книги из ГПНТБ / Технология гидролизных производств учебник

емостью к условиям жизни и устойчивостью. Некоторые из них живут без кислорода, в горячих источниках, среди полярных льдов.

Микроорганизмы участвуют в разнообразных процессах превра­ щения и круговорота веществ в природе.

Жизнедеятельность микробов широко используется в промыш­ ленности для получения органических кислот, высших спиртов, ацетона, аминокислот, ферментов, витаминов, гормонов, стимуля­ торов роста, бактериальных удобрений. Микробы являются ис­ точником получения антибиотиков.

На использовании дрожжевых грибов основано производство кормовых и пекарских дрожжей, пищевого и технического спирта, винокурение, пивоварение, хлебопечение.

Многие из перечисленных продуктов в настоящее время могут быть получены только микробиологическим путем.

Микроорганизмы оказались удобными и ценными объектами для биохимических и особенно генетических исследований, так как у них необычайно быстро сменяются поколения, они интенсивно растут и образуют большие количества продуктов обмена.

Распространенность и разнообразная деятельность микроорга­ низмов связывают микробиологию с такими науками, как почво­ ведение, агрономия, геология, генетика, молекулярная биология, биохимия, биофизика, медицина, и с рядом технических наук.

Микробиология как наука возникла во второй половине XVII в. Впервые мельчайшие живые организмы наблюдал Афанасий Кирхер. Ранний период развития микробиологии характеризуется изучением и описанием многочисленных форм микроорганизмов. Многие из них открыл и описал голландский ученый А. Левенгук (1632— 1723).

При изучении микробов русский ученый М. М. Тереховский (1740— 1796) впервые применил экспериментальный метод иссле­ дования и тем самым создал основу для дальнейшего развития микробиологии и использования микроорганизмов в практической деятельности.

Во второй половине XIX в. работами крупного французского ученого Л. Пастера (1822— 1895) начинается период изучения деятельности микроорганизмов, их роли и значения в природе и тех­ нике. Исследователи изучают физиологические функции микроор­ ганизмов, происхождение, природу и биохимические процессы, связанные с их жизнедеятельностью. С именем Пастера связано возникновение технической микробиологии.

Работы немецкого ученого Р. Коха (1843— 1910), разработав­ шего методику получения чистых культур микроорганизмов, име­ ли большое значение для их систематики.

В развитии микробиологии и биохимии большую роль сыграли русские ученые. Научная деятельность основателя микробиологии в России Л. С. Ценковского (1822— 1877) была посвящена иссле­ дованию низших организмов. Большое значение для развития тех­ нической микробиологии имели труды С. П. Костычева, С. Н. Ви­ ноградского, В. Л. Омелянского, В. Н. Шапошникова и др.

160

В. Н. Шапошников организовал и усовершенствовал ряд бродиль­ ных производств в СССР: производство молочной, масляной, ук­ сусной кислот, ацетона и бутилового спирта.

На развитие микробиологии большое влияние оказали дости­ жения химии, физики, математики.

Биохимическое направление в развитии микробиологии сейчас достигло своего расцвета. В настоящее время микробиология ох­ ватывает все области жизни, играет важную роль в развитии мно­ гих отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, космонавтики. В связи с освоением космоса возникла космическая микробиология, изучающая вопросы биологической эффективности космической радиации, а также проблему жизни в космосе и на других планетах. На уровне микробиологии решаются проблемы синтеза белка, происхождения и развития жизни.

Характерная особенность современной технической микробиоло­ гии— широкое практическое применение различных микроорганиз­ мов, в результате чего возникают новые биохимические производ­ ства, новые отрасли промышленности.

На основании исследований отечественных ученых в 30-е годы нашего века в Советском Союзе начало развиваться производство этилового спирта и кормовых дрожжей из непищевого раститель­ ного сырья, в последние годы начали получать белково-витамин­ ный корм из углеводородов нефти.

Общая характеристика микроорганизмов

К микроорганизмам относят организмы, большинство из которых можно видеть под микроскопом. Объединение их в одну группу обусловливается близостью размеров, форм и строения, общностью методов культивирования и исследования, элементами генетиче­ ской связи и изменениями, происходящими в среде в результате их жизнедеятельности.

