16. Морфология, физиология и биохимия микроорганизмов

Морфология: строение бактериальной клетки, морфология бактерий. Систематика. Морфо­логия грибов: гифы грибов, грибница, плодовые тела, тонкое строение части. Гифы гриба, строе­ние органов бесполого размножения грибов. Систематика. Морфология дрожжей, тонкое строение дрожжевой клетки. Систематика.

Физиология: обмен веществ (конструктивный, энергетический). Химический состав микро­организмов. Ферменты микроорганизмов. Питание. Дыхание. Аэробы. Анаэробы.

Биохимия: Спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое брожение. Воз­будители. Условия. Химизм. Размножение пектиновых веществ, клетчатки, древесины. Возбуди­тели. Уксуснокислое, лимоннокислое брожение. Возбудители. Условия. Гниение. Возбудители. Условия.

Морфология микроорганизмов изучает форму и особенности строения клеток, способность двигаться, образовывать споры, способы размножения и др. Существуют 3 основных формы бактерий: шаровидная, палочковидная и извитая. Размеры бактерий ничтожно малы. Размеры и форма тела бактерий могут изменяться под влиянием различных факторов внешней среды. Бактерии представлены лишь одной клеткой, которая и является полностью самостоятельным организмом. Клетка снаружи покрыта жесткой клеточной пленкой, которая придает форму клетке, предохраняют ее от неблагоприятных внешних тепловых и механических воздействий, защищает клетку от проникновения в нее избытка воды. Она обладает свойством полупроницаемости - через нее питательные вещества проникают в клетку, а продукты жизнедеятельности выходят в окружающую среду.

Функция регулятора обмена веществ присуща всей оболочке, но в большей мере – цитоплазматической мембране. Нарушение ее целостности приводит к гибели клетки. Цитоплазма – прозрачная, полужидкая масса белков природы. Она сод воду до 70-80% от массы клетки, ферменты, аминокислоты, набор РНК, субстраты и продукты обмена веществ клетки. В цитоплазме располагаются остальные жизненно важные структуры клетки – нуклеоид, рибосомы, а также запасные вещества различной природы. Нити ДНК представляют собой ядерный аппарат прокариот. Это компактное образование, занимающее центральную область в цитоплазме, состоящей из двойной спирально закрученной нити ДНК. ДНК является носителем информации о наследственных свойствах клетки. Именно ядро ответственно за передачу всех признаков родительских организмов потомству. Рибосомы – небольшие гранулы, рассеянные в цитоплазме, состоящее из РНК и белка. Они играют очень важную физиологическую роль, поскольку в них осуществляется синтез клеточных белков из поступающих веществ. В молодых клетках наблюдается повышенное содержание рибосом. В клетках бактерий имеются включения запасных питательных веществ. Они накапливаются при избытке тех или иных питательных веществ в среде, а расходуются при голодании клетки. Способностью к движению обладает примерно 1/5 часть бактерий. Движение осуществляется с помощью жгутиков. Способность к движению позволяет бактериям переместиться в ту область среды, в которой условия для их роста и размножения наиболее оптимальны.

Систематика бактерий заключается в распределении их по отдельным группам, каждая из которых им свое название: класс – порядок – семейство – род – вид. Самой мелкой единицей классификации является вид – группа организмов, наделен общ стабильными признаками и происходящая от общего предка. Название бактерий дается на латинском языке и состоит из 2 слов. Первое слово обозначает род, к которому принадлежит данная бактерия, второе – название вида. Родовое название пишется с прописной буквы, видовое – со строчной, например Streptococcus lactis. Эта бактерия относится к шаровидным, образующим цепочки. Они вызывают скисание молока в результате сбраживания молочного сахара в молочную кислоту.

Морфология грибов. Плесневые грибы относятся к низшим растительным организмам и представлены в природе группу микроорганизмов. По строению клетки плесневые грибы не отличаются от клеток бактерий и дрожжей, но имеют одно или несколько ядер. Клетки имеют сильно вытянутую форму и поэтому напоминают нити – гифы. Они сильно ветвятся, образуя переплетающуюся массу – мицелий, или грибницу. Мицелий является телом плесневых грибов. Большая часть гиф развивается над поверхностью субстрата, на котором располагаются органы размножения, а часть – в толще субстрата. Гифы у большинства мицелиальных грибов многоклеточные, в их клетках имеются поперечные перегородки – септы. Мицелиальные грибы не имеют жгутиков и относятся к неподвижным организмам. Отличителной особенностью плесневых грибов является большое разнообразие у них способов и органов размножения. Они размножаются бесполым и половым путем. Вегетативное (бесполое) размножение происходит без образования каких-либо специализированных органов частями мицелия, образующимися в результате расчленения гиф на отдельные клетки, каждая из которых может развиваться в новый мицелий. Наиболее типично для грибов размножение посредством спор. Споры образуются бесполым и половым путем. При бесполом способе размножения споры чаще образуются на особых гифах, отличающихся от других гиф строением и положением мицелия. Подразделение грибов на классы основано на использовании следующих признаков, ведущими служат строение мицелия, типы полового и бесполого размножения. Все грибы, являющиеся распространен возбудителями порчи пищевых товаров и используемые в промышленности, делятся на 6 классов:

