Основные направления микробиологического знания

Полученные методом генной инженерии новые генетические молекулы представляют собой рекомбинантные ДНК, включающие два компонента -- вектор (переносчик) и клонируемую «чужеродную» ДНК. Так как переносчик должен обладать свойствами репликона и обусловливать репликацию вновь созданной рекомбинантной ДНК, то в качестве вектора обычно используют такие репликоны, как плазмиды, умеренные фаги и вирусы животных. Все эти переносчики имеют циркулярно замкнутую структуру ДНК - Клонируемая ДНК -- это фрагмент ДНК, который несет необходимый ген (или гены), контролирующий образование нужного вещества.

Имеются различные приемы получения рекомбинантных молекул ДНК - Наиболее простой из них сводится к обработке изолированных молекул ДНК-вектора и ДНК, несущей необходимый ген, ферментами рестриктазами (эндонуклеазы рестрикции), расщепляющими взятые молекулы ДНК в строго определенном месте с образованием однонитчатых комплементарных друг другу концов, так называемых липких концов. Это первый этап получения рекомбинантных ДНК -- «разрезание» молекул ДНК с помощью эндонуклеаз рестрикции. Второй этап заключается в обработке полученных линейных молекул ДНК ферментом полинуклеотидлигазой, которая «сшивает» две разные молекулы в одну рекомби-нантную ДНК. На третьем этапе рекомбинантные молекулы вводят в клетки тех или иных бактерий методом трансформации. На завершающем, четвертом, этапе проводят клонирование трансформированных клеток.

В настоящее время методом генной инженерии получены рекомбинантные молекулы ДНК, несущие информацию для образования таких важных веществ, как интерферон, инсулин, гормон роста человека и другие в клетках кишечной палочки (Е. coli). По-видимому, методом генной инженерии можно будет создать и такие бактерии, которые, потеряв свою болезнетворность, помогут выработать иммунитет против многих инфекционных болезней животных и человека. В промышленности, благодаря использованию генной инженерии, появятся высокопродуктивные микроорганизмы, создающие белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие нужные продукты.

Будут получены новые сорта растений и породы животных, устойчивые к заболеваниям и наделенные особенно выгодными для сельского хозяйства свойствами. Возможно, методом генной инженерии будут созданы растения, обладающие способностью к связыванию молекулярного азота атмосферы. Такие растения, вероятно, можно будет получить после введения в их геном генов от микроорганизмов, фиксирующих азот из воздуха.

Нет сомнения в том, что в связи с разработкой и совершенствованием методов генной инженерии, показавших возможность передачи не только естественных генов живых организмов, но и искусственно синтезированных, открываются блестящие перспективы для научно-технического прогресса не только в медицине и промышленности, но и в сельскохозяйственном производстве.

Лекция 6 Превращение органических веществ, не содержащих азот

Вопросы

1. Спиртовое и молочнокислое брожения. пропионовокислое, маслянокислое брожения

2. Ацетоно-бутиловое, ацетоно-этиловое брожения, брожение клетчатки и пектиновых веществ

3. Процессы окисления

1. Спиртовое и молочнокислое брожения. пропионовокислое, маслянокислое брожения

У микроорганизмов различают 2 основные формы катаболизма: брожение и аэробное дыхание. Все эти процессы происходят под действием ферментов микроорганизмов. Причем у микроорганизмов различают внутриклеточные ферменты (эндоферменты), которые участвуют в метаболизме внутри клетки и содержатся в ней; и внеклеточные ферменты (экзоферменты), которые выделяются клетками микроорганизмов в окружающую среду. Экзоферменты в основном относятся к классу гидролаз и разлагают соединения большой молекулярной массы, которые не могут проникнуть в клетку микроорганизма. Продукты разложения легко проникают в клетку и используются в качестве питательных веществ. В разнообразии ферментов, выделяемых в окружающую среду, и заключается роль микрофлоры в круговороте веществ в природе.

1. Процессы брожения.

Брожение - анаэробное разложение углеводов на продукты, которые далее не разлагаются без участия молекулярного кислорода. У различных микроорганизмов продукты разложения различны и зависят от набора ферментов и внешних условий.

Спиртовое брожение. Основной возбудитель спиртового брожения - дрожжи, применяемые в хлебопечении, при получении спирта, вина, пива, кваса и некоторых молочнокислых продуктов (кефир, кумыс). В бродильных производствах используют представителей родов

Saccharomyces и Scizosaccharomyces. В небольших количествах спирт может накапливаться в средах, богатых углеводами, при развитии в них некоторых видов грибов родов Aspergillus, Mucor, Fusarium, а также бактерий родов Sarcina и Zimomonas.

При доступе кислорода дрожжи, вызывающие брожение, начинают окислять углеводы, то есть переходят к аэробному дыханию с образованием углекислого газа и воды. Аэробное дыхание дает больше энергии, чем брожение. Коэффициент использования углеводов повышается и поэтому при производстве дрожжей для получения их большей массы среду, в которой происходит их размножение, аэрируют. Сбраживание углеводов дрожжами с образованием этилового спирта и углекислого газа идет по гликолитическому пути (путь Эмбдона - Мейергофа - Парнаса). Превращение происходит в результате сложных ферментативных реакций, осуществляемых через ряд промежуточных стадий.

Эти триозы под действием триозофосфатизомеразы легко переходят друг в друга, и дальнейшему превращению подвергается фосфоглицериновый альдегид.

Образовавшийся пируват под действием карбоксилазы превращается в уксусный альдегид, выделяется углекислый газ. Затем под действием алкогольдегидрогеназы (НАД Н₂) образуется этиловый спирт.

В результате спиртового брожения в качестве побочных продуктов может образоваться глицерин, который идет на образование уксусной, молочной, янтарной, пропионовой кислот, диацетила, различных альдегидов и сложных эфиров. Кроме вторичных продуктов образуются побочные продукты: высшие спирты, называемые сивушными маслами (изоамиловый, бутиловый, пропиловый спирты и некоторые ароматические спирты). Эти вещества образуются из соответствующих кетокислот, синтезирующихся в процессе метаболизма углеводов. Спиртовое брожение протекает при кислой реакции среды рН 4-5. В щелочных условиях рН 8 один из основных продуктов брожения - глицерин.

