Контрольні питання

1. Біологічне окислення сірководню в ґрунті та мікроорганізми, що викликають його.

2. Розподіл сіркобактерій на групи по їх фізіологічним властивостям.

Розділ 7 синтез мікроорганізмами білка і біологічно активних речовин

Синтез амінокислот і білка. Здатність мікроорганізмів утворювати різні цінні біотичні речовини, такі, як амінокислоти, вітаміни, антибіотики, ферменти, гормони, була відома давно.

В останні роки велику увагу привертають амінокислоти, необхідні для синтезу білка. Раніше їх отримували гідролізом продуктів, що містять білкові речовини, на що витрачалася величезна кількість цінної харчової сировини. Виробляють амінокислоти і за допомогою складного і дорогого хімічного синтезу. Однак при цьому часто виходять препарати, непридатні для багатьох біологічних об'єктів. В даний час розроблені мікробіологічні способи виробництва ряду амінокислот для кормових та харчових цілей. Мікробний синтез таких амінокислот, як глютамінова , лізин, валін, ізолейцин, являє собою важливу і швидко зростаючу область мікробіологічної промисловості.

Першою кислотою, отриманою мікробіологічним промисловим шляхом, була глутамінова. Японський вчений Кіносіта і його співробітники знайшли ауксотрофний (позбавлений деяких ростових речовин) мікроорганізм, що отримав назву Micrococcus glutamicum, який виділяв в живильне середовище глутамінової кислоти в кількості, що перевищує 50% використаної глюкози. Цим методом в Японії, США та інших країнах на спеціальних заводах виробляють цієї кислоти сотні тисяч тонн на рік. Одночасно іншими дослідниками описані способи виробництва глутамінової кислоти за допомогою інших видів мікробів: Bacillus meseпtericus, Вас. megatherium. Вас. subtilis, Bacteria coli, Bact. aerogenes, Pseudomonas fermentans та ін. Серед грибів, актиноміцетів та дріжджів також були знайдені форми, які синтезують глутамінову кислоту.

Глутамінова кислота займає провідне місце в обміні речовин, в побудові білків та інших біологічно активних компонентів клітини, тканин і органів. Вона широко використовується в харчовій промисловості як засіб, що поліпшує смакові якості їжі. У певних концентраціях глутамат натрію надає смак курячого м'яса нем'ясних продуктам. Глутамінову кислоту застосовують майже у всіх країнах світу для поліпшення смакових якостей різних страв (м'ясних, овочевих, круп'яних і т.д.). Вона широко використовується і в медицині.

Лізин - одна з найбільш важливих і дефіцитних амінокислот, які використовуються для побудови білків. Додавання 2,1 кг синтетичного лізину на 1 т корму збільшує прирости свиней в середньому на 13,6% і знижує витрати протеїну до 20-25%. Ця кислота слугує обов’язковим компонентом збалансованого раціону в годівлі тварин. Низька поживна цінність рослинних білків пояснюється головним чином недоліком лізину. Біологічна цінність, наприклад, пшениці, може бути значно підвищена додаванням лізину в харчові продукти або корми з неї.

За даними японських фахівців, найбільш активними продуцентами лізину серед не утворюючих спор бактерій є Bacteria aerogenes, Bact. Proteus, серед спороносних - Вас. subtilis і серед дріжджів Torula utilis. У лабораторії Кіносіта (Kinochitа та ін. 1958) були отримані численні варіанти від Micrococcus glutamicus при впливі на нього ультрафіолетового ­ випромінювання. Деякі варіанти цього мікроба за певних умов культивування виділяли по підвищеній кількість лізину, що дозволило використовувати їх у промисловості для виробництва цього препарату. В даний час ця амінокислота виробляється мікробіологічним шляхом в Японії, США і в інших країнах світу десятками тисяч тонн на рік.

У Всесоюзному науково-дослідному інституті генетики та селекції промислових мікроорганізмів селекційним шляхом отриманий такий мікроорганізм, який здатний синтезувати лізин в 400 разів інтенсивніше, ніж звичайний дикун (мікроорганізм, знайдений в природних умовах).

Дослідження показують, що серед мікроорганізмів є активні продуценти валіну, метіоніну, триптофану, аланіну та інших амінокислот, що являють собою великий теоретичний і практичний інтерес.

Провідна роль в життєвих проявах належить білкам. Однак проблема білкового харчування - одна з найбільш складних. Найширші можливості для виробництва протеїну відкриває вирощування найпростіших організмів на нехарчовій сировині.

Вирощування дріжджів для отримання білка було організовано в нашій країні ще в роки Великої Вітчизняної війни. Однак виробництво їх стримується високою вартістю (350 руб. за 1 т), так як на 1 кг сухої речовини дріжджів йде не менше 2,2 кг цукру, а на 1 кг протеїну - 3,7-3,8 кг цукру (І. С. Попов, 1964).

Для здешевлення мікробного білка і отримання його у великих кількостях давно привертали увагу такі дешеві й доступні джерела енергії, як нафта і різні відходи нафтопереробної промисловості. Пізніше з'ясувалося, що багато бактерій і дріжджів здатні жити і активно розмножуватися в нафті, використовуючи парафіни.