1.Хитридиомицеты – грибы, развивающиеся без образования или образующие слаборазвитый мицелий, а тело представляет голый протопласт. Размножаются преимущественно бесполым путем, образуя подвижные жгутиковые споры. Это наиболее примитивные грибы. Большинство представителей данного класса являются внутриклеточными паразитами низших и высших растений.

2 мицеты – имеют хорошо развитый несептированный многоядерный мицелий; размножение бесполое – с помощью спор. При половом процессе образ споры. Многие грибы этого класса вызывают заболевания растений.

3 Зигомицеты – имеют развитый одноклеточный мицелий. Размножение бесполое и половое. К этому классу относятся мукоровые грибы. Среди них многие являются возбудителями порчи различных пищевых продуктов при их хранении. Развиваются они на продуктах в виде пушистой белой или серой массы.

4 Аскомицеты – сумчатые грибы с ветвистым септированным мицелием. Размножение осуществляется конидиями, а при полов размножении – аскоспорами. Среди них много паразитов культурных растений, возбудителей порчи пищевых продуктов, но имеются и используемые в промышленности как продуценты биологически ценных веществ (ферментов, витаминов, антибиотиков). Грибы образующие плодовые тела, называют плодосумчатыми.

5 Базидиомицеты – имеют ветвистый септированный мицелий; размножение половое и бесполое. Они представлены в природе также большим числом разновидностей. К этому классу относятся все известные шляпочные грибы, трутовики, домовые грибы.

6 Дейтеромицеты – имеют многоклеточный мицелий. Половое размножение у них отсутствует, они размножаются бесполым путем. Наиболее распространенными и опасными возбудителями порчи продуктов являются следующие грибы: фузариум, ботритис, альтернария, оодиум, монилия, фосиа, кладоспориум.

Морфология дрожжей. Группа дрожжей объединяет одноклеточ грибные организмы, не имеющие настоящего мицелия. Они широко распространены в природе и очень часто встреч в почве, на плодах, особенно перезрелых, и листьях растений. Многие дрожжи применяют в ряде производств – хлебопечении, виноделии, производстве спирта, пивоварении, получении заквасок. По форме дрожжи могут быть овальными, яйцевидными, округлыми, серповидными, цилиндрическими, треугольными, стреловидными. Дрожжи являются неподвижными организмами. Дрожжи относятся к эукариотным организмам; строение их клетки сходно со строением клетки грибов. В каждой клетке имеется четко ограниченное от цитоплазмы ядро. Клеточные структуры дрожжей выполняют те же функции, что и у грибов. По своей природе следует различать две группы дрожжей:

1 Культурные – дрожжи, культивируем человеком для производственно-хозяйственных целей, обладающие высок бродильной способностью, придающие пищевым продуктам особый вкус и аромат.

2 Дикие – дрожжи, находящиеся в окружающей среде, вызывающие порчу пищевых продуктов за счет глубокого окисления сахаров и в придании продуктам несвойственных вкуса и запаха. Некоторые способны вызывать тяжелые заболевания человека, поражая слизистые покровы, центральную нервную систему.

Классифицируют дрожжи в зависимости от способа их вегетативного размножения, способности к спорообразованию и некоторым физиологических признаков. Обычно различают настоящие дрожжи и ложные дрожжи. Семейства дрожжей делятся на роды.

Физиология. Основу жизнедеятельности микроорганизмов составляет обмен веществ – это совокупность химических превращений веществ, которые протекают в клетке в тесном взаимодействии с окружающей средой. Обмен веществ у микроорганизмов слагается из процессов 2 типов: процессов конструктивного обмена (питание) и энергетического (дыхание). Процесс питания организма состоит из поступления и усвоения пищи. Поступившие извне вещества сначала расщепляются на более простые и из этих разнообразных низкомолекулярных соединений синтезируются сложные клеточные вещества, свойственные данному организму. Это так называемый строительный обмен, поскольку постоянно происходит обновление клеточной структуры организма. Этот процесс преобладает в период роста. Дыхание организма состоит из процессов расщепления и окисления органических веществ, которые сопровождаются освобождением энергии, необходимой для жизни и осуществления синтетических процессов. Этот процесс начинает преобладать у организмов к старости.