Наибольшее практическое значение в спиртовом брожении имеет вид дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи сбраживают не все сахара, а чаще всего гексозы; пентозы сбраживает ограниченное число видов. Дисахариды также сбраживают некоторые виды микроорганизмов, причем должен быть строго определенный набор сахаров. Перед сбраживанием полисахариды под действием ферментов дрожжей распадаются на моносахариды.

Температура, при которой дрожжи могут развиваться, колеблется от 0^оС до 50^оС, но оптимальная температура для роста большинства видов 28 - 30^оС. В микробиологии виды делят на штаммы, а штаммы на расы. Среди штаммов различают расы верхового и низового брожения.

Дрожжи верхового брожения используют для брожения при 14 - 25^оС, в этих условиях обильно выделяется углекислый газ, наблюдается пенообразование, клетки микроорганизмов поднимаются на поверхность жидкости. Эти дрожжи используют в хлебопечении, спиртовой промышленности. Дрожжи низового брожения применяют в производстве при 0 - 10^оС, брожение происходит спокойно, и клетки остаются на дне сосуда. Такие расы используют в пивоварении и виноделии (Saccharomyces vini).

В промышленности используют чистые культуры дрожжей, которые обеспечивают наиболее правильное течение процесса и получение качественной продукции. Среди дрожжей имеются вредные для человека виды, некоторые из них способны вызывать окисление углеводов, есть вредители пищевой продукции и вин.

Молочнокислое брожение. Это брожение вызывает специфическая группа молочнокислых бактерий, в результате происходит распад глюкозы до молочной кислоты. Известно 3 типа брожений, вызываемых молочнокислыми бактериями.

1) гомоферментативное брожение

С₆Н₁₂О₆ 2 СН₃СНОНСООН

Лактат

В основе гомоферментативного брожения лежат реакции гликолиза, образующийся пируват восстанавливается до лактата водородом под действием фермента лактатдегидрогеназы.

_{2 НАД Н2}

СН₃СОСООН 2 СН₃СНОНСООН

2) гетероферментативное брожение

С₆Н₁₂О₆ СН₃СНОНСООН + С₂Н₅ОН + 2 СО₂

лактат

У гетероферментативных молочнокислых бактерий отсутствуют главные ферменты гликолиза, такие как триозофосфатизомераза и фруктозодифосфатальдолаза. Поэтому начальное превращение глюкозы идет по пентозофосфатному пути до образования рибулозо-5-фосфата, который затем превращается в ксилулозо-5-фосфат, а тот расщепляется с образованием фосфоглицеринового альдегида и ацетилфосфата. Фосфоглицериновый альдегид превращается в пируват, затем в лактат, как в процессе гликолиза. Из ацетилфосфата образуется этиловый спирт и уксусная кислота.

3) бифидоброжение

2 С₆Н₁₂О₆ 3 СН₃СООН + 2 СН₃СНОНСООН

ацетат лактат

Бифидоброжение осуществляется по пентозофосфатному пути с конечными продуктами в виде уксусной кислоты и лактата. Пентозофосфатный путь известен как путь Энтнера - Дудорова. Иногда в сбраживаемых средах накапливается небольшое количество диацетила и ацетоина (вещества, обладающие приятным ароматом, который передается продукту).

Оптимальными параметрами для роста молочнокислых бактерий являются рН 5,5-8,8. Палочковидные формы развиваются в более низких значениях рН, чем кокковидные. Благоприятная температура от 7^оС до 42^оС, но температурный оптимум роста от 30^оС до 40^оС. молочнокислые бактерии не образуют спор, поэтому при температуре выше предела погибают.

Кроме глюкозы молочнокислые бактерии сбраживают фруктозу, лактозу, сахарозу, мальтозу и некоторые пентозы. Молочнокислые бактерии могут быть 2-х видов: молочнокислые стрептококки и молочнокислые палочки. Молочнокислые бактерии применяются при изготовлении сырокопченых колбас, в квашении овощей.

Пропионовокислое брожение. Возбудителями этого вида брожения являются пропионовокислые бактерии, представляющие собой палочки, расположенные по одиночке, парами, или цепочками. Пропионовокислые бактерии являются анаэробами. Продуктами брожения углеводов могут быть различные комбинации пропионовой и уксусной кислот и небольшие количества изовалериановой, муравьиной, янтарной кислот или молочной кислоты и углекислого газа.

Сбраживание углеводов пропионовокислыми бактериями происходит по гликолитическому пути до образования пирувата, в зависимости от условий пируват может окисляться, карбоксилироваться или восстанавливаться. Суммарное уравнение:

3 С₆Н₁₂О₆ 4 СН₃СН₂СООН + СН₃СООН + 2 СО₂ + 2 Н₂О

глюкоза пропионовая уксусная

кислота кислота

3 СН₃СНОНСООН 2 СН₃СН₂СООН + СН₃СООН + СО₂ + Н₂О

лактат

Для роста пропионовокислых бактерий температурный оптимум 30 - 37^оС, реакция среды рН = 7. Пропионовокислые бактерии обнаруживаются в пищеварительном тракте жвачных животных, их используют в производстве твердых сычужных сыров. По окончании молочнокислого брожения лактозы в сыре наступает стадия пропионовокислого брожения, которое сопровождается сбраживанием молочной кислоты и других веществ. Углекислый газ обуславливает появление рисунка сыра (глазки).

Процессы брожения, вызываемые бактериями рода Clostridium и Enterobacterium. Бактерии рода Clostridium могут сбраживать те или иные органические соединения, в зависимости от вида их делят на несколько групп.

1) Сахаролитические виды Clostridium сбраживают углеводы, крахмал, пектин, в эту группу бактерий входят микроорганизмы, вызывающие маслянокислое, ацетонобутиловое брожение.

Маслянокислое брожение. Источником углерода для маслянокислых бактерий служат моносахариды, дисахариды, крахмал, декстрины, молочная кислота, пируват, глицерин. Маслянокислое брожение начинается со сбраживания сахара по гликолитическому пути, затем при участии ферментов синтезируется масляная кислота; как побочный продукт - уксусная кислота, происходит восстановление некоторых соединений. В результате брожения образуется в основном углекислый газ, водород, масляная и уксусная кислоты.

