Представители микроорганизмов

Представители микроорганизмов

В природе существуют десятки тысяч видов микроорганизмов, и это только те, о которых мы знаем. Они являются довольно разнообразными. Некоторые различаются средой обитания, другие - образом или условиями существования, третьи - строением. Так, практически все они одноклеточные, но встречаются среди них и многоклеточные, хоть и редко.

Все микроорганизмы можно поделить на 2 группы: безъядерные (прокариоты) и обладающие клеточным ядром (эукариоты).
Прокариоты - это одноклеточные живые организмы, не имеющие клеточного ядра. Иногда их называют доядерными, а в 20-ых веках именовали монерами, но сейчас этот термин не используется. Представителями прокариотов являются всего 2 домена живых организмов: бактерии и археи. Полагают, что существуют миллионы видов микроорганизмов, относящихся к этим доменам. Но найти то, что не видишь невооружённым взглядом, довольно сложно, поэтому на сегодняшний день известно около десятка-другого тысяч видов.

Микроорганизмы, относящиеся к домену Эукариоты, могут быть как многоклеточными, так и одноклеточными. Главная их особенность - наличие ядра в клетке, поэтому их также называют ядерными. К слову, практически все живые организмы, имеющиеся в природе, относятся к Эукариотам. Исключением являются бактерии, археи, и вирусы.
Микроорганизмы, обладающие клеточным ядром, не очень многочисленны. Их объединяются в одну группу - протисты, хотя входят туда не все ядерные микроскопические организмы.

Бактерии: описание и типы

Бактерии - это домен микроорганизмов (чаще всего одноклеточных), не имеющих ядра. В природе их существует огромное количество видов, сотни тысяч, и даже миллионы, вероятно.

Дело в том, что они настолько малы, что их довольно трудно находить, и уж тем более изучать. Описано лишь около десяти тысяч видов бактерий. Ну а их количество, понятное дело, даже не поддаётся исчислению. Но можно сказать, что практически все из них выполняют некую роль в природе, и обладают некими уникальными свойствами. И исходя из этих знаний, делят бактерий на различные типы, классы, семейства и рода.

Археи: описание и типы

Археи представляют собой домен одноклеточных живых организмов, не имеющих ядра и мембранных органелл. Исходя из особенностей видов этих микроорганизмов, делят их на 8 типов (6 основных и 2 предполагаемых). А каждый из типов, в свою очередь, делится на один или несколько классов архей, обладающих уникальными свойствами. Классы включают в себя семейства и роды архей.

Протисты: описание и типы

Протистами называют группу живых организмов, относящихся к домену Эукариоты (их клетки имеют ядро), и не входящих в состав животных, растений, грибов и хромистов. Создана она по "остаточному принципу". И, соответственно, включает в себя различные живые организмы, сильно отличающиеся друг от друга.

Исходя из их способа перемещения в пространстве, протистов делят на 3 типа. А каждый из этих типов, исходя из иных особенностей видов, делят на классы, семейства и рода:

· - Инфузории

· - Споровики

· - Саркомастигофоры

Заключение

Таким образом, микроорганизмы представляют собой невидимые человеческим зрением живые организмы, обитающие практически везде (поскольку вода находится также практически везде), осуществляющие в природе важные функции, и приносящие человеку как вред, так и пользу.

 

 2. Практическое применение микроорганизмов

Благодаря большому разнообразию синтезируемых ферментов микроорганизмы могут выполнять многие химические процессы более эффективно и экономично, чем если бы эти процессы проводились химическими методами. Изучение биохимической деятельности микроорганизмов позволило подобрать условия для максимальной активности их как продуцентов различных полезных ферментов - возбудителей нужных химических реакций и процессов. Микроорганизмы все шире применяются в различных отраслях химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, медицине.

В нашей стране создана и успешно развивается новая отрасль промышленности - микробиологическая, все производства которой базируются на деятельности микроорганизмов.

Микроорганизмы, с помощью которых производят пищевые продукты, называют культурными. Их получают из чистых культур, которые выделяют из отдельных клеток. Последние хранят в музейных коллекциях и снабжают ими различные производства.