У нашій країні вже ведуться роботи по вирощуванню дріжджів на деяких продуктах нафти; отриманий при цьому білково-вітамінний концентрат (ВВК) містить 45-50% білка і 50-55% жирів, вуглеводів, мінеральних солей і вітамінів. Шкідливих домішок в препараті немає, неприємного запаху він не має. БВК використовується як корм.

Дріжджові гриби роду Candida в ферментаторі ємністю 300 м ³ здатні за добу накопичити до 1 т білка. Щоб зробити таку кількість протеїну, буде потрібно зайняти кормовими культурами не менше 3 тис. га і до того ж отримати білок гіршої якості. Капітальні витрати на виробництво 1 т дріжджового білка в мікробіологічній промисловості майже втричі менше, ніж у рослинництві. У Всесоюзному науково-дослідному інституті біосинтезу білкових речовин в даний час досліджуються питання використання мікробного білка в якості збагачуючих добавок до харчових продуктів.

Утворення вітамінів і ростових речовин. У перекладі з латинської Vita amine означає життєвий амін. Мікроорганізми потребують вітамінів. Мікроби, які синтезують самі необхідні вітаміни, називаються ауксотрофами. Мікроорганізми, які не можуть розвиватися, якщо в живильному середовищі відсутній той чи інший вітамін або кілька вітамінів, називаються ауксогетеротрофами.

Вітаміни підсилюють зростання мікробних культур, звідси і виникла назва «ростові речовини». Багато мікроорганізмів здатні утворювати у надлишку та виділяти в середовище вітаміни. На підставі цього мікробіологічний синтез зараз широко використовується в промисловому виробництві деяких вітамінів.

Останнім часом світове мікробіологічне виробництво вітаміну B₁₂ (ціанкобаламін) прийняло великі масштаби. Вітамін В₁₂ практично не зустрічається у вищих рослинах і є специфічним продуктом життєдіяльності мікроорганізмів. Цей вітамін - один з найбільш важливих чинників зростання. Крім того, його широко використовують в медицині при деяких захворюваннях (анемія, променева хвороба тощо).

Біосинтез вітаміну В₁₂ здійснюється спеціальними мікробами, до яких можуть бути віднесені актиноміцети Actinomyces olivaceus, Act. griseus, Act. aurefaciens, а також бактерії Bacillus megatherium, Lactobacterium casei і пропіоновокислі. Промислове значення мають культури Act. olivaceus та Propionob acierlum hermanii.

Вітамін В ₂ (рибофлавін) бере участь в окислювально-відновних реакціях. Відсутність його в їжі призводить до захворювань. Найбільш відомими продуцентами рибофлавіну є Eremothecium ashbii, Ashbia gosipii, Clostridium acetobutilicum, деякі штами Candida и Myxobacterium. Вітамін B₂ служить ростовою речовиною для молочнокислих і пропіоново-кислих бактерій, без нього вони погано розвиваються.

Мікроорганізми також синтезують вітаміни В₁ (біотин), В₆ (піридоксин), нікотинову кислоту (вітамін РР), параамінобензойну кислоту та ін.

Багато продуцентів біологічних речовин відомо і серед грибів. Так, тіамін виявлений в культурах Aspergillus niger, Penicillium glaucum, Fusarium, в культурах багатьох дріжджів: Torula utilis, Endomyces vernalis та ін. У багатьох грибів знайдений рибофлавін, біотин, пантотенова, нікотинова кислоти, вітамін С, вітамін К та інші речовини. Біологічні з’єднання також виявлені у мікоризних грибів і водоростей.

Посилює зростання рослин гетероауксин ( -індолілоцтова кислота). Вперше цей препарат був отриманий з культури гриба Rizopus. Він також виявлений в тканинах вищих рослин і культурах багатьох грибів.

Великий інтерес у дослідників викликали з'єднання високої фізіологічної активності - гіббереліни як стимулятори росту і розвитку рослин. Гіббереліни - продукти життєдіяльності фітопатогенного гриба Gibberella fufikuroi (конідіальна стадія Fusarium moniliforme). Вперше цей гриб описаний в Японії Курозавой як збудник захворювання рису. Характерна ознака цієї хвороби - надмірне подовження уражених рослин, а потім пожовтіння і відмирання.

В практиці рослинництва іноді потрібні речовини, що пригнічують розвиток рослин, наприклад для боротьби з бур'янами. Для цього застосовують спеціальні види мікроорганізмів, що виробляють гербіциди (лат. herba - трава, caedo - вбиваю), які затримують ріст рослин.

Антибіотики. Вивчення явищ антагонізму в життєдіяльності мікроорганізмів призвело до відкриття антибіотиків. Антибіотики (грец. anti - проти, bios - життя) - органічні сполуки, що утворюються мікробами і володіють здатністю в незначних концентраціях гальмувати ріст інших мікроорганізмів (бактеріостатична дія) або вбивати їх (бактерицидна дія). Деякі антибіотики можуть розчиняти мікробні клітини. За хімічною природою вони дуже різноманітні.