Основные группы микроорганизмов следующие:

1.Бактерии. Они представляют собой простейшие, в основном одноклеточные, организмы, размножающиеся делением.

2.Дрожжи. К ним относятся одноклеточные бесхлорофилловые грибы; для них необходимы безазотистые источники углеродистого питания (в основном сахара); они вызывают спиртовое брожение

иобразуют внутри клетки споры.

3.Дрожжеподобные грибы. Они подобны дрожжам, но не обра­ зуют споры; используются для выращивания кормовых дрожжей.

4.Плесневые, или мукоровые, грибы (мукор означает плесень). Тело этих грибов представляет собой сплетение тонких .нитей

(гиф), образующих грибницу — мицелий. От некоторых гифов ми­ целия поднимаются более толстые нити — спорангиеносцы, на ко­ торых находятся спорангии с образующимися в них спорами — ор­ ганами размножения. Большинство плесневых грибов — многокле­ точные организмы.

5. Актиномицеты (греч. mykes — гриб, actis — луч), или лучи­ стые грибки. Это одноклеточные микроорганизмы, имеют нитча­ тое ветвистое строение, относятся к переходным формам между бактериями и плесневыми грибами. Многие из них образуют ан­ тибиотики.

Размеры бактерий колеблются в пределах от десятых долей ми­ крона до нескольких микронов. Некоторые микроорганизмы мож­ но обнаружить только с помощью ультрамикроскопа или элек­ тронного микроскопа. К ультрамикроскопическим организмам от­ носятся бактериофаги и фильтрующиеся вирусы.

Размеры спиртообразующих дрожжей сахаромицетов состав­ ляют: длина 8— 12 мкм, ширина 4—6 мкм, шизосахаромицетов со­ ответственно 10—25 и 4—5 мкм. Длина дрожжеподобных грибов колеблется в пределах 7— 10 мкм, ширина — в пределах 3—8 мкм. Нити, образующие мицелий актиномицетов, имеют диаметр 0,4— 0,8 мкм и длину 12—25 мкм.

Бактерии по внешней форме делятся на шаровидные и палочко­ видные. Шаровидные встречаются в виде отдельных шариков, сце­ пленных попарно, образующих пакеты по восьми клеток (сарцины) или цепочку. Палочковидные бывают прямыми, изогнутыми, сцепленными по две или по нескольку.

Дрожжи имеют шаровую, палочковидную, овальную и ветви­ стую форму, дрожжеподобные грибы — овальную, вытянутую и ветвистую.

По форме актиномицеты представляют собой тонкие ветвящи­ еся нити, образующие мицелий. Некоторые актиномицеты похожи на длинные палочковидные бактерии, немного искривленные или имеющие боковые выросты (ветви).

На рис. 45 представлены формы микроорганизмов.

Строение микробной клетки. Установить строение микроорга­

низмов, тонкую структуру цитоплазмы возможно только применяя специальные методы, а именно: 1) окрашивание микробных кле­ ток специфическими красителями; 2) электронную и ультрамикро­ скопию; 3) оптические методы: а) флюоресцентную и фазовоконт­ растную микроскопию, дающую возможность получить контраст- ное-изображение структурных элементов живых микробных клеток; б) люминесцентную микроскопию, позволяющую различать мелкие структуры и состояние микробов по характерному свече­ нию, которое появляется под действием ультрафиолетового или си­ не-фиолетового света. С помощью люминесценции, например, наб­ людали свечение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), содер­ жащейся в микробных клетках. Для более глубокого изучения строения и жизнедеятельности микроорганизмов используют так­ же изотопы, хроматографию, спектроскопию и современные ме­ тоды генетики.

Дрожжевая клетка имеет сложное строение. На рис. 46 пред­ ставлена электронная микрофотография среза дрожжевой клет­ ки. Ее основные структурные элементы— цитоплазма и ядро. Клетка окружена наружной оболочкой, которая сохраняет форму

162

клетки, регулирует обменные процессы, поддерживает внутрикле­ точное осмотическое давление и защищает клетку от внешних воз­ действий. Оболочка молодых клеток очень тонка, с возрастом или в неблагоприятных условиях внешней среды она утолщается (0,5— 1,0 мкм).