В результате осуществляемых культурными микроорганизмами химических реакций растительное или животное сырье превращается в пищевые продукты. С помощью микроорганизмов получают многие жизненно важные продукты питания, и хотя изготовление их знакомо человеку с древних времен, роль в нем микроорганизмов открыта сравнительно недавно.

Хлебопекарное производство.

Хлебопечение основано на деятельности дрожжей и молочнокислых бактерий, развивающихся в тесте. Совместное действие этих микроорганизмов приводит к сбраживанию сахаров муки. Дрожжи вызывают спиртовое брожение, молочнокислые бактерии - молочнокислое. Образующиеся при этом молочная и другие кислоты подкисляют тесто, поддерживая оптимальный для жизнедеятельности дрожжей уровень рН. Углекислый газ разрыхляет тесто и ускоряет его созревание.

Применение культурных микроорганизмов в виде прессованных хлебопекарных дрожжей, сушеных или жидких заквасок улучшает вкус и аромат хлеба.

Производство сыра.

Сыроделие основано на деятельности многих видов микроорганизмов: молочнокислые (термофильный стрептококк), пропионовокислые бактерии и др. Под действием молочнокислых бактерий происходит накопление молочной кислоты и сквашивание молока, под действием других полезных микроорганизмов созревает сыр. Участвуют в этом процессе также некоторые плесневые грибы. Сычужный фермент и молочнокислые бактерии производят глубокое расщепление белков, сахара и жира. Различные бактерии вызывают накопление в острых сырах летучих кислот, придающих им специфический аромат.

Квашение и соление.

Сущность этого способа консервирования состоит в создании условий для преимущественного развития одних микроорганизмов - молочнокислых бактерий и подавления развития других - гнилостных бактерий. Заквашивают капусту, огурцы, помидоры, яблоки, арбузы. Применяют этот способ также при закладывании на длительное хранение корма для скота - заквашивается зеленая масса из трав, растительных остатков и др. Этот процесс носит название силосования кормов.

Метанобразующие бактерии

Предположение о биологической природе образования метана было высказано еще в XIX в. Однако изучение этого процесса и организмов, его осуществляющих, тормозилось из-за отсутствия чистых культур. Сложность заключается в чрезвычайной чувствительности большинства метанобразующих бактерий к О2. Быстрый прогресс в изучении этой группы архебактерий связан с использованием методов культивирования анаэробов, разработанных Р.Е.Хангейтом (R.E.Hungate). В качестве основных приемов используется удаление О2 из газов, в атмосфере которых осуществляются культивирование и все необходимые для работы операции, а также применение предварительно восстановленных сред.

Метанобразующие бактерии (метаногены) - морфологически разнообразная группа, объединяемая двумя общими для всех ее представителей признаками: облигатным анаэробиозом и способностью образовывать метан. Для создания таксономической структуры метанобразующих бактерий был использован филогенетический подход, основанный на сравнительном анализе нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. В соответствии с таким подходом в девятом издании Определителя бактерий Берги группа разделена на три порядка (Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales), коэффициент сходства (SAB) для которых составляет 0,2-0,28. Далее порядки разделены на 6 семейств (SAB=0,34-0,36) и 13 родов (Sab=0,46-0,51). Число видов достигает более 40. SAB для них колеблется в пределах 0,55-0,65. О гетерогенности группы можно судить и по нуклеотидному составу ДНК ее представителей (молярное содержание ГЦ-оснований - от 27 до 61%).

В состав группы входят бактерии с разной морфологией: прямые или изогнутые палочки разной длины; клетки неправильной формы, близкие к коккам; извитые формы. У некоторых видов наблюдается тенденция формировать нити или пакеты. Клетки неподвижные или передвигающиеся с помощью перитрихиально или полярно расположенных жгутиков. У представителей рода Methanosarcina в клетках найдены газовые вакуоли. Для некоторых метаногенов характерна развитая система внутриклеточных элементарных мембран, являющихся результатом разрастания и впячивания в цитоплазму ЦПМ и сохраняющих с ней связь. У этой группы архебактерий обнаружены клеточные стенки трех типов: состоящие из псевдомуреина, построенные из белковых глобул и гетерополисахаридной природы. Описан микоплазмоподобный метаноген, выделенный в род Methanoplasma, не имеющий клеточной стенки и фильтрующийся через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм.

