Дыхание и брожение микроорганизмов

ДЫХАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Питательные вещества, поступившие в микробную клетку, претерпевают в ней сложные превращения.

На эти превращения затрачивается определенное количество энергии. Энергия расходуется также для обеспечения роста и размножения микроба. Необходимую для этих целей энергию микробная клетка получает в процессе дыхания. Сущность такого процесса заключается в том, что сложныеорганические вещества окисляются до более простых с выделением энергии.

Для окисления органических веществ с целью получения энергии одни микроорганизмы используют кислород воздуха, другие способны обходиться при этом без кислорода, а для третьих кислород воздуха является даже вредным. Следовательно, по отношению к кислороду воздуха микроорганизмы можно подразделить на аэробные - это те микроорганизмы, которые нуждаются в кислороде воздуха, и анаэробные микроорганизмы, которым кислород воздуха не нужен.

Среди анаэробных микробов встречаются строгие, или безусловные, анаэробы, на них кислород воздуха действует губительно, и факультативные, или условные, анаэробы, способные существовать как в присутствии кислорода, так и без него.

К числу аэробных микроорганизмов относятся грибы и многие бактерии, например, уксуснокислые.

Аэробные микроорганизмы в процессе дыхания окисляют органические вещества обычно полностью до образования в качестве конечных продуктов углекислого газа и воды. Полное окисление сопровождается выделением всей энергии, содержащейся в окисляемом продукте. Такое окисление, например, сахара, может быть выражено следующим уравнением:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 674 ккал.

При неполном окислении органических веществ выделяется меньше энергии. Невыделившаяся часть энергии остается в таком случае в продуктах неполного окисления. Так, окисление этилового спирта уксуснокислыми бактериями может идти до стадии образования уксусной кислоты и воды с неполным выделением энергии:

С2Н5ОН + О2 = СН3СООН + Н2О + 116 ккал,

в то время как в случае полного окисления реакция идет по схеме:

С2Н5ОН + 3О2 = 2СО2 + 3Н2О + 326 ккал

При этом выделяется вся содержащаяся в этиловом спирте энергия.

Аэробные автотрофные микроорганизмы необходимую им энергию получают за счет окисления неорганических веществ.

Анаэробные микроорганизмы характеризуются бескислородным дыханием, которое называется брожением. При бескислородном дыхании окисление веществ всегда протекает неполно.

Примером бескислородного дыхания является спиртовое брожение, вызываемое дрожжами в анаэробных условиях. Это брожение протекает по схеме:

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2  + 27 ккал

В результате спиртового брожения сахар превращается в этиловый спирт и углекислый газ с выделением 27 ккал энергии. Как видно, окисление сахара происходит неполно, так как один изконечных продуктов - этиловый спирт - обладает значительным запасом энергии (326 ккал), которая в анаэробных условиях оказалась невыделенной.

Некоторые микроорганизмы в анаэробных условиях способны окислять органические вещества благодаря использованию кислорода, входящего в состав других соединений. Подобной способностью обладают, например, денитрифицирующие бактерии, использующие кислород, содержащийся в нитратах.

Выделяющаяся в результате окислительных процессов энергия используется микроорганизмами на жизненные процессы лишь в незначительной части (меньше четверти). Большая часть ее теряется, выделяясь в окружающую среду в виде тепла. За счет этого тепла происходит нагревание, например субстрата при спиртовом брожении, в результате чего его температура становится на 2-3°С выше температуры окружающего воздуха.

Под влиянием микроорганизмов в условиях повышенной влажности нередко происходит самосогревание навоза, сена, зерна и др. Иногда оно приводит к самовозгоранию навоза и сена, так как при достижении температуры в 60-80°С в них начинают протекать чисто химические окислительные процессы, вызывающие воспламенение этих предметов.

БРОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Жизнь микробов возможна и без доступа кислорода воздуха. Энергия, необходимая для жизнедеятельности организма, в этих условиях образуется в результате процессов брожения. Наиболее распространены виды брожений, в процессе которых происходит распад органических веществ (преимущественно Сахаров) под влиянием микроорганизмов, представляющий совокупность окислительно-восстановительных реакций. Брожения никогда не приводят к полному окислению органических веществ. Многие характерные формы брожения протекают без участия кислорода воздуха — анаэробно.  
 
Поскольку свободный кислород, имеющийся на нашей планете, образовался в результате фотосинтеза, возникшего на более поздних этапах развития жизни на Земле, совершенно очевидно, что анаэробный способ извлечения энергии — брожение — более древний, чем процесс дыхания.  
 
Брожение известно людям с незапамятных времен. Тысячелетиями человек пользовался спиртовым брожением при изготовлении вина. Еще раньше было известно о молочнокислом брожении. Люди употребляли в пищу молочные продукты, готовили сыры. При этом они не подозревали, что эти процессы происходят с помощью микроорганизмов. Термин «брожение» был введен голландским алхимиком Ван Хельмонтом в XVII в. для процессов, идущих с выделением газов (fermentatio — кипение). Затем в XIX в. основоположник современной микробиологии Луи Пастер показал, что брожение является результатом жизнедеятельности микробов, и установил, что различные брожения вызываются разными микроорганизмами.  
 
Спиртовое брожение.

Спиртовое брожение — это процесс окисления углеводов, в результате которого образуются этиловый спирт, углекислота и выделяется энергия.  
 
Сбраживание cахаров известно с глубокой древности. В течение столетий пивовары и виноделы использовали способность некоторых дрожжей вызывать спиртовое брожение, в результате которого сахара превращаются в спирт.  
 
Брожение производят главным образом дрожжи, а также некоторые бактерии и грибы. В различных странах для получения спирта используют различные микроорганизмы. Например, в Европе используют в основном дрожжи из рода Saccharomyces, в Южной Америке — бактерии Pseudomonas lindneri, в Азии — мукоровые грибы.  
 
Сбраживаться могут лишь углеводы, и притом весьма избирательно. Дрожжи сбраживают только некоторые 6-углеродные сахара (глюкозу, фруктозу, маннозу).  
 
Схематично спиртовое брожение может быть изображено уравнением  
 
С6Н12О6 -> 2С2Н5ОН + 2С02 + 23,5 • 104 дж  
 
глюкоза этиловый спирт углекислота энергия  
 
Процесс спиртового брожения — многоступенчатый, состоящий из цепи химических реакций. Превращения глюкозы до образования пи-ровиноградной кислоты происходят так же, как и при дыхании. Эти реакции происходят без участия кислорода (анаэробно). Далее пути дыхания и брожения расходятся.  
 
При спиртовом брожении пировиноградная кислота превращается в конечном итоге в спирт и углекислоту. Эти реакции протекают в две стадии. Сначала от пирувата отщепляется С02 и образуется уксусный альдегид; затем уксусный альдегид присоединяет водород, восстанавливаясь в этиловый спирт. Все реакции катализируются ферментами. В восстановлении альдегида участвует НАД-H2.  
 
Обычно при спиртовом брожении, кроме главных продуктов, образуются побочные. Они довольно разнообразны, но присутствуют в небольшом количестве: амиловый, бутиловый и другие спирты, смесь которых называется сивушным маслом — соединение, от которого зависит специфический аромат вина. Образование побочных веществ связано с тем, что превращение глюкозы частично идет другими путями.  
 
Биологический смысл спиртового брожения заключается в том, что образуется определенное количество энергии, которая запасается в форме АТФ, а затем расходуется на все жизненно необходимые процессы клетки.

Молочнокислое брожение.  
 
При молочнокислом брожении конечным продуктом является молочная кислота.  
 
