книги из ГПНТБ / Логинова Л.Г. Физиология экспериментально полученных термофильных дрожжей
.pdfАКАДЕМИЯ НАУК С С С 1
ИНСТИТУТ МИКРОБИОЛОГИИ АН СССР
Л. Г. ЛОГИНОВА
ФИЗИОЛОГИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО
ПОЛУЧЕННЫХ
ТЕРМОФИЛЬНЫХ
ДРОЖЖЕЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ НАУК СССР
МОСКВА 1960
Ответственный редактор
член-корреспондент АН СССР
А* А« ИМШЕНЕЦКИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Микроорганизмы, населяющие в неисчислимых количе ствах нашу планету, тесно связаны со средой обитания. В про цессе эволюционного развития у них выработалось свойство до вольно быстро приспосабливаться к измененным условиям суще ствования (к температуре, реакции среды, осмотическому давле нию, к ядам и т. д.). По сравнению с высшими организмами микробы легче приспосабливаются к новым условиям жизнц,
иэто дало возможность создавать новые расы микроорганиз мов в экспериментальных условиях.
Учение Ч. Дарвина, К. А. Тимирязева, И. В. Мичурина
идругих выдающихся естествоиспытателей имело значительное влияние на развитие микробиологии, так как оказалось, что основные биологические закономерности, установленные в мире
растений и животных, почти в равной степени приложимы и к микроорганизмам.
Довольно быстрая приспособляемость микроорганизмов к различным новым воздействиям как в природной обстановка,
так и в эксперименте была наглядно показана еще в прошлом
столетии в трудах основоположников микробиологии Дум
Пастера, Роберта Коха, И. И. Мечникова, С. Н. Виноград ского, Н. Ф. Гамалея.
По образному выражению В. Н. Шапошникова (1948,
стр. 7),микроорганизмы характеризуются «...не столь мелкими размерами или простотой устройства тела, сколько изменения ми, происходящими в результате их жизнедеятельности в суб страте, на котором они развиваются».
•3
Экологически обособленную группу в природе представ
ляют термофильные организмы. Температурные условия выз вали в процессе эволюции появление микробных форм, которые оказались способными развиваться при разных температурах, в том числе и при высокой (50—85°).
Видная роль в изучении биологии термофильных микро организмов и распространения их в природе принадлежит на шим русским ученым — А. А. Имшенецкому, Е. Н. Мишусти
ну, Б. Л. Исаченко, В. Н. Шапошникову и др. Их исследова
ния не ограничились только разработкой теоретической сторо ны проблемы термофилии, по и имели важное значение для прак тики.
Одной из главных отличительных особенностей термофилов является их ускоренный обмен. Возможность существования при высокой температуре обусловлена особыми свойствами их протоплазмы.
За последние годы, благодаря новейшим методам исследо вания, удалось накопить данные, частично вскрывающие ме
ханизм, при помощи которого клетка защищается от воздействия высокой температуры. В этом направлении особенно плодо творно развиваются исследования 1949—1957 гг. Милитцера,
Коффлера и их учеников.
Установлено, что наиболее существенные изменения под
воздействием высокой температуры претерпевает белковая
структура; с ней связаны основные жизненные процессы клетки.
Температурным фактором пользуются при получении экс
периментальным путем термофильных вариантов микроор
ганизмов.
За последнее время как у нас, так и за рубежом значительно возрос интерес к использованию термофильных микроорганиз мов в хозяйственной практике. Они начинают находить при менение, в частности, в таких производствах, как получение спирта, каучука, сыра, хлеба и других продуктов.
Однако число исследований по экспериментальному полу
чению термофилов все же невелико. Особенно |
это относится |
к дрожжевым организмам. Они, по-видимому, |
встречаются |
в природных условиях довольно редко, и, кроме того, их тем пературный максимум (45—53°) лежит значительно ниже по
4
сравнению с другими термофильными микроорганизмами, спо собными развиваться при температуре 75—85°.
Группа термофильных микроорганизмов довольно хорошо
изучена и по данному вопросу имеется обширная литература.
Известны обзорные статьи и монографии: Моррисона и Таннера
(Morrison a. Tanner, 1922), Крона (Krohn, 1923), Робертсона
(Robertson, 1927), Имшенецкого (1944), Гаугрена (Gaughran,
1947а), Мишустина (1950), Аллен (Allen, 1953), Клегга и Джей кобса (Clegg a. Jacobs,1953), Прехта,Христоферсена и Генселя
(Precht, Christophersen u. Hensel, 1955) и др.
Впубликуемой нами монографии приведены главным об разом последние литературные данные по термофильным мик роорганизмам, а также собственные экспериментальные иссле дования.
Внаши задачи входило экспериментальное получение тер мофильных вариантов дрожжей путем последовательного и
постепенного приучения мезофильных форм к повышенной тем пературе.
Были изучены морфология и физиология новых форм дрож
жей, культивируемых при разных температурах и на различ ных по составу питательных средах, а также уточнены усло вия ускоренного получения этих термофильных вариантов.
При постановке данной работы нас особенно интересовала физиология брожения: обладают термофильные дрожжи толь ко способностью сбраживать углеводы при более высоких температурах или брожение при этом протекает скорее, чем
обычно? Сопровождается ли процесс приобретения резистент ности к высокой температуре также усилением бродильной активности культуры? С какой скоростью происходит при
способление к повышенной температуре различных функций у дрожжей? Являются ли устойчивыми вновь приобретенные
культурой свойства или эти свойства быстро исчезают? Какова предельная температура, при которой жизнедеятельность адап
тированных форм дрожжей может осуществляться? К какой группе термофилов они могут принадлежать?