20-30% мембранных липидов метаногенов представлены нейтральными и 70-80% - полярными липидами. Последние - это в основном два типа простых эфиров глицерина и терпеноидных спиртов (С20-фитаниловый и С40- бифитаниловый), на основе которых образуются полярные фосфо- и гликолипиды (рис. 14 и рис. 102). В зависимости от вида клеточные мембраны могут содержать оба типа эфиров или только один. Основными нейтральными липидами являются С20-, С25- и С30-ациклические изопреноидные углеводороды, насыщенные или содержащие двойные связи. Запасных продуктов в виде поли-бета-оксимасляной кислоты или гликогена в клетках не обнаружено.

Метанобразующие бактерии - строгие анаэробы. Первые исследования чистых культур, выделенных из рубца жвачных животных, показали, что рост их возможен при начальном окислительно-восстановительном потенциале среды ниже -300 мВ. Рост некоторых видов полностью подавляется при содержании в газовой фазе более 0,004% молекулярного кислорода. Однако описаны виды с относительно низкой чувствительностью к О2. В их клетках найдена супероксиддисмутаза. Возможно, в природе такие виды могут сохранять жизнеспособность при кратковременных контактах с О2 и возобновлять рост в анаэробных условиях.

Большинство метанобразующих бактерий имеют температурный оптимум для роста в области 30-40 градусов по С, т.е. являются мезофилами, но есть виды, у которых оптимальная зона сдвинута в сторону более низких (25 градусов по С) или высоких (55-65 градусов по С) температур. Выделен экстремально термофильный организм Methanothermus fervidus, растущий при 55-97 градусов по С (оптимум 80 градусов по С). Все известные представители этой группы - нейтрофилы с оптимальным рН в области 6,5-7,5. Среди метаногенов есть галофилы, требующие в качестве одного из оптимальных условий для роста содержания в среде до 65-70 г/л NaCl.

В качестве источника углерода и энергии для роста метаногены используют узкий круг соединений. Наиболее универсальными источниками углерода и энергии для них является газовая смесь Н2 и СО2. Более 3/4 известных видов утилизируют Н2+СО2. Некоторые метаногены приспособились к облигатному использованию этих соединений. Следующими по распространенности источниками углерода и энергии служат формиат, ацетат, метанол, метиламины и моноокись углерода.

Около половины изученных видов не нуждаются в каких-либо органических соединениях. Для роста многих культур в атмосфере Н2 и СО2 требуется внесение в среду органических веществ, стимулирующих рост или абсолютно для него необходимых. Это могут быть некоторые витамины группы В, ацетат, пируват, сукцинат, отдельные аминокислоты, дрожжевой экстракт или компоненты неизвестного состава, содержащиеся в природных средах обитания. Так, штаммы, выделенные из рубца жвачных животных, нуждаются в добавках рубцовой жидкости. Сложные органические соединения метанобразующие бактерии использовать не могут.

В качестве источника азота метаногены используют аммонийный азот или некоторые аминокислоты. Для ряда видов показана способность к азотфиксации. Источником серы могут служить сульфаты, сульфидили серосодержащие аминокислоты.

 

9. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ метанообразующиХ бактерии

Основными местами обитания метанообразующих бактерий являются осадки пресных, морских, гиперсоленых водоемов, гидротермы, очистные сооружения, заболоченные почвы. Кроме того, эти бактерии являются важными компонентами пищеварительного тракта растительноядных животных; найдены они в толстом кишечнике человека (таблица 2).