К внутренней стороне клеточной оболочки прилегает тонкая ци­ топлазматическая мембрана, ограничивающая цитоплазму клетки;

Рис. 45. Формы микроорганизмов:

/ — бактерии: а — шаровидная; б — палочковидная; 2 — дрожжи: а — шаровая; б — палочко­

толщина ее 50—80 Â. Цитоплазматическая мембрана играет важ­ ную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой. Она обладает избирательной проницаемостью и регулирует по­ ступление веществ в клетку. Главная составная часть мембраны — липоидно-протеиновый комплекс.

Внутри цитоплазматической мембраны находится собственно ци­ топлазма с различными включениями.

В цитоплазме происходят все важнейшие жизненные процессы дрожжевой клетки. Цитоплазма обладает характерными свойст­ вами живой материи и способностью непрерывно обновлять свою внутреннюю структуру, превращая в нее питательные вещества

среды. Цитоплазма имеет слоистую, гранулярную или зернистую структуру.

В центральной части клетки находятся вакуоли. Они обычно ок­ руглой формы, отделены от цитоплазмы липопротеидной оболоч­ кой и заполнены клеточным соком, представляющим собой вод­ ный раствор различных солей — электролитов, от которых зависит физико-химическое состояние клетки. Вакуоли содержат так­ же тонкодиспергированные липоиды, углеводы и ферментные си-

стость обозначается яснее.

Важными структурными образованиями (гранулами) цитоплаз­ мы являются митохондрии и рибосомы.

Митохондрии ■— удлиненные или нитчатые частицы, окруженные полупроницаемой липопротеидной мембраной. Длина их около 15000 А, диаметр около 5000 А.

В митохондриях находятся многие ферменты, в частности дыха­ тельные, поэтому они играют важную роль в окислительно-восста­ новительных процессах клетки, в обмене жиров, углеводов и ами­ нокислот. Особенно велико значение митохондрий в энергетиче­ ском обмене живой клетки, так как в них осуществляются процессы дыхания и происходит синтез аденозинтрифосфорной ки­ слоты (АТФ), являющейся источником энергии, необходимой для поддержания жизни клетки.

Рибосомы дрожжей — ультрамикроскопические образования сферической формы, величина их 150—280 А. На рис. 47 показаны рибосомы дрожжей. В состав рибосом входит рибосомальная ри­

164

бонуклеиновая кислота (РНК), которая соединена с белками.

Врибосомах происходит синтез белка (см. стр. 243).

Вцитоплазме имеются также включения разнообразных запас­ ных веществ, как-то: волютина, гликогена, жира. Волютин пред­ ставляет собой комплекс, состоящий из полифосфатов, РНК, ли­ попротеида и магния. Волютина много в молодых, активно функ­

ционирующих клетках.

Гликоген представляет собой декстриноподобное вещество, со­ держание его в дрожжевых клетках достигает 30% от ее сухого вещества. Жир можно обнаружить в виде сильно преломляющих свет капелек или зернышек. В цитоплазме молодых клеток жир со­ держится в виде небольших частичек, а по мере старения клетки он собирается в крупные капли различной формы.

При усиленном размножении или недостатке питательных ве­ ществ в среде дрожжи используют запасные вещества, и их коли­ чество уменьшается или совсем исчезает.

Одним из основных структурных элементов дрожжевой клетки является ядро. Оно представляет собой круглый или овальный пу­ зырек, окруженный тонкой ядерной оболочкой. В ядре находятся наследственные структуры, благодаря которым свойства клетки пе­ редаются последующим поколениям. Такими структурами явля­ ются хромосомы, состоящие из нуклеопротеидов и имеющие вид нитевидных образований, в которых в линейном порядке располо­ жены гены — материальные единицы наследственности, или еди­ ницы наследственной информации. В настоящее время раскрыта химическая природа гена. Оказалось, что ген — это участок моле­ кулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), определяющий ка­ кой-либо признак или несколько признаков микроорганизма. Большим достижением мировой науки является недавно завершен­ ный полный синтез гена. В молекулярных структурах ДНК запи­ сан код генетической информации — код наследственности, т. е. наследственные свойства дрожжевых клеток. Посредством ДНК осуществляется передача наследственной информации в ряду по­ следующих генераций. Таким образом, ядро направляет и регули­ рует основные процессы в клетке: размножение, передачу наслед­ ственных признаков, обмен веществ.