4 С₆Н₁₂О₆ 3 СН₃СН₂СН₂СООН + 2 СН₃СООН + 8 СО₂ + 8 Н₂

глюкоза масляная кислота уксусная

кислота

Маслянокислые бактерии являются строгими анаэробами, среди них есть патогенные (Clostridium botulinum, Clostridium perfringers), сапрофитные формы. Маслянокислое брожение не всегда желательный процесс, например, в квашеных продуктах при развитии маслянокислых бактерий разлагается белковая часть, масляная кислота придает продуктам неприятный запах.

2. Ацетоно-бутиловое, ацетоно-этиловое брожения, брожение клетчатки и пектиновых веществ

2. Ацетонобутиловое брожение. Химизм этого вида брожения сходен с маслянокислым, в результате брожения образуется бутиловый спирт, ацетон, масляная, уксусная кислоты, водород и углекислый газ. Ацетонобутиловые бактерии более требовательны к среде по сравнению с маслянокислыми, они нуждаются в витаминах и аминокислотах.

2) Протеолитические виды Clostridium выделяют в окружающую среду протеолитические ферменты, которые гидролизуют белки и затем сбраживают аминокислоты. Обычно образуются аммиак, углекислый газ, водород, жирные кислоты и большое количество летучих соединений с неприятным запахом. Многие виды бактерий этой группы способны и к сбраживанию углеводов. Clostridium botulinum, Clostridium perfringers относятся ко второй группе. Это процессы гниения.

3) Виды, сбраживающие азотосодержащие циклические соединения (пурины и пиримидины), образуются аммиак, углекислый газ, уксусная кислота.

4) Виды, сбраживающие смесь этилового спирта с уксусной кислотой, образуются масляная, капроновая кислоты и небольшие количества водорода.

Бактерии рода Enterobacterium (энтеробактерии) - представители кишечной микрофлоры, могут осуществлять смешанное - кислое и бутандиоловое - брожение, при котором образуются некоторые органические кислоты, спирты, углекислый газ и водород. Эти бактерии являются факультативными анаэробами. Превращение углеводов у них происходит по гликолитическому пути. К энтеробактериям относятся следующие роды:

1) Escherichia coli - обитает в кишечнике человека и животных, может существовать в воде и почве, ряде пищевых продуктов. Обнаружение ее служит показателем загрязнения среды.

2) Salmonella - представитель кишечной микрофлоры, возбудитель кишечных инфекций и пищевых отравлений.

3) Shigella - возбудитель кишечных инфекций.

К энтеробактериям также относятся Proteus, Enterobacter и другие организации.

Брожение клетчатки и пектиновых веществ. Брожение клетчатки заключается в разрушении клетчатки в анаэробных условиях под влиянием целлюлазы до целлобиозы, которая затем переходит в глюкозу, а глюкоза сбраживается с образованием масляной, уксусной кислот, углекислого газа, водорода, метана. Один из типичных представителей, сбраживающих клетчатку, - это бактерии Омелянского. Брожение пектиновых веществ протекает под действием протопектиназы, пектиназы, пектазы. Сбраживание происходит с образованием уксусной кислоты, этилового спирта, углекислого газа, водорода.

3. Процессы окисления

Окисление происходит в условиях присутствия кислорода. Эти процессы связаны с дыханием микроорганизмов.

Окисление углеводородов. Углеводороды - стойкие соединения и окисляются лишь некоторыми микроорганизмами. Метановые бактерии окисляют метан:

СН₄ + 2 О₂ СО₂ + 2 Н₂О

Некоторые бактерии аналогично окисляют углеводороды жирного ряда. Углеводороды, усваивающие микроорганизмы, последнее время используют для очистки водоемов от загрязнения нефтью и продуктов ее переработки.

Окисление жиров и высокомолекулярных жирных кислот. Эти соединения разлагаются бактериями, актиномицетами и другими грибами. Наиболее энергично разлагают жиры пигментные бактерии: Bacterium prodigiozum (красный пигмент), Pseudomonas fluorescens (зеленый пигмент). Они устойчивы к низким температурам, способны расщеплять жир на глицерин и жирные кислоты, жирные кислоты затем окисляют до углекислого газа и воды. В разложении жира и жирных кислот принимают участие также плесневые грибы из рода Aspergillus и Penicillium.

Окисление этилового спирта в уксусную кислоту (уксуснокислое брожение). В этом процессе принимают участие уксуснокислые бактерии, которые являются строгими аэробами и могут развиваться только на поверхности среды. Они, как правило, образуют пленку на поверхности; отличаются высокой устойчивостью к кислотам; оптимум рН 5- 6, но растут и на более кислых средах. Эти бактерии широко распространены в природе и постоянно встречаются на поверхности плодов, ягод, поэтому легко переходят в вино, пиво, квас и вызывают их скисание. Характерной особенностью уксуснокислых бактерий является то, что они превращают этиловый спирт в уксусную кислоту.

СН₃СН₂ОН + О₂ СН₃СООН + Н₂О

При производстве напитков и вин они наносят вред, так как они способствуют скисанию. Но в тоже время бактерии используются в производстве пищевого уксуса из вина и спирта. Эти же бактерии могут вызвать окисление сорбита, манита, глюкозы до глюконовой кислоты, окисление глицерина до диоксиацетона. Эти бактерии используются при производстве аскорбиновой кислоты и в ряде других производств.

Окисление углеводов плесневыми грибами. При этом образуются уксусная, молочная, лимонная, яблочная и другие органические кислоты, которые далее под действием плесневых грибов окисляются до углекислого газа и воды. Большое значение имеет использование плесневого гриба Aspergillus niger при производстве лимонной кислоты, он превращает около 60% глюкозы в лимонную кислоту. Процесс превращения углеводов в лимонную кислоту называется лимоннокислым брожением.