Субстратная специфичность метанообразующих бактерий обусловливает необходимость их взаимодействия с другими анаэробными бак­териями - продуцентами необходимых метаногенам субстратов. В этой связи метаногены в природе развиваются в составе сложного общества, которое обеспечивает в анаэробных условиях разложение практически любого органического соединения. Конечной стадией такого разрушения является образование метана, который, насколько известно, не может быть использован в анаэробных реакциях.

В основе взаимодействия микроорганизмов, входящих в сообщест­во, лежит трофическая цепь, ведущая от сложных биополимеров к прос­тым газообразным продуктам. При этом на первом этапе, благодаря жизнедеятельности "первичных анаэробов", идет деструкция высоко-энергизованных природных соединений с образованием летучих жирных кислот (формиата, ацетата, пропионата, бутирата), органических кис­лот (лактата, сукцината), низших спиртов (этанола, метанола), аль­дегидов, кетонов, водорода и углекислого газа. На втором этапе дей­ствуют "вторичные анаэробы", которые используют перечисленные выше продукты в качестве энергетических субстратов. В результате образу­ется ацетат, Н₂, СО₂, формиат. В последнюю очередь происходит образование метаногенами метана, который далее удаляется из системы в анаэробную зону в виде пузырьков газа, где используется метанотрофными бактериями.

Согласно современным представлениям процесс образования мета­на происходит по двум механизмам. Первый механизм начинается с последовательности процессов, приводящих к центроболитам (НСООН, СН₃ОН и др.), которые затем используются метанообразующими бактериями. Этот механизм метаногенеза связан с переносом углеродсодержащего материала в трофической цепи.

Второй механизм обусловлен потреблением метаногенами Н₂. След­ствием этого процесса является изменение метаболизма первичных ана­эробов в сторону увеличения выхода энергии. Тесное взаимодействие между микроорганизмами на основе межвидового переноса водорода по­лучило название синтрофии.

Метанообразующие бактерии представляют определенный практичес­кий интерес как продуценты газообразного топлива – метана. В институте биохимии им. Баха разработан способ получения в процессе метанового брожения кормового витамина В₁₂ при сбраживании отходов, богатых углеводами.

Метанообразующие бактерии являются одним из основных компонентов активного ила метантенков – анаэробных очистных сооружений сточных вод. В данном случае бактерии используются для сбраживания углеродсодержащих осадков. Многие продукты анаэробного распада в метантенках могут быть утилизированы. Выделяющийся в процессе метанового брожения метан собирается в газгольдеры и используется на отопление очистной станции, в том числе и на поддержание требуемой температуры в метантенке. Сброженный осадок после подсушивания на иловых площадках или механического обезвоживания может быть использован в качестве удобрения на сельскохозяйственных полях.

 

 10 Дыхание микроорганизмов, сущность процесса. Способы дыхания.

Для своей жизнедеятельности каждая микробная клетка кроме питательных веществ нуждается в энергии. Эту энергию микроорганизмы получают в процессе дыхания. Сущность дыхания у микробов заключается в окислении сложных органических соединений до более простых веществ с выделением тепловой энергии, которая и используется микробами. В большинстве случаев микроорганизмы получают энергию путем окисления углеводов и других органических соединений. За счет полученной энергии происходит синтез сложных органических соединений в самой клетке.

По типу дыхания микроорганизмы делятся на аэробы и анаэробы. Аэробы - микроорганизмы, которые для дыхания и получения необходимой энергии нуждаются в свободном доступе кислорода из воздуха. У этой группы микробов процесс дыхания аэробный. Анаэробы - микроорганизмы, которые получают энергию при дыхании без доступа кислорода воздуха путем расщепления питательных веществ. Различают облигатные (строгие) и факультативные (нестрогие) анаэробы. Облигатные анаэробы проявляют свою жизнедеятельность только при отсутствии кислорода воздуха. Факультативные анаэробы могут развиваться в средах как в присутствии кислорода воздуха, так и без него.

В химизме дыхательных процессов у аэробов и анаэробов имеется много общего. Во всех случаях первым этапом дыхательных процессов является отщепление водорода от субстрата (дегидрирование) в присутствии специфических ферментов - дегидрогеназ. Происходящие процессы носят окислительно-восстановительный характер.