Химический состав. По составу веществ клетки микроорганизмов мало чем отличаются от клеток животных и растений. В них содержится 75-85% воды, остальные 15-25% составляет сухое вещество. Вода в клетке находится в свобод и в связаном состоянии. Связанная вода входит в состав коллоидов клетки и с трудом высвобождается из них. Свобод вода участвует в химических реакциях, служит растворителем для различных соединений, образующихся в клетке в процессе обмена веществ. Сухое вещество клетки состоит из органических и минеральных веществ.

Ферменты. Это вещества, способные каталитически влиять на скорость биохимических реакций. Они играют важную роль в жизнедеятельности микроорганизмов. Ферменты микроорганизмов обладают целым рядом свойств: Поскольку ферменты являются белками, то одним из важнейших условий, определяющих активность фермента, выступает температура. По мере возрастания ее до определенного предела увеличив скорость ферментативной реакции, но затем скорость падает, фермент перестает действовать. По химической природе ферменты бывают однокомпонентными, состоящими из белка, и двухкомпонентными, состоящие из белковой и небелковой частей, которая представлена витаминами. На активность фермента оказывает большое влияние рН среды, поскольку при различных значениях рН меняются его свойства. Ферменты обладают высокой активностью – ничтожное количества фермента обеспечивает значительную скорость реакций и вызывают превращение больших количеств субстрата. Каждый фермент обладает строгой специфичностью действия, т.е. способностью влиять только на определенные связи в сложных молекулах или лишь на определенные вещества.

Питание. Микроорганизмы не имеют специальных органов питания. Поступление питательных веществ из воды в клетку и выделение продуктов обмена во внешнюю среду происходит через всю поверхность клеток. Вещества питательной среды могут поступать в клетку только в растворенном состоянии и в растворенном же состоянии из нее выделяются продукты жизнедеятельности. Клеточная стенка проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана обладает полупроницаемостью.

Дыхание. Потребность в энергии обеспечивается процессами энергетического обмена, сущность которого заключается в окислении органических веществ, сопровождаемом выделением энергии. Получаемые при этом продукты окисления выделяются в окружающую среду. Окисление веществ может происходить разными путями: прямым, т.е. присоединением к веществу кислорода; непрямым, т.е. отнятием водорода. Путем переноса электронов от одного вещества к др. Вещество, теряющее электроны, окисляется, а присоединяющее их, - восстанавливается. Аэробы для получения энергии осуществляют окисление органического материала кислородом воздуха. К ним относятся грибы, некоторые дрожжи, многие бактерии и водоросли. Анаэробы – это микроорганизмы, способные к дыханию без использования свободного кислорода. Анаэробный процесс дыхания у микроорганизмов происходит за счет отнятия у субстрата водорода. Типичные анаэробные дыхательные процессы принято называть брожениями.

Биохимия. В завис от преимущественно накапливающихся при брожении веществ различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое брожение и др.

Спиртовое брожение. Основные возбудители спирт брожения – дрожжи. Они необходимы для получения этилового спирта, пива, вина, а также хлебопечения. Совместно с молочнокислым брожением оно используется для производства кваса, кефира, кумыса. В процессе спиртового брожения наряду с основным продуктом – эталоном образуются побочные продукты: глицерин, высшие спирты, сивушные масла, альдегиды, органические кислоты, эфиры, углекислый газ. Большинство из них также находит практическое использование. Дрожжи широко распространены в природе. Встречаются на фруктах, ягодах, винограде, в почве и в воздухе, особенно в летнее время. Принято различать культурные и дикие дрожжи. Чистые культуры дрожжей размножают в производственных лабораториях на оптимальных для их роста средах, пересевая во все возрастающие емкости. Уравнение спиртового брожения в общем виде выглядит следующим образом:

С6Н12О6 = 2СН3СН2ОН + 2СО2

Глюкоза этиловый спирт

Дикие дрожжи имеют более слабую бродильную способность и образуют вещества, придающие неприятный вкус и запах. Попадая в пищевые продукты, они могут наносить значительный урон ряду отраслей пищевой промышленности.