Окисление клетчатки и близких к ней соединений. Чаще всего этот процесс происходит в почве, возбудителями являются бактерии, актиномицеты и плесневые грибы. Первоначально клетчатка гидролизуется, затем окисляется с образованием высокомолекулярных органических кислот и простых оксикислот. В качестве промежуточных продуктов образуются растворимые сахара. Эти же микроорганизмы окисляют пентозаны, пектиновые вещества, лигнин до углекислого газа и воды.

В рубце жвачных животных обитают специфические облигатные анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии. Они вызывают разложение целлюлозы до глюкозы и сбраживание ее с образованием органических кислот, спиртов, углекислого газа и воды.

Лекция 7 Превращение азотсодержащих соединений, соединений серы, фосфора и железа

Вопросы

1. Процессы аммонификации

2. Процессы нитрификации и денитрификации

3. Процессы фиксации атмосферного азота

4. Превращение соединений серы, фосфора и железа

1. Процессы аммонификации

Среди органических азотосодержащих соединений первое место по количеству приходится на долю белков. Процесс разложения белков и других азотосодержащих соединений, происходящее при участии микроорганизмов - аммонификация (минерализация) азота. Этот же процесс называют еще гниением. Белки подвергаются разложению как анаэробными, так и аэробными микроорганизмами. Особенно активны представители родов бактерий Pseudomonas, Bacillaceae, Clostridium и Proteus.

Молекулы белков и большинства пептидов имеют большие размеры и не могут проходить через цитоплазматическую мембрану микроорганизмов. Они расщепляются экзоферментами. Протеолитические ферменты, выделяемые микробными клетками в окружающую среду, осуществляют гидролиз пептидных связей в белковых молекулах. Образующиеся при этом полипептиды и олигопептиды поступают внутрь клеток микроорганизмов, где разрушаются внутриклеточными ферментами до свободных аминокислот. Аминокислоты используются для синтеза белка или расщепляются. Расщепление аминокислот может идти четырьмя путями:

1) Дезаминирование:

RСН₂СНNH₂COOH RCH=CHCOOH + NH₃

2) Окислительное дезаминирование:

RCHNH₂COOH + Ѕ O₂ RCOCOOH + NH₃

3) Восстановительное дезаминирование:

RCHNH₂COOH + 2 Н⁺ RCH₂COOH + NH₃

4) Декарбоксилирование:

RCHNH₂COOH RCH₂NH₂ + CO₂

Аминокислоты минерализуются с различной скоростью. Метионин и треонин более устойчивы, триптофан, аргинин разлагаются очень быстро. После дезаминирования углеродный остаток подвергается воздействию микробов в аэробных или анаэробных условиях. При этом образуются углекислый газ и различные органические соединения. Если в среде имеются амиды, то они первоначально разлагаются до аминокислот, затем могут быть трансформированы тем или иным путем.

При аэробном распаде белка основными конечными продуктами процесса являются углекислый газ, аммиак, сульфаты и вода. В анаэробных условиях при распаде белка образуются аммиак, амины, углекислый газ, жирные и ароматические кислоты, меркаптаны, вещества с неприятным запахом: сероводород, индол и скатол. При анаэробном расщеплении могут образовываться токсичные соединения (диамины). При разрушении сложных белков освобождаются основные составляющие, то есть белок и связанная с ним простетическая группа. Затем эти соединения (каждое самостоятельно) подвергаются более глубокому разложению. Если в состав белковой молекулы входят сахара, они могут либо окисляться кислородом, либо подвергаться одному из видов брожения.

2. Процессы нитрификации и денитрификации

Существует 3 процесса превращения минеральных азотосодержащих веществ:

1. Нитрификация - процесс окисления аммиака до азотистой и азотной кислот. Этот процесс осуществляют нитрифицирующие бактерии, их подразделяют на 2 группы:

1) Нитрозные бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты;

2) Нитратные бактерии окисляют азотистую кислоту до азотной кислоты;

Все эти бактерии являются облигатными аэробами. Процесс нитрификации осуществляется на цитоплазматических мембранах бактериальных клеток.

2. Денитрификация - процесс восстановления нитритов и нитратов до оксидов азота и молекулярного азота, осуществляется в анаэробных условиях и ингибируется кислородом воздуха. Этот процесс называется также нитратным дыханием. Способностью к нитратному дыханию обладают большое число видов бактерий, а также некоторые грибы. В наибольшей степени способны к восстановлению нитратов следующие роды бактерий Pseudomonas, Bacillaceae; среди грибов - плесневые грибы: Mucor, Penicillium.

3. Процессы фиксации атмосферного азота

Фиксация атмосферного азота. Единственные организмы, способные к азотофиксации - это прокариоты. Эти организмы самостоятельно или в симбиозе с высшими растениями превращают поглощенные молекулы азота в органические соединения и в конечном итоге переводят их в белок. Различают 2 разновидности азотофиксирующих бактерий:

1) клубеньковые бактерии развиваются на корнях бобовые растения;

2) бактерии - свободно живущие азотофиксаторы;

4. Превращения соединений серы, фосфора и железа

· Превращения соединений серы. При разложении серосодержащих белков и аминокислот происходит дальнейшее восстановление неорганических соединений серы, которые в определенных условиях под действием ферментов микроорганизмов могут восстанавливаться до сероводорода, а восстановленные соединения серы могут подвергаться окислению. Среди активных окислителей, восстановленных неорганическими соединениями серы, можно выделить 4 группы микроорганизмов:

1) тионовые;

2) нитчатые формы;

3) фотосинтезирующие зеленые и пурпурные серные бактерии;

4) хемоорганотрофные организмы - представители родов Pseudomonas, Bacillaceae, Penicillium и Aspergillus;

Серобактерии широко распространены в природе, они окисляют сероводород в 2 фазы. На 1-й фазе происходит окисление сероводорода до свободной серы, которая откладывается в протоплазме клеток в виде полужидких капель. В отсутствие водорода наступает 2-я фаза - окисление серы в серную кислоту. То есть сера в клетках серобактерий является запасным энергетическим материалом, а окислительный процесс играет роль дыхательного процесса.

· Превращения соединений фосфора. Эти превращения сводятся к минерализации органического фосфора и к переводу фосфорнокислых солей из менее растворимых в более растворимые формы. Минерализацию вызывают гнилостные бактерии.