Сущность окисления состоит в потере электронов окисляющимся веществом, тогда как сущность восстановления состоит в присоединении этих электронов восстанавливающимся веществом. Та или иная последовательность биохимических реакций в течение обменных процессов возможна благодаря тонким изменениям окислительно-восстановительного потенциала, под которым понимают способность вещества отдавать или получать электроны.

При аэробном типе дыхания аэробные дегидрогеназы передают отнятый от субстрата водород или непосредственно кислороду воздуха, или цитохромной системе. Это так называемое аэробное дегидрирование, при котором происходит обычно полное окисление. При полном окислении конечными продуктами являются вода и углекислота, при этом освобождается вся энергия. При неполном окислении происходит образование продуктов, в которых заключается значительная часть энергии.

В анаэробных условиях биохимические процессы происходят при отсутствии кислорода воздуха. Анаэробные дегидрогеназы не могут отдавать водород кислороду воздуха, а передают его другим веществам, от которых сравнительно легко отщепляется кислород. Это так называемое анаэробное дегидрирование, при котором происходит неполное окисление субстрата.

 

Дыхание микроорганизмов представляет собой био­логическое окисление различных органических соединœений и не­которых минœеральных веществ. В итоге окислительно-восстано­вительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное ко­личество выделяется в окружающую среду. Сегодня окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидриро­вание), а восстановление — его присоединœения. Эти термины применяют к реакциям, связанным с переносом протонов и элек­тронов или только электронов. При окислении вещества происхо­дит потеря электронов, а при восстановлении — их присоединœение. Считают, что перенос водорода и перенос электронов — эквивалентные процессы.

Энергия, освобождаемая в процессе окислительно-восстановительных реакций, накапливается в макроэргических соединœениях АДФ и АТФ (аденозиндифосфат и аденозинтрифосфат). Эти соединœенияимеют макроэргические связи, обладающие большим запасом биологически доступной энергии. Οʜᴎ локализованы в сложно устроенных структурах микробных клеток — мезосомах, или митохондриях.

По типу дыхания микроорганизмы делят на аэробов, анаэробов и факультативных анаэробов.

Аэробное дыхание микроорганизмов — это процесс, при котором последним акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный кислород. В результате окисления главным образом сложных органических соединœений образуется энергия, которая выделяется в среду или накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ. Различают полное и неполное окисление.

Полное окисление. Основной источник энергии у микроорганизмов —углеводы. В результате расщепления глюкозы в аэробных условиях процесс окисления идет до образования диоксида углерода и воды с выделœением большого количества свободной энергии:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 674 ккал.

Неполное окисление. Не всœе аэробы доводят реакции окисления до конца. При избытке углеводов в среде образуются продукты неполного окисления, в которых заключена энергия. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара бывают органические кислоты: лимонная, яблочная, щавелœевая, янтарная и другие, которые образуются плесневыми грибами. Так же осу­ществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями, в которых при окислении этилового спирта образуется не диоксид углерода и вода, а уксусная кислота и вода:

С₂Н₅ОН + О₂ → СН₃СООН + Н₂О + 116 ккал.

этиловый спирт уксус. к-та

Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями мо­жет идти и дальше — до появления диоксида углерода и воды, при этом освобождается большое количество энергии:

С₂Н₅ОН + 3О₂ → 2СО₂ + 3Н₂О + 326 ккал.

этиловый спирт

Анаэробное дыхание осуществляется без участия молекулярного кислорода. Различают собственно анаэробное дыхание (нитратное, сульфатное) и брожение. При анаэробном дыхании акцепто­ром водорода являются окисленные неорганические соединœения, которые легко отдают кислород и превращаются в более восста­новленные формы. Нитратное дыхание — восстановление нитратов до молекуляр­ного азота. Сульфатное дыхание — восстановление сульфатов до сероводо­рода.