Эти исследования дали возможность разработать методику, которая позволяет закономерно и в сравнительно короткие сроки получать термофильные формы дрожжей.
5
Данная работа проводилась в тот период, когда литература по экспериментальному получению термофильных бактерий и низших организмов вообще была довольно ограниченна и со вершенно отсутствовали данные в отношении дрожжей. По этому настоящий труд представляет по существу первую по пытку в этом направлении.
Экспериментальная часть объединяет собственные много
летние исследования по адаптации дрожжей Saccharomyces сеrevisiae XII расы к повышенной температуре. Эта культура широко используется в наиболее развитой отрасли бродильной
промышленности — в производстве спирта,— и поэтому тер мофильные варианты представляют определенный интерес для
практики.
При изложении материала мы употребляем термин «термо фильные» микроорганизмы в широком значении этого слова,
имея в виду любые микроорганизмы, которые могут расти при высокой температуре.
Работа выполнялась в Институте микробиологии АН СССР,
в Отделе наследственности и изменчивости микроорганизмов, руководимом членом-корреспондентом АН СССР А. А. Имше-
нецким.
За помощь и ценные указания при выполнении данной ра боты автор приносит А. А. Имшенецкому свою глубокую бла годарность.
I
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Многообразие существующих форм термофильных микро
организмов и их различное отношение к высокой температуре заставили приступить к их систематизации и классификации. Предложено несколько таких схем разделения термофилов на отдельные группы. Эти схемы изложены в монографиях Им шенецкого (1944), Гаугрена (1947а), Мишустина (1950) и др. Большинством принята классификация Имшенецкого, по ко торой термофильные микроорганизмы распределены на три группы: стенотермных термофилов, эвритермных термофилов и термотолерантных микроорганизмов.
Первая группа (стенотермные термофилы) характеризуется
минимальными температурными пределами |
развития 28—30° |
и оптимальными 50—65°. Температурный |
максимум лежит |
в пределах 75—80°.
Вторая группа (эвритермные термофилы) имеет темпера турный минимум развития 18—20°, оптимальный 50—65°, максимальный —75°.
Третья группа (термотолерантные микроорганизмы) раз вивается при минимальной температуре 5—10°. Температур ный оптимум их развития находится в пределах 35—40°, а максимум — в пределах 60—70°. Эти виды, в отличие от тер мофилов первой и второй групп, могут размножаться с одина ковой скоростью при 30 и 60°. Две последние группы более широко распространены в природе. Так, например, при об следовании С. 3. Броцкой (19466) свыше 400 образцов воды,
взятой из различных источников, только 19 из 120 чистых куль
тур бактерий, выделенных на мясо-пептонном агаре при 55— 60°, оказались термофильными. Все остальные хорошо размно жались также при 30°.
Отмечая определенные положительные стороны в система тизации термофильных микроорганизмов, многие исследова тели (Кожинек и др.) отмечают все же известную условность
7
существующих схем. В пользу этого говорят приводимые при меры. Кожинеку (Kozinek, 1953) удалось выделить культуру
Agrobacterium radiobacter (Achromobacter), легко переносившую
высокую температуру, но не способную при этой температуре развиваться. Аналогичные данные получены В.Брауном и Ву
дом (W. Brown a.Wood, 1953).Они нашли на плодовых деревьях
гриб Byssochlamys julva, аскоспоры которого выдерживали нагревание до 90—100°, но мицелий его развивался при обычной
температуре. |
Кожинека, такие формы следует выделить |
По мнению |
|
в особую группу, |
хотя они и близки к термотолерантным орга |
низмам. |
|
Касаясь вопроса о температурных границах развития тер |
мофилов, Гаугрен (1947а) высказал предположение, что их максимум не превышает 38°, так как при температуре выше 38° термофилы требуют дополнительное количество кисло рода, углекислоты и добавочных питательных веществ.
С мнением Гаугрена трудно, однако, согласиться, так как способность нормально развиваться при повышенных темпера турах и отличает эти организмы от мезофильных форм. Кроме того, известны термофилы, которые не способны развиваться
при температуре более низкой, чем 50—60°. Это наглядно было
показано в работах А. А. Егоровой (1938), А. А. Имшенецкого и Л. И. Солнцевой (1945а), С. 3. Броцкой (1945), Гаугрена
(1947а) и др.
Некоторые, как, например, Блек и Таннер (Black a. Tanner, 1928), Гансен (Hansen, 1933), все же считают, что многие истин
ные термофилы могут расти и при более низких температурах,
но значительно медленнее, чем при высоких, если создать осо
бые условия среды, благоприятные для их роста.
В этой связи заслуживают большого внимания исследова
ния Кемпбелла, Кемпбелла и Вильямса (Campbell, 1954а; Cam pbell a. Williams, 1953а).Ими была выделена культура Bacillus stearothermophilus, которая хорошо развивалась на специ
альной синтетической среде при температуре 45—55° и не росла при 36°. Однако при добавлении 0,3% базамина (дрожжевого автолизата фирмы Anheuser-Busch) удалось получить рост бак терий и при 36° (Campbell a. Williams, 1953а).
По мнению Кемпбелла, в среде должны содержаться неко торые вещества, которые организм не способен синтезировать
при температуре 36°. Данная культура, как им было показано,
способна синтезировать эти вещества только при 45—50°.
По мнению Экфорда (Eckford, 1927), одной из причин мед ленного роста термофилов при пониженных температурах яв ляется утрата способности образовывать некоторые фермент ные системы, характерные для мезофильных микробов.
8