· Превращения соединений железа. В природе распространено окисление закисных солей железа в окисные. Этот процесс осуществляется особой группой железобактерий, которые поглощают из окружающей среды растворенные в воде закисные соли (Fe²⁺) и превращают их в Fe(OH)₃. Этот процесс чаще всего осуществляют нитчатые бактерии.

Лекция 8 Патогенные микроорганизмы в пищевой промышленности

Вопросы

1. Инфекция и иммунитет

2. Пищевые интоксикации

3. Пищевые токсикоинфекции

4. Пищевые инфекции

5. Санитарно - показательные микроорганизмы

1. Инфекция и иммунитет

Пищевые отравления. Качество пищевых продуктов зависит от санитарного состояния предприятия. Некоторые виды посторонней микрофлоры снижает качество и стойкость продуктов при хранении, другие - наносят вред здоровью человека. По происхождению пищевые заболевания микробиологической природы делят на две группы: пищевые отравления и пищевые инфекции. К пищевым отравлениям относят заболевания, в проявлении которых пища играет основную роль. Различают пищевые интоксикации и пищевые токсикоинфекции.

Инфекция и иммунитет. Непрерывный процесс следующих друг за другом однородных инфекционных заболеваний, выражающийся в значительном их распространении, называется эпидемическим процессом. В зависимости от количества заболевших инфекционной болезнью людей или животных определяется интенсивность эпидемического процесса: спорадическая заболеваемость -- единичные случаи заболевания; эпидемическая вспышка -- заболевание среди групп людей на ограниченной территории (населенный пункт, дом), связанное с общим источником заражения (молоко, молочные и мясные продукты, вода и т. д.); эпидемия -- значительное распространение данной инфекционной болезни на большой территории (район, область); пандемия -- сильная эпидемия, распространяющаяся среди людей на больших территориях (несколько областей, целые страны, несколько стран). Степень распространения инфекционных болезней среди животных характеризуют терминами «эпизоотия» и«панзоотия», соответствующими терминам «эпидемия» и «пандемия».

Иммунитет. Иммунитет (от лат.immunitas - освобождение, избавление от чего-либо) -- это невосприимчивость организма к любым генетически чужеродным для него агентам, в том числе микроорганизмам и их токсинам. Иммунитет поддерживает биологическую индивидуальность организма, а также защищает его от внедрения чужеродных веществ. Наука, изучающая вопросы иммунитета, называется иммунологией.

У животных в процессе эволюции и индивидуального развития выработались неспецифические и специфические системы защиты генетического постоянства организма, существующие на самых ранних этапах индивидуального развития.

Неспецифический иммунитет, или естественная резистентность. Это врожденные механизмы поддержания генетического постоянства организма, обладающие широким диапазоном противомикробного действия. К факторам естественной резистентности относятся барьерная (защитная) функция кожи, слизистых оболочек и лимфатических узлов, выделительная функция некоторых органов, нормальная микрофлора кишечника и дыхательных путей. Барьерная функция кожи и слизистых оболочек заключается в том, что они не позволяют микробам проникнуть в организм, а кислая среда потовых желез и наличие жира на коже препятствуют их размножению. Большинство микроорганизмов, попадая на слизистые оболочки ротовой полости и глаза, погибают под действием особого вещества -- лизоцима, продуцируемого специальными клетками. При проникновении микроорганизмов через защитный барьер кожи и слизистых оболочек они попадают в лимфатические железы, где и разрушаются. Лимфатические железы -- своеобразный фильтр, задерживающий и обезвреживающий микроорганизмы.

Одним из очень важных факторов неспецифического иммунитета является выделительная функция почек, кишечника, потовых желез. Выводя из организма ненужные продукты метаболизма, эти органы очищают кровь от проникших микробов. У человека и животных в процессе эволюции в кишечнике и на слизистых оболочках носовой полости и трахеи заселились определенные виды микроорганизмов. Эта так называемая нормальная микрофлора губительно действует на большинство патогенных микроорганизмов, препятствуя их размножению.

Различают клеточные и гуморальные факторы естественной резистентности. Клеточные факторы участвуют в защите организма посредством фагоцитоза. Фагоцитоз бактерий осуществляют специальные клетки, которые были названы И. И. Мечниковым макро- и микрофаги (фагоциты). Фагоцитоз протекает в несколько стадий: направленное перемещение фагоцитов к объекту, захватывание и переваривание объекта.

Гуморальные факторы естественной резистентности представлены в организме различными противомикробными веществами: естественные (нормальные) иммуноглобулины, лизоцим, беталиин, комплемент, пропердин, лактоферрин, бактерицины. Все эти вещества являются белками, которые лизируют микроорганизмы и активизируют фагоцитоз.

Специфический иммунитет. Он связан с иммунной системой организма. Иммунной системой называют совокупность лимфоидных органов и тканей, производящих специальные клетки (лимфоциты), способные взаимодействовать с чужеродными агентами и синтезировать специфические белки. В состав иммунной системы входят: тимус, или вилочковая железа, сумка, или бурса Фабрициуса (у кур), пейеровы бляшки, расположенные под слизистой оболочкой тонкого отдела кишечника, костный мозг, кровь, селезенка и лимфатические узлы.

Считают, что чужеродные белки, в том числе микробы и их токсины, попадая в организм, захватываются макрофагами, ферментами которых разрушаются, и в виде коллоида попадают в кровь. Образовавшийся при этом коллоидный комплекс адсорбируется на специальных клетках -- лимфоцитах, и после серий преобразований эти клетки начинают синтезировать белки (иммуноглобулины), обладающие свойством разрушать микробные клетки или нейтрализовать их токсины.

Все белковые вещества, в том числе микроорганизмы и их токсины, способные вызывать в организме человека и животных выработку защитных белков -- иммуноглобулинов, называют антигенами. Защитные белки, выработанные организмом в ответ на введенный антиген, называют антителами. Антигенами являются, кроме белков и микроорганизмов, яды растительного и животного происхождения, различные ферменты. Выработка в организме антител, действие которых направлено строго против родственного им антигена, определяет специфичность иммунитета, а антитела относят к специфическим факторам иммунитета.