Брожение — расщепление органических углеродсодержащих соединœений в анаэробных условиях. Оно характеризуется тем, что последнимакцептором водорода служит молекула органического вещества с ненасыщенными связями. Вещество при этом разлагаетсятолько до промежуточных продуктов, представляющих собой сложныеорганические соединœения (спирты, органические кислоты). Заключенная в них энергия не используется микробами, а об разовавшаяся в небольших количествах энергия выделяется в ок­ружающую среду.

Типичными примерами анаэробного дыхания являются:

- спиртовое брожение (дыхание дрожжей в анаэробных условиях):

С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 27 ккал;

этилов. спирт

- молочнокислое брожение (дыхание молочнокислых бактерий):

С₆Н₁₂О₆ → 2С₃Н₆О₃ + 18 ккал;

молочн. к-та

- маслянокислое брожение (дыхание маслянокислых бактерий):

С₆Н₁₂О₆ → С₃Н₇СООН + 2СО₂ + 2Н₂ + 15 ккал;

маслян. к-та

Как видно из приведенных уравнений, при анаэробном дыхании освобождается значительно меньше энергии, чем при аэробном. По этой причине при анаэробном дыхании для того, чтобы обеспечить потребность в крайне важно м количестве энергии, микроорганизмам крайне важно потреблять больше сахаров, чем при аэробном.

Большая часть энергии, образующейся при дыхании, освобождается в окружающую среду. Это вызывает нагревание продуктов, в которых развиваются микроорганизмы. Именно так нагревается вино, в котором происходит спиртовое брожение; нагревается влажное зерно, торф, сено.

 

13 Уксусную кислоту можно получать следующими способами:

1) Из метана, являющегося основным компонентом природного газа, получают ацетилен:

Ацетилен в присутствии сульфата ртути (II) присоединяет воду, образуется уксусный альдегид (реакция Кучерова):

При окислении уксусного альдегида образуется уксусная кислота:

2) При гидратации этилена, являющегося побочным продуктом крекинга нефти, получают этиловый спирт:

При окислении этилового спирта получают уксусную кислоту:

3) Уксусную кислоту можно получить при окислении бутана в присутствии катализатора:

Наиболее перспективным является последний метод, так как бутан является компонентом природного газа и попутных нефтяных газов, а уксусная кислота получается в одну стадию.

 

Как одна из простейших органических кислот, уксусная кислота является естественным метаболитом (промежуточным продуктом жизнедеятельности) очень многих живых организмов. В естественной среде, например, она является типичным промежуточным звеном концевого окисления этилового спирта CH3-CH2-OH (его формула в ином представлении — C2H5OH), что и определило её первичный способ получения, известный человеку — сбраживание сахаров (прежде всего глюкозы, фруктозы и их производных) напрямую либо через промежуточные стадии спирта этилового и альдегида уксусного (CH3-CHO). В зависимости от происхождения используемого сырья/способа производства, к слову «уксус» нередко добавляется соответствующее прилагательное: «винный уксус», «рисовый уксус», «яблочный уксус» и так далее — и все эти вещества издревле использовались при приготовлении пищи и консервировании/обработке разнообразных пищевых/непищевых продуктов.

 

Помимо использования в быту и пищевой индустрии (уксусная кислота является официально зарегистрированной пищевой добавкой/консерв

антом с кодом E-260), она также имеет большое промышленное значение — и как компонент моющих/чистящих средств, продуктов гигиены и дезинфекции, и как промежуточное сырьё либо технический продукт (например, специфический растворитель в целом ряде промышленных синтезов). Поскольку массовое производство технической уксусной кислоты «естественным» путём микробиологической переработки пищевых продуктов дорого/неэффективно и имеет смысл лишь в случае наличия некоторых типов бросового либо условно-бесплатного сырья, постоянно изыскивались способы иного её получения.

 

14 Образование лимонной кислоты

Лимонная кислота содержится в различных растениях. Она была впервые выделена К. В. Шееле из лимонного сока, где её содержание достигает 10%. В промышленности лимонную кислоту получают путем лимоннокислого брожения отходов сахарного производства с помощью плесневого грибка Aspergillius niger

Применение лимонной кислоты

Лимонная кислота нашла широкое применение в пищевой промышленности (производство плавленых сыров, напитков и т.д.), при производстве косметики, цемента, а также в нефтехиии.