Молочнокислое брожение играет определяющую роль при производстве простокваши, кумыса, кефира, сметаны; при квашении капусты, огурцов. Очень важна его роль при изготовлении жидких дрожжей, заквасок, кваса. Важным техническим продуктом является сама молочная кислота, широко применяемая при производстве фруктовых соков, консервов в кондитерской, кожевенной, текстильной и других отраслях промышленности. Молочнокислые делят на две группы: 1.Гомоферментативные бактерии образуют в основном молочную кислоту и лишь ничтожные количества других продуктов. Этот тип молочнокислого брожения можно представить следующим общим уравнением: С6Н12О6 = 2СН3СНОНСООН

Глюкоза молочная кислота

2.Гетероферментативные – эти бактерии благодаря разнообразию имеющихся у них ферментов из сахара образуют кроме молочной кислоты и другие продукты брожения. 2С6Н12О6 = СН3СНОНСООН + СООНСН2СН2СООН + СН3СООН+СН3СН2ОН + СО2 + Н2

глюкоза молочная кислота янтарная кислота уксусная кислота этиловый спирт

Пропионовокислое брожение. Пропионовокислые бактерии давно уже использовали при изготовлении творожных сычужных сыров. Пропионовокислые бактерии из лактозы и лактоза синтезируют пропионовую, уксусную кислоту, и выделяют углекислоту, которые в значительной степени обусловливают рисунок сыра. Некоторые пропионовые бактерии способны продуцировать значительное количества витамина В12 и поэтому их вносят в закваску определенных сортов кефира. Такой кефир обогащается витамином В12. Это брожение лежит также в основе получения порошка яичного белка. Пропионовокислое брожение

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

глюкоза пропионовая кислота уксусная кислота

Маслянокислое брожение применяют для производства масляной кислоты – это бесцветная жидкость с неприятным резким запахом пота. Эфиры масляной кислоты отличаются приятным ароматом. Их используют как ароматические вещества в кондитерской и парфюмерной промышленности, а также при изготовлении фруктовых напитков. Единственным источником энергии для маслянокислых бактерий является процесс брожения.

С6Н12О6 = СН3СН2СООН + 2С2 + 2Н2

Глюкоза масляная кислота

Маслянокислые бактерии могут вызывать массовую гибель картофеля и овощей, вспучивание сыров, порчу консервов, прогоркание молока, увлажнение муки и других продуктов, чем наносят ущерб народному хозяйству. Они вызывают порчу квашеных овощей; образующаяся при этом масляная кислота придает продукту острый прогорклый вкус, резкий и неприятный запах. В производствах, основанных на жизнедеятельности дрожжей, маслянокислые бактерии являются вредителями, т.к. масляная кислота отравляет дрожжи. Борьба с ними затруднительна из-за высокой устойчивости спор.

Уксуснокислое брожение. Окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями протекает в две стадии – сначала образуется уксусный альдегид, который далее окисляется в уксусную кислоту:

2СН3СН2ОН + О2 = 2СН3СНО + 2Н2О

этилов спирт уксн альдегид

2СН3СНО + О2 = 2СН3СООН

уксусная кислота

Суммарное уравнение имеет вид:

С2Н5ОН + О2 = СН3СООН + Н2О

Самопроизвольное развитие уксуснокислых бактерий в продуктах приводит к их порче.

Лимоннокислое брожение. Для получения лимонной кислоты в плоских открытых сосудах сначала выращивают гриб – возбудитель брожения. На растворе через два дня образуется складчатая пленка гриба. Питательный раствор из-под нее сливают, нижнюю поверхность гриба промывают кипяченой водой и под пленку вводят чистый раствор сахара без питательных солей и азотистых веществ. В этих условиях начинается образовываться лимонная кислота. Процесс брожения заканчивается за 3-4 дня. Выход лимонной кислоты – 50-60% массы израсходованного сахара. Конечный результат брожения можно представить следующим уравнением:

2С6Н12О6 + 3О2 = 2С6Н7О7 + 4Н2О

глюкоза лимонная кислота

Лимонная кислота – является ценным пищевым продуктом и благодаря своим вкусовым качествам и физико-химическим свойствам широко применяется в ряде отраслей пищевой промышленности: кондитерской, винодельческой, безалкогольных напитков, консервной, пищеконцентратов. Она используется в фармацевтической промышленности, в т ч при переливании крови, а также для приготовления косметических средств.

Гниение. Это процесс разложения белков или белковоподобных веществ под действием протеолитических ферментов, выделяемых микроорганизмов в окружающую среду, в результате процесса гидролиза. Возбудителями гниения являются бактерии: аэробные гнилостные бактерии (сенная палочка, картофельная палочка), неспороносные аэробы, факультативные гнилостные бактерии (кишечная палочка), строгие гнилостные бактерии.