Характерна властивість всіх антибіотиків - їх виборча дію на мікроорганізми. Одні антибіотики активні по відношенню до певних видів грибів, інші - стосовно тих чи інших видів бактерій.

Механізм дії антибіотиків ще недостатньо вивчений. Узагальнюючи різноманітні висловлювання з цього питання, можна зробити висновок про те, що, адсорбуючись мікробною клітиною, вони порушують в ній обмін речовин, змінюють процеси дихання і засвоєння необхідних для життя матеріалів у зв'язку з пошкодженням ферментної системи. Порушується розмноження мікробів, припиняється клітинне ділення.

В природних умовах спостерігається пристосування мікроба до антибіотиків та утворення стійких форм. Резистентність мікроорганізмів до антибіотиків виникає зазвичай при тривалому контакті з невисокими дозами антибіотичних речовин. Процес утворення стійких форм мікроорганізмів ще не повністю розкритий. Ряд дослідників вважають, що стійкі до пеніциліну мікроби виробляють фермент пеніциліназу, що руйнує пеніцилін. Такого типу ферменти утворюються і проти інших антибіотиків.

Познайомимося з найбільш відомими антибіотиками.

Пеніцилін - антибактеріальна речовина, що виділяється цвілевими грибами роду Penicillium. Для отримання антибіотика гриб вирощують на спеціальних ­ рідких поживних середовищах при 20-24 ° С, де в міру його розмноження протягом 5-6 днів накопичується пеніцилін. Живильну рідину відфільтровують від гриба, піддають спеціальній обробці і хімічному очищенню. Вперше пеніцилін був виділений в 1928 г. англійським вченим А. Флемінгом. В СРСР він був отриманий 3. В. Єрмольєвою в 1942 р.

З групи антибіотиків, що отримується з актиноміцетів, найбільш ефективними є: стрептоміцин, який продукується Actinomyces globisporug streptomycin і має властивість пригнічувати ріст багатьох мікроорганізмів; біоміцин, одержуваний при вирощуванні культури Actinomyces aureofaciens, що пригнічує зростання багатьох грампозитивних і грамнегативних мікробів; терраміцин, продукується Actinomyces rymosus; хлорміцетин, виділяється Actinomyces venezuelleae.

До антибіотиків, які виділяються бактеріями, відносяться: граміцидин, бацитрацин,полі міксин, субтилін. Їх дія на багатьох хвороботворних мікробів слаб ша, ніж антибіотиків грибного і актиноміцетного походження. В даний час описано більше 1000 антибіотиків мікробного характеру. Деякі застосовують в медицині і ветеринарії для боротьби з інфекційними захворюваннями, а також в рослинництві.

В практиці є випадки вдалого використання антибіотиків для оздоровлення ґрунту, лікування рослин, вражених інфекційними захворюваннями, як стимуляторів росту. Вони ефективні в боротьбі з бактеріальною плямистістю помідорів і квасолі, мокрою гниллю картоплі, стеблової іржею злакових. Замочування насіння цукрових буряків в 3%-ном розчині стрептоміцину захищає коріння від загнивання. Антибіотик гризеофульвін в значній мірі пригнічує розвиток сірої гнилі на суниці, борошнистої роси на полуниці і огірках.

Одні антибіотики активізують ріст кореневої системи, інші впливають тільки на надземні частини, треті володіють загальною стимулюючою дією на рослини, збільшуючи приріст рослинної маси на 15 - 30% у порівнянні з контролем.

Способи обробки рослин розчинами антибіотиків різні: насіння обприскують або просочують розчином антибіотика перед посівом, розсаду погружають корінням в розчин, листя і стебла молодих саджанців змочують розчинами, а для дезінфекції ґрунту препарати вносять безпосередньо в нього.

Ферменти. До біологічно активних речовин відносяться ферменти (ензими), що виробляються живими клітинами. Надзвичайно багаті ферментами різні мікроорганізми. Деякі з них використовуються для промислового отримання ензимів. Ферменти мікробного походження застосовують більш ніж в 25 галузях промисловості. Наприклад, фермент амілаза широко використовують в спиртовому, дріжджовому і пивоварному виробництвах для оцукрювання заторів (зброджується рідина), в хлібопеченні з метою поліпшення якості хліба, а також у медицині, текстильній і паперовій промисловості. Найбільш активними продуцентами амілаз серед грибів є Aspergillus niger, Aspergillus orуzae, а серед бактерій Bacillus subtilis, Вас. diastaticus.

Протеолітичні ферменти (протеази) гідролізують білкові речовини. Для промислового отримання цих ферментів використовують активні штами Вас. subtilis. У великих кількостях їх виробляють і цвілеві гриби: Aspergillus flavum, Aspergillus wentii, Mucor delamar та ін. Протеази застосовують в пивоварінні, хлібопеченні, шкіряній промисловості для пом'якшення шкір, у текстильній - для видалення білкової шліхти. Протеолітичні ферменти мають велике значення і в медичній промисловості, в виробництві лікувальних препаратів і для діагностики збудників інфекційних захворювань. Широко використовуються в народному господарстві також пектолітичні, цитолітичні, окислювальні та інші ферменти мікробного походження.