Соли лимонной кислоты называются цитратами. Цитрат натрия применяется для консервации донорской крови. Противосвертывающее действие основано на том, что цитрат натрия связывает участвующие в процессе свертывания ионы кальция в нерастворимый цитрат кальция.

15 Молочную кислоту открыл шведский химик Карл Шееле. В 1780 году он выделил её из прокисшего молока в виде коричневого сиропа. Французский химик Анри Браконно обнаружил, что она образуется при молочнокислом брожении^[1].

В 1807 году Йенс Якоб Берцелиус выделил из мышц цинковую соль молочной кислоты.

Молочная кислота – это органическое соединение с формулой CH₃CH(OH)CO₂H. Визуально это белое, твердое, растворимое в воде вещество или прозрачная жидкость, которая может быть натуральной или вырабатываться синтетическим путем. Молочная кислота (пищевая добавка Е270) состоит из двух оптических изомеров. Один из них известен как L-(+)-молочная кислота, а другой, его зеркальное отражение, D-(-)-молочная кислота. Их смесь в равных количествах называется DL-молочная кислота.

В 1856 году Луи Пастер обнаружил лактобактерии и выяснил их роль в создании молочной кислоты. Эти бактерии способны также размножаться во рту. Кислота, которую они производят, приводит к заболеванию зубов, которое известно как кариес. В промышленности молочнокислое брожение осуществляется с помощью молочнокислых бактерий, которые превращают простые углеводы, такие как глюкоза, сахароза, галактоза, в молочную кислоту. Источниками углеводов являются кукуруза, свекла и тростниковый сахар. Молочная кислота также производится путем химического синтеза.

Пищевая добавка Е270 используется в качестве пищевого консерванта, регулятора кислотности и ароматизатора. Этот ингредиент в обработанных пищевых продуктах также используется при обработке мяса в качестве дезинфицирующего средства. Данное вещество также используется для повышения стабильности картофельных продуктов.

Естественная молочная кислота содержится преимущественно в кисломолочных продуктах, таких как кумыс, йогурт, кефир, некоторые сыры и чайный гриб. Казеин в кисломолочных продуктах сгущается с помощью молочной кислоты, которая также отвечает за кислый вкус закваски хлеба. Данное вещество содержится в таких продуктах, как конфеты, заправки для салатов, торты, печенье, готовое к употреблению мясо и птица, пиво, кислое молоко и йогурт, безалкогольные напитки, детские смеси, кондитерские изделия, маринованные продукты, консервированные фрукты и овощи. Молочная кислота также применяется в фармацевтике для производства водорастворимых лактатов из нерастворимых активных ингредиентов. Они применяются в средствах ухода за кожей и косметике для регулирования кислотности и обладают дезинфицирующими и кератолитическими свойствами.

 

16 Микроорганизмы, осуществляющие трансформацию органических веществ

Современная методология микробной трансформации позволяет использовать для осуществления того или иного химического превращения в принципе любой микроорганизм, имеющий соответствующие ферменты. Требования, предъявляемые к микробному штамму, пригодному для использования в исследовательской и производственной практике, сводятся к следующему:

1) микроорганизм должен развиваться на сравнительно простых средах;

2) активность фермента и ферментной системы, ответственных за трансформацию, должна быть достаточна высокой;

3) накопление продукта трансформации в среде должно быть достигнуто наиболее простыми методами;

4) перечисленные выше условия должны обеспечивать экономическую рентабельность процесса.

В соответствии с этими требованиями для микробной трансформации органических соединений используются обычно сапрофитные микроорганизмы, способные расти на обычных микробиологических средах и отличающиеся интенсивным обменом веществ. Набор микробов, применяемых в настоящее время в лабораторной и производственной практике для препаративного получения органических веществ методом микробной трансформации, очень широк. Он включает представителей грибов (аскомицеты, фикомицеты, базидиомицеты, несовершенные грибы), актиномицетов и родственных им организмов, многих других бактерий и даже микроформы водорослей.