По строению все антитела, независимо от антигена, вызвавшего их образование, представляют собой крупномолекулярные белки -- глобулины. Однако их функции чрезвычайно разнообразны. Так, первая группа антител, соединяясь с клетками микроорганизмов, вызывает их склеивание. Этот процесс называется агглютинацией, а антитела, вызывающие агглютинацию микроорганизмов, -- агглютининами. Вторая группа антител, соединяясь с растворимыми белками микроорганизма, вызывает их осаждение. Эти антитела называются преципитинами, а реакция осаждения микробного белка -- реакцией преципитации. Третья группа антител, соприкасаясь с микроорганизмами, вызывает их растворение (лизис). Такие антитела называются бактериолизинами, а реакция -- бактериолизом.

Имеются также антитела, способные нейтрализовать токсины и вирусы. Это -- антитоксины и вируснейтрализующие антитела. В связи с тем, что все антитела образуются в ответ на введение в организм антигена и представляют собой белки, они способны соединяться с антигеном.

Иммунный ответ организма на проникший антиген сопровождается не только продуцированием специфических иммуноглобулинов -- антител, обусловливающих невосприимчивость, но и развитием состояния повышенной чувствительности к повторному введению антигена.

Изменение реакции макроорганизма под действием микроорганизмов, токсинов, лечебных препаратов и других веществ называется аллергией, а вещества, вызывающие аллергию, -- аллергенами. Аллергенами могут быть различные белковые вещества животного и растительного происхождения (сыворотка крови, чешуйки кожи, шерсть, волос, пыльца растений), а также некоторые химические соединения и лекарства.

Аллергия проявляется в трех формах: гиперергия, гипергия и анергия. Гиперергия -- это повышенная реакция клеток организма на повторное попадание (внедрение) аллергенов; проявляется в виде анафилаксического шока (потливость, дрожь, непроизвольное выделение мочи, кала, судороги). Анафилаксический шок часто наступает после введения лечебных сывороток крови. Гиперергия может проявиться в виде крапивницы, воспаления слизистых оболочек глаз и носовой полости при вдыхании пыльцы растений, чешуек кожи животных. Гипергия -- это пониженная реакция, а анергия -- отсутствие реакции клеток на введение аллергена.

По происхождению различают иммунитет врожденный (видовой) и приобретенный.

Врожденный, или видовой, иммунитет. Это невосприимчивость одного вида животного к инфекционным болезням, поражающим другие виды. Видовой иммунитет передается по наследству и связан с особенностями строения и обмена веществ у животных. Например, для всех видов домашних животных характерен врожденный иммунитет к венерическим болезням, человек же никогда не болеет чумой свиней, а жвачные -- сапом.

Приобретенный иммунитет. Это невосприимчивость (устойчивость) организма к инфекционным агентам или их токсинам, приобретенная индивидуумом в течение жизни. Такая форма иммунитета создается самим организмом после перенесенного инфекционного заболевания (естественный приобретенный иммунитет) или же вследствие введения в организм человека как убитых, так и живых микроорганизмов (искусственный приобретенный иммунитет). Результатом введения в организм убитых или живых микроорганизмов (вакцин) является создание активного искусственного приобретенного иммунитета. Если же в организм вместо вакцины вводят сыворотку крови, содержащую защитные белки -- иммуноглобулины, то возникает пассивный искусственный иммунитет.

Приобретенный иммунитет (естественный, активный и пассивный искусственный) является строго индивидуальным и характеризуется невосприимчивостью к данному возбудителю конкретного индивидуума.

Невосприимчивость организма к тому или иному вирусу, микробу, токсину и грибку называется соответственно антивирусным, антимикробным, антитоксическим и антигрибковым иммунитетом.

Если невосприимчивость сопровождается полным удалением возбудителя из организма, то иммунитет называют стерильным, а в случае сохранения невосприимчивости только при наличии в организме возбудителя -- нестерильным.

Реакции иммунитета (агглютинации, преципитации и др.) широко используют при лабораторной диагностике инфекционных болезней, идентификации различных микроорганизмов, определении групп крови и т. д. Методы приготовления вакцин и иммунных сывороток, применяемых в целях предупреждения вспышек инфекционных болезней у человека и животных, также тесно связаны с вопросами иммунологии.

У животных в процессе эволюции и индивидуального развития выработались неспецифические и специфические системы защиты генетического постоянства организма, существующие на самых ранних этапах индивидуального развития.

Неспецифический иммунитет, или естественная резистентность. Это врожденные механизмы поддержания генетического постоянства организма, обладающие широким диапазоном противомикробного действия. К факторам естественной резистентности относятся барьерная (защитная) функция кожи, слизистых оболочек и лимфатических узлов, выделительная функция некоторых органов, нормальная микрофлора кишечника и дыхательных путей. Барьерная функция кожи и слизистых оболочек заключается в том, что они не позволяют микробам проникнуть в организм, а кислая среда потовых желез и наличие жира на коже препятствуют их размножению. Большинство микроорганизмов, попадая на слизистые оболочки ротовой полости и глаза, погибают под действием особого вещества -- лизоцима, продуцируемого специальными клетками. При проникновении микроорганизмов через защитный барьер кожи и слизистых оболочек они попадают в лимфатические железы, где и разрушаются. Лимфатические железы -- своеобразный фильтр, задерживающий и обезвреживающий микроорганизмы.

Одним из очень важных факторов неспецифического иммунитета является выделительная функция почек, кишечника, потовых желез. Выводя из организма ненужные продукты метаболизма, эти органы очищают кровь от проникших микробов. У человека и животных в процессе эволюции в кишечнике и на слизистых оболочках носовой полости и трахеи заселились определенные виды микроорганизмов. Эта так называемая нормальная микрофлора губительно действует на большинство патогенных микроорганизмов, препятствуя их размножению.

2. Пищевые интоксикации

Пищевые интоксикации (токсикозы) могут возникнуть и при отсутствии в пище клеток микроорганизмов, но при наличии микробных токсинов. Различают экзотоксины и эндотоксины. Экзотоксины легко переходят их микробных клеток в окружающую среду и поражают определенные органы и ткани. Большинство из них быстро разрушаются при высокой температуре. Эндотоксины при жизни микробной клетки не выделяются наружу, освобождаясь лишь после ее гибели. Эндотоксины вызывают в организме общие признаки отравления, не обладая специфичностью действия. Эндотоксины более термостойки, многие выдерживают температуру более 100^оС.

