из вина) и яблочный уксус (из яблочного сока).

С другой стороны, уксуснокислые бактерии являются вредителями спиртового, пивоваренного, консервного производств, виноделия, производства безалкогольных напитков

11.6 Окисление жиров и высших жирных кислот микроорганизмами. Микроорганизмы - возбудители порчи жиров

Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот.

Так как жиры - высокомолекулярные соединения, то в неизменном виде внутрь клетки они попасть не могут. Поэтому вначале происходит гидролиз жира при участии фермента липазы, которая имеется у многих микроорганизмов. В результате образуется глицерин и высшие жирные кислоты. Этот процесс не обеспечивает клетки энергией, поэтому образовавшиеся продукты гидролиза используются различными микроорганизмами в качестве энергетического материала. Процесс протекает только в аэробных условиях.

Глицерин подвергается окислению уксуснокислыми бактериями до диоксиацетона и далее микроскопическими грибами до углекислого газа и воды.

Высшие жирные кислоты окисляются труднее и медленнее. В процессе окисления образуются промежуточные продукты: кетоны, альдегиды, оксикислоты и др., которые придают окисленному жиру прогорклый вкус.

Возбудители. Наиболее активными микроорганизмами в процессе разложения жира являются бактерии рода Pseudomonas, особенно флуорисцирующие (продуцирующие пигменты) и мицелиальные грибы: Oidium lactis, многие виды Aspergillus, Penicillium.

Практическое значение процесса.

Процесс разложения жиров отмерших животных и растений происходит постоянно и имеет большое значение в круговороте веществ в природе.

С другой стороны, в пищевой промышленности микроорганизмы, окисляющие жиры приносят вред, вызывая порчу пищевых жиров и жира, содержащихся в различных пищевых продуктах.