Попытки многих исследователей установить видовую и родовую специфичность микроорганизмов, осуществляющих различные трансформации, не всегда приводили к успеху. Можно сказать с определенностью, что, например, для гидроксилирования алкильных заместителей ароматических соединений следует искать активные штаммы в группе rhodochrous рода Nocardia, для окисления оксигрупп полиолов — среди уксуснокислых бактерий, для изомеризации альдоз — среди стрептомицетов бурой группы, артробактеров, лактобацилл, бацилл и др. Однако в большинстве случаев приходится ориентироваться на более крупные таксоны и более широкий поиск, что усложняет задачу.

Таким образом, потенциальная способность осуществлять различные трансформационные процессы распространена весьма широко среди микроорганизмов, и далеко не всегда можно заранее указать узкую таксономическую группу, в которой следует искать штаммы, осуществляющие определенное превращение.

Существуют, однако, некоторые таксоны — роды и даже виды, способные проводить разнообразные превращения органических веществ с накоплением продуктов трансформации. Среди них заслуживают особого внимания G. oxydans, осуществляющий десятки различных окислительных превращений углеводов и родственных соединений, Aspergillus niger, который наряду с окислением углеводов используется также для их восстановления, гидролиза гликозидных связей и трансгликозидирования, Brevibacterium ammoniagenes, который синтезирует рибозиды и нуклеотиды из предшественников и аминирует органические кислоты. Очень часто упоминаются в литературе проводящие различные трансформации представители родов Arthrobacter, Corynebacterium, Mycobacterrium, Pseudomonas.

17 Хемосинтез и его характеристика

Процесс хемосинтеза в биологии представляет собой в некотором смысле уникальное явление, ведь это необычный тип питания бактерий, основанный на усвоении углекислого газа СО₂благодаря окислению неорганических соединений. Причем что интересно, по мнению ученых, хемосинтез это древнейший тип автотрофного питания (такого питания, когда организм сам синтезирует органические вещества из неорганических), который мог появиться даже раньше нежели фотосинтез.

Энергия хемосинтеза

Свою энергию бактерии хемосинтетики получают благодаря окислению водорода, марганца, железа, серы, аммиака и т. д. В зависимости от окисляемого субстрата упомянутые нами выше бактерии и получили свои названия: железобактерии, серобактерии, метанобразующие археи, нитрифицирующие бактерии, ну и так далее.

Реакции хемосинтеза

Теперь давайте более детально разберем существующие реакции хемосинтеза, все они отличаются в зависимости от бактерий-хемосинтетиков.

Железобактерии

К ним относятся нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы. Обитают они в пресных и морских водоемах. Благодаря реакции хемосинтеза образуют отложения железных руд путем окисления двухвалентного железа в трехвалентное.

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → Fe(OH)₃ + 4CO₂ + E (энергия)

Помимо энергии в этой реакции образуется углекислый газ. Также помимо бактерий окисляющих железо, есть бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Иное их название – тиобактерии, представляют собой весьма большую группу микроорганизмов. Как это следует из их названия, эти бактерии получают энергию путем окисления соединений с восстановленной серой.

2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + E

Полученная в результате реакции сера может, как накапливаться в самих бактериях, так и выделятся в окружающую среду в виде хлопьев.

Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии, обитающие в земле и воде, свою энергию получают за счет аммиака и азотистой кислоты, именно они играют очень важную роль в кругообороте азота.

2NH₃ + 3O₂ → HNO₂ + 2H₂O + E

Азотистая кислота, полученная при такой реакции, образует в земле соли и нитраты, способствующие ее плодородию.

18 Нитрификация и микроорганизмы ее осуществляющие.

Нитрификация — микробиологический процесс окисления аммиака до азотистой кислоты или её самой далее до азотной кислоты, что связано либо с получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо с защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении пероксидаводорода (гетеротрофная нитрификация).

Протекает в аэробных условиях в почве, а также природных водах.