Токсикозы по своей природе бывают бактериальные и грибковые. К бактериальным токсикозам относятся:

1) Ботулизм - пищевое отравление, наступающее при употреблении пищи, содержащей токсин бактерии Clostridium botulinum. Clostridium botulinum - это спорообразующая палочковидная бактерия, строгий анаэроб, способна сбраживать некоторые углеводы с образованием углекислого газа и кислот. Токсин бактерии при кипячении разрушается в течение нескольких минут. При нагревании до 80^оС токсин разрушается через 0,5 ч. Основным свойством этого токсина является устойчивость к действию протеолитических ферментов, кислот, низким температур. В тоже время токсин инактивируется щелочью. Высокой устойчивостью к температурам отличаются споры бактерий. При температуре 100^оС они разрушается через 5 - 6 часов, при 120^оС - через 10-20 минут. Еще более устойчивы споры к низким температурам, не погибая даже при -253^оС.

При недостатке тепловой обработки зараженного продукта споры остаются жизнеспособными, и в анаэробных условиях могут развиваться и образовывать токсин. Температурный оптимум для образования токсина 20 - 25^оС. Отравление может произойти при употреблении в пищу рыбы, ветчины, колбасы и консервов в герметически закрытых банках. Особенно часто случаи отравления происходят при употреблении в пищу домашних консервов, так как режимы стерилизации не обеспечивают гибель спор и вегетативных форм.

Признаки ботулизма появляются через 2 - 36 часов в зависимости от количества токсина, попавшего в организм. При этом наблюдается двоение предметов, ослабление ясности видения, головная боль, неустойчивость походки, расстройства речи, затем возникает паралич мягкого неба, поражается дыхательный центр. Смерть наступает в 70% случаев. Единственное эффективное средство - это антитоксическая противоботулиническая сыворотка, своевременно введенная.

Важной мерой профилактики является контроль качества сырья и стерилизации консервов. Консервы с признаками бомбажа запрещается реализовать. Кроме того, достаточно высокая концентрация уксусной кислоты препятствует размножению бактерий, поэтому ее содержание в маринадах должно быть более 2%.

2) Стафилококковая интоксикация. Среди стафилококков, вызывающих пищевые интоксикации, наиболее известен золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus). Это факультативный анаэроб, развиваясь в пищевых продуктах, может выделять энтеротоксин, который разрушается после 2 часов кипячения продуктов. Признаки заболевания появляются через 2-4 часов после приема зараженной пищи. Выражается в часто повторяющейся рвоте, общей слабости, головокружении, появляется холодной пот. На следующий день наступает выздоровление, смертельных исходов не обнаружено.

Эти интоксикации связаны с различными продуктами, чаще всего с употреблением молока и молочных продуктов, кондитерских изделий с кремом. Образование энтеротоксинов происходит при 18 - 20^оС, при этом изменения органолептических свойств продукта не происходит. Источником заражения пищевых продуктов являются доярки, рабочие молокозаводов и кондитерских цехов с гнойничковыми заболеваниями на руках, лица, больные ангиной, кариесом, с заболеваниями верхних дыхательных путей.

Меры профилактики:

§ строгий контроль за здоровьем лиц, соприкасающихся с пищевыми продуктами;

§ запрещение употребления молока, полученного от животных, больных маститом;

§ постоянный контроль за выявлением носителей стафилококков среди работников пищевых предприятий;

§ хранение молока и молочных продуктов, кондитерских изделий с кремом в охлаждаемых помещениях.

Грибковые токсикозы (микотоксикозы):

1) Септическая ангина возникает в результате употребления в пищу зерновых продуктов из зерна, перезимовавшего под снегом. Возбудителем является гриб рода Fusarium. В результате его жизнедеятельности в зерне накапливаются термостойкие токсины, не разрущающиеся при температуре 120^оС в течение 2 часов. Эти токсины обладают гемолитическим действием, то есть оказывают влияние на изменение состава крови. Встречаются крайне редко.

2) Эрготизм возникает при употреблении в пищу зерновых продуктов из зерна, содержащего примеси спорыньи (покоящиеся клетки микроскопического гриба Clariceps purpurea). Продукты жизнедеятельности этого гриба устойчивы к воздействию высокой температуры и не разрушаются при выпечке хлеба. Эрготизм проявляется в одной из форм: в форме «злой корчи» или в гангренозной форме, когда обнаруживается некроз пальцев рук. Меры профилактики заключаются в тщательной очистке продовольственного сырья от спорыньи.

3) Отравления «пьяным» хлебом связаны с употреблением в пищу изделий из зерна, пораженного грибом Fusarium graminearum. Зерно, пораженное этим грибом, выглядит сморщенным и легковесным. Симптомы отравления сходны с симптомами алкогольного отравления.

4) Афлотоксикоз. Плесневые грибы Aspergillus flavus образуют на пищевых продуктах токсины, называемые афлотоксинами. В настоящее время их обнаружено более 10 разновидностей. Наиболее токсикогенным является афлотоксин В1. Афлотоксины обладают протеолитическим, гемолитическим и канцерогенным действием. Афлотоксикоз может возникнуть при употреблении в пищу продуктов из зерновых, масличных, фруктовых культур. Как правило, грибы развиваются при неправильном хранении продуктов и в результате жизнедеятельности выделяют токсины. Санитарными нормами и правилами регламентировано допустимое количество афлотоксинов в пищевых продуктах.

3. Пищевые токсикоинфекции

Пищевые токсикоинфекции протекают обычно в виде острого желудочно-кишечного заболевания и связаны с содержанием в пище большого количества живых микробных клеток. Активное размножение в пищевых продуктах происходит при нарушении санитарных требований и условий хранения. К наиболее часто встречающимся токсикоинфекциям относятся:

1) Пищевые сальмонеллезы - наиболее тяжело протекающие пищевые токсикоинфекции. Возбудителями являются бактерии из группы Salmonella, которая насчитывает более 5 тыс. видов. Сальмонеллезы чаще всего возникают при употреблении зараженного мяса (80% случаев), а также зараженных яиц или кондитерских изделий с кремом из яиц, не подвергавшимся тепловой обработке. Оптимальная температура развития микробов 27 - 30^оС, время выдержки для интенсивного развития микробов 4 - 6 часов.