Внутреннее строение клеток бактерий и актиномицетов в основ­ ном аналогично строению дрожжей. Цитоплазма их имеет грану­ лярное строение. Однако в отличие от дрожжевых клеток бакте­ рии и актиномицеты не имеют обособленного от цитоплазмы ядра. Образования, содержащие ДНК, называют ядерными элементами,, или нуклеоидами, которые были обнаружены при помощи элект­ ронного микроскопа. ДНК нуклеоидов не связана с белками, нити ее имеют толщину 25—30Â. Нуклеоиды не отграничены от цито­ плазмы оболочкой и имеют форму тяжей, сеточки, иногда сфери­ ческую, палочковидную или овальную.

Генетические исследования показали, что гены бактерий и акти­ номицетов организованы в линейные структуры, которые принято называть хромосомами. В каждом нуклеоиде обнаружена одна

16S

хромосома, отвечающая за передачу наследственных признаков. С помощью люминесцентно-микроскопического метода в клет­ ках актиномицетов были обнаружены структуры, подобные мито­ хондриям, так как они содержат окислительно-восстановительные ферментные системы. У бактерий митохондрии отсутствуют. Их роль играют различные мембранные образования. В отличие от дрожжей клетки бактерий и актиномицетов образуют вакуоли до­ вольно редко. Запасные вещества у них расположены в виде гра­

нул в цитоплазме.

Большая часть микроорганизмов бесцветна. Колонии дрожжей окрашены в кремовые, белые и серые тона. Дикие дрожжи бы­ вают окрашены в красный или черный цвет. Споры актиномице­ тов окрашены в красные, розовые, зеленоватые и черные тона.

Окраска у микроорганизмов свя­ зана с наличием пигментов, кото­ рые являются отбросными про­ дуктами обмена веществ клетки. Только пигменты некоторых бак­ терий участвуют в процессах фо­ тосинтеза.

Дрожжи и актиномицеты — не­ подвижные организмы. Некото­ рые бактерии обладают способ­ ностью двигаться благодаря на­ личию у них жгутиков, представ­ ляющих собой нитевидные обра­ зования цитоплазмы.

Размножение микроорганизмов.

Дрожжи размножаются почко­ ванием (сахаромицеты), делением (шизосахаромицеты), спорооб­ разованием и копуляцией. Процесс почкования происходит следу­ ющим образом (рис. 48, а). На оболочке материнской клетки об­ разуется бугорок, который постепенно увеличивается и превраща­ ется в почку. Почка растет, в месте соединения ее с материнской клеткой образуется перегородка. В зависимости от условий до­ черняя клетка может отделиться и существовать самостоятельно или оставаться вместе с материнской, особеннр при росте на твер­ дых средах. В последнем случае дрожжи образуют колонии — со­ вокупность клеток, прикрепленных друг к другу (рис. 48, б). Поч­ ки могут возникать в любом месте клетки по одной или по не­ скольку. Иногда дочерние клетки соединяются одна с другой в виде цепочек, что приводит к образованию ложного мицелия (псев­ домицелия) (рис. 48, в). Процесс почкования связан с глубокими изменениями во внутриклеточном строении дрожжей.

Деление палочковидных шизосахаромицетов начинается с обра­ зования делящей перегородки в середине клетки. Через некоторое время она распадается на две части, отделяя две новые клетки (рис. 48, г).

Для того чтобы из одной клетки образовалось две, требуется

166

определенное время, называемое периодом генерации. Если усло­ вия внешней среды благоприятные, то процесс размножения дрож­ жей может закончиться в течение 2 ч.