Признаки заболевания появляются через 8 - 12 часов и характеризуются тошнотой, рвотой, болями в животе и высокой температурой 38 - 39^оС. Выздоровление наступает на 2-4 день. Иногда заболевание длится более 2-х недель, у детей и стариков бывают смертельные случаи. Летальность составляет 1%. Меры профилактики:

§ предупреждение инфицирования продуктов;

§ обеспечение условий, исключающих массивное размножение микроорганизмов;

§ надежная термическая обработка перед употреблением зараженных или сомнительных продуктов;

§ выявление бактерионосителей среди лиц, работающих на предприятии;

2) Токсикоинфекции, вызываемые условно патогенными микроорганизмами в продуктах, в которых размножается палочка Proteus или кишечная палочка (Escherichia coli). Эти микроорганизмы являются постоянными обитателями кишечника человека и животных и при обычных условиях не являются патогенными, но при определенных условиях некоторые их виды способны вырабатывать токсины, поэтому эти бактерии называются условно патогенными.

Эти микроорганизмы широко распространены в остатках гниющих продуктов, содержащих белки. Но могут развиваться и на сырых продуктах, продуктах, подвергшихся термической обработке (мясные, рыбные, колбасные изделия). Оптимальная температура для развития этих микроорганизмов 25 - 37^оС. Источник их поступления - плохо вымытые руки и оборудование, а также загрязненное сырье. Длительное хранение скоропортящихся продуктов при комнатной температуре приводит к размножению этих микроорганизмов. При употреблении таких продуктов через 2 - 2,5 часов может наступить пищевое отравление. При массовом размножении палочки Proteus и кишечной палочки органолептические показатели продукта не меняются.

Клинические проявления при этом отравлении сходны с проявлениями сальмонеллеза, но температура тела не повышается. Меры профилактики:

§ соблюдение правил личной гигиены работников предприятия;

§ тщательная обработка оборудования, инвентаря, соприкасающихся с продуктами (мытье, дезинфекция);

§ уничтожение насекомых и грызунов;

§ устранение гниющих остатков продуктов;

§ избежание контакта остатков продуктов с доброкачественными и недопущение свободного доступа к этим продуктам грызунов;

§ строгое соблюдение сроков реализации и хранения скоропортящихся продуктов;

Значительную роль в пищевых токсикоинфекциях играют Clostridium perfingens, Enterococcus и др.

3. К пищевым инфекциям относятся заболевания, при которых пищевые продукты являются передатчиком патогенных микроорганизмов, причем бактерии в пищевых продуктах не размножаются. Для возникновения заболевания достаточно присутствия в пище нескольких клеток микроорганизмов.

Пищевые инфекции являются типичными заразными болезнями. Различают кишечно-тифозную группу возбудителей пищевых инфекций, а также возбудителей других заболеваний.

К кишечно-тифозной группе относятся:

1. Брюшной тиф, паратифы, которые являются острыми инфекционными заболеваниями. Возбудителями этих заболеваний являются бактерии из рода Salmonella (Salmonella tiphy, Salmonella paratiphy). Заболевания характеризуются поражением тонких кишок, изменением лимфатического аппарата и общим токсическим поражением организма.

2. Бактериальная дизентерия. Возбудителем этого заболевания являются бактерии из рода Shigella. Различают несколько разновидностей Shigella, они представляют собой палочки с закругленными концами, не образуют спор и капсул. Это заболевание характеризуется поражением кишечника.

Заболевания, вызываемые другими возбудителями:

1. Бруцеллез вызывается потреблением молока больных животных и молочных продуктов из такого молока. Возбудителями являются бактерии из рода Brucella. Они представляют собой кокки, не образующие спор, являются факультативными анаэробами. При нагревании до 60^оС возбудитель погибает через 15 минут.

2. Туберкулез. Заражение происходит через молоко и молочные продукты. Туберкулезная палочка является наиболее устойчивой к неблагоприятным условиям и может длительное время сохраняться в пищевых продуктах. При нагреве до 100^оС туберкулезная палочка погибает. Возбудителями являются бактерии из рода Nycobacterium tubaculosis.

3. Сибирская язва. Возбудителем этого заболевания является крупная спорообразующая палочка с обрубленными концами Bacillus anthracis. Ее споры выдерживают длительное кипячение. Например, в воде палочка выживает в течение нескольких месяцев. Заражение может произойти при употреблении мясных продуктов, молока. При обнаружении заражения мяса сибирской язвой такое мясо подлежит уничтожению.

4. Холера. Возбудителями являются две разновидности микроорганизмов: холерный вибрион Коха и вибрион Эль-Тор. Бактерии имеют форму запятой, споры и капсулы отсутствуют. Эти бактерии выделяют афлотоксин, который обладает сильными ядовитыми свойствами. Бактерии чувствительны к действию кислот, активного хлора, при кипячении погибают через одну минуту. Заражение может произойти через мясные, молочные, рыбные продукты.

5. Ящур вызывается РНК-содержащим вирусом. При обнаружении зараженного мяса и молока ящуром продукты уничтожаются.

5. Санитарно-показательные микроорганизмы

Так как прямое и быстрое обнаружение патогенных микробов осуществить трудно, поэтому вместо прямого определения применяют санитарную оценку объектов при помощи количественного и качественного учета санитарно-показательных микроорганизмов.

Санитарно-показательные микроорганизмы - это микробы, которые постоянно находятся в естественных полостях человеческого или животного организма и не обитают во внешней среде. Обычно они не причиняют вреда человеческому организму, но при соответствующих условиях могут вызвать патологический процесс. Такие микроорганизмы обычно относят к условно патогенным. Присутствие этих микроорганизмов во внешней среде свидетельствует о загрязнении выделениями человека или животных.