Перед началом размножения клеток происходит деление ядра и хромосом. Часть ядра, митохондрий и других структурных эле­ ментов цитоплазмы дрожжевой клетки переходит в дочернюю клетку. Процессы размножения и роста клеток связаны с усиле­ нием энергетических процессов в клетке, с синтезом белка и пре­ жде всего ферментов, катализирующих биосинтез составных ча­ стей цитоплазмы.

У дрожжей встречается половой процесс размножения — копу­ ляция. Копулировать могут вегетативные клетки и споры. Этот процесс состоит в следующем: находящиеся рядом две клетки об­ разуют отростки с перегородками, которые постепенно сближа­ ются. Затем отростки соединяются, перегородки растворяются, ци­ топлазма и ядра обеих клеток сливаются. Новая клетка находится некоторое время в покое, после чего в ней делится цитоплазма, ядро, и образуются новые вегетативные клетки или споры.

Отличительной особенностью дрожжей является их способность к спорообразованию. В неблагоприятных условиях, когда исчерпа­ ны питательные вещества в среде, накоплены продукты обмена, при доступе кислорода дрожжи образуют внутри клетки круглые или овальные тельца, называемые спорами (эндоспорами) или аскоспорами, так как клеточная оболочка является сумкой (ascus). Процесс спорообразования состоит в следующем: ядро клетки де­ лится на несколько частей, вокруг каждой из них собирается ци­ топлазма, которая затем уплотняется; вода переходит в связан­ ное состояние. Каждая часть покрывается плотной оболочкой, про­ питанной смолистыми и липоидными веществами, принимает опре­ деленную форму и превращается в спору. Число спор в одной дрожжевой клетке колеблется от одной до четырех, иногда до восьми. Величина их от 1 до 2 мк. Споры отличаются большой плотностью, высоким светопреломлением, невосприимчивостью к окрашиванию и исключительно низким уровнем обмена веществ клеток.

Споры более устойчивы к неблагоприятным условиям, чем ве­ гетативные клетки. Устойчивость спор к действию химических ве­ ществ, высоких и низких температур, радиации и действию анти­ септиков, их свойство десятками и тысячами лет сохраняться в жизнеспособном состоянии объясняются плохой проницаемостью наружной оболочки, высокой концентрацией Mg и Са, низким со­ держанием в них свободной воды, малой ферментативной актив­ ностью.

В благоприятных условиях внешней среды споры прорастают. Процесс прорастания состоит в том, что споры набухают, размер их увеличивается почти в 2 раза, происходит активизация фермен­

тов и вследствие этого — гидролиз наружной оболочки спор; че­ рез образовавшиеся отверстия выходят проростки, превращающи­ еся в дрожжевые клетки.

167

Таким образом, спорообразование у дрожжей является не толь­ ко защитой от неблагоприятных условий внешней среды, но и од­ ним из способов размножения. Дрожжеподобные грибы размно­ жаются почкованием, но спорообразование у них до сего времени не отмечалось.

Бактерии размножаются делением. В бактериальной клетке всегда образуется только одна спора. Поэтому спорообразование у бактерий можно рассматривать не как способ размножения, а только как способ сохранения вида.

Актиномицеты, образующие мицелий, размножаются спорами. Споры образуются на воздушных гифах, от которых легко отделя­ ются. Иногда происходит распад гиф мицелия на фрагменты—■ оидии, которые при благоприятных условиях дают начало новому мицелию. Немицелевидные актиномицеты размножаются делением.

2. ОТНОШЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ К РАЗЛИЧНЫМ ФАКТОРАМ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Жизнедеятельность микроорганизмов зависит от условий внеш­ ней среды, к которой они приспосабливаются. Факторы внешней среды, влияющие на развитие и природу микроорганизмов, делят­ ся на три основные группы: химические, физические и биологиче­ ские.

Х и м и ч е с к и е ф а к т о р ы . 1 . Реакция среды, или концентра­

ция водородных ионов, оказывающая большое влияние на поступ­ ление питательных веществ в микробную клетку. При изменении реакции среды меняется электрический заряд коллоидных веществ, входящих в состав клетки, а следовательно, и ее проницаемость для отдельных ионов. Реакция среды (pH) влияет также на ак­ тивность ферментов и на обмен веществ микроорганизмов. Наибо­ лее благоприятна для дрожжей слабокислая реакция, для боль­ шинства бактерий — нейтральная или слабощелочная. Таким об­ разом, изменяя pH среды, можно стимулировать или подавлять жизнедеятельность микроорганизмов, что имеет большое практи­ ческое значение.

2. Окислительно-восстановительные условия питательной среды, степень аэробности или анаэробности ее можно количественно охарактеризовать величиной окислительно-восстановительного по­ тенциала гН2 (гН2— отрицательный логарифм парциального дав­

ления газообразного водорода). Эта величина характеризует на­ сыщение среды кислородом или водородом. Окислительно-восста­ новительный потенциал становится минимальным при насыщении •среды водородом и максимальным при насыщении ее кислородом. В растворе, насыщенном кислородом, гН2 = 42, а в условиях насы­ щения водородом гН2 = 0. Изменяя гН2, т. е. степень аэробности

среды, мы можем задерживать или стимулировать размножение

иразвитие тех или иных микробов.

3.Химический состав среды. Большое значение имеют условия питания микроорганизмов углеродом, азотом и минеральными ве­

1 6 8

ществами. Важны также соединения, которые стимулируют их жизнедеятельность: витамины, дополнительные факторы роста. За­ висимость развития микроорганизмов от состава питательной сре­ ды будет рассмотрена ниже.

4. Ядовитые вещества. Отрицательное влияние их обусловлива­ ется тем, что они взаимодействуют с какими-либо важными компонентами микробной клетки, нарушают ее функции, и микро­ организм перестает развиваться или погибает. Соли тяжелых металлов (ртути, урана, свинца) дают с белковыми веществами цитоплазмы нерастворимые в воде альбуминаты или разрушают фер­ менты с сульфгидрильными (SH) группами. Хлорная известь, хлор вызывают окислительные процессы в цитоплазме клетки.

Спирты благодаря своей поверхностной активности легко прони­ кают в цитоплазму дрожжевой клетки, хорошо связывают воду, растворяют липиды, за счет чего происходит разрушение липопротеидных мембран и тем самым нарушается последовательность биохимических реакций, процессов регуляции. Кроме того, проник­ нув в клетку, спирты денатурируют белки.

Фенол, креозол, фурфурол •— антиокислители, они особенно уг­ нетают аэробные микроорганизмы.

Споры более выносливы по отношению к ядовитым веществам, чем вегетативные клетки.

5. Влияние воды. Жизнедеятельность микроорганизмов возмож­ на только при наличии в среде определенного количества влаги, так как многие питательные вещества проникают в клетку только в растворенном состоянии. Некоторые микроорганизмы остаются жизнеспособными и в высушенном состоянии, но жизнедеятель­ ность их приостанавливается.

6 . Концентрация питательных веществ в среде должна быть оп­

тимальной. Они должны содержаться в среде в количестве, доста­ точном для обеспечения максимального роста и развития микро­ бов. На большинство микроорганизмов концентрированные рас­ творы действуют отрицательно, так как они обладают довольно чувствительной осмотической системой. Однако в природе встреча­ ются микроорганизмы, приспособившиеся к перенесению высоких концентраций веществ. Они называются осмофильньши.

7. Продукты жизнедеятельности микроорганизмов. При незначи­ тельных количествах этих продуктов в среде развитие микробов задерживается, а затем прекращается совсем, хотя питательные вещества еще не использованы. Так, дрожжи могут накопить

всреде только 10—15% спирта.

Фи з и ч е с к и е фа к т о р ы . 1. Лучистая энергия. Она оказывает

различное химическое, физическое и биологическое действие. Уль­ трафиолетовые лучи действуют губительно на микроорганизмы, так как они вызывают фотохимические окислительные процессы в ци­ топлазме клетки. Незначительное облучение ультрафиолетовыми лучами действует на дрожжи благотворно. Прямой солнечный свет понижает энергию брожения. Инфракрасные лучи вредны тем, что вызывают нагревание. '

169