С этим брожением люди знакомы издавна. Сквашивание молока, приготовление простокваши, кефира, квашение овощей — результаты молочнокислого сбраживания сахара молока или углеводов растений. Этот вид брожения осуществляется с помощью молочнокислых бактерий, которые подразделяются на две большие группы (в зависимости от характера брожения): гомоферментативные, образующие из сахара только молочную кислоту, и гетероферментативные, образующие, кроме молочной кислоты, спирт, уксусную кислоту, углекислый газ.  
 
Гомоферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacillus и стрептококки. Они могут сбраживать различные сахара с 6-ю (гексозы) или 5-ю (пентозы) углеродными атомами, некоторые кислоты. Однако круг сбраживаемых ими продуктов ограничен.  
 
У молочнокислых бактерий нет ферментативного аппарата для использования кислорода воздуха. Кислород для них или безразличен, или угнетает развитие.  
 
Молочнокислое брожение может быть описано уравнением  
 
С6Н12О6 -> 2СН3*CНОН*СООН+21,8-104 дж  
 
глюкоза молочная кислота энергия  
 
Процесс образования молочной кислоты чрезвычайно близок к процессу спиртового брожения. Глюкоза также расщепляется до пирови-ноградной кислоты. Но затем ее декарбоксили-рование (отщепление С02), как при спиртовом брожении, не происходит, так как молочнокислые бактерии лишены соответствующих ферментов. У них активны дегидрогеназы (НАД). Поэтому пировиноградная кислота сама (а не уксусный альдегид, как при спиртовом брожении) принимает водород от восстановленной формы НАД и превращается в молочную кислоту. В процессе молочнокислого брожения бактерии получают энергию, необходимую им для развития в анаэробных условиях, где использование других источников энергии затруднено.  
 
Гетероферментативное молочнокислое брожение — процесс более сложный, чем гомоферментативное: сбраживание углеводов приводит к образованию ряда соединений, накапливающихся в зависимости от условий процесса брожения. Одни бактерии образуют, помимо молочной кислоты, этиловый спирт и углекислоту, другие — уксусную кислоту; некоторые гетероферментативные молочнокислые бактерии могут образовывать различные спирты, глицерин, маннит.  
 
Гетероферментативное молочнокислое брожение вызывают бактерии рода Lactobacterium и рода Streptococcus. Химизм этих брожений изучен не так хорошо, как спиртового или гомо-ферментативного молочнокислого брожения.  
 
Гетероферментативные бактерии образуют молочную кислоту иным путем. Последняя стадия — восстановление пировиноградной кислоты до молочной — та же самая, что и в случае гомоферментативного брожения. Но сама пировиноградная кислота образуется при ином расщеплении глюкозы — гексозомонофосфат-ном. Выход энергии гораздо меньше, чем при спиртовом брожении.  
 
Гетероферментативные бактерии сбраживают ограниченное число веществ: некоторые гексозы (причем определенного строения), пентозы, сахароспирты и кислоты.  
 
Молочнокислое брожение широко используется при выработке молочных продуктов: простокваши, ацидофилина, творога, сметаны. При производстве кефира, кумыса наряду с молочнокислым брожением, вызываемым бактериями, имеет место и спиртовое брожение, вызываемое дрожжами. Молочнокислое брожение происходит на первом этапе изготовления сыра, затем молочнокислые бактерии сменяются пропионовокислыми.  
 
Молочнокислые бактерии нашли широкое применение при консервировании плодов и овощей, в силосовании кормов. Чистое молочнокислое брожение применяется для получения молочной кислоты в промышленных масштабах.  
 
Молочная кислота находит широкое применение в производстве кож, красильном деле, при выработке стиральных порошков, изготовлении пластмасс, в фармацевтической промышленности и во многих других отраслях. Молочная кислота также нужна в кондитерской промышленности и для приготовления безалкогольных напитков.

Маслянокислое брожение.  
 
Превращение углеводов с образованием масляной кислоты было известно давно. Природа маслянокислого брожения как результат жизнедеятельности микроорганизмов была установлена Луи Пасте-ром в 60-х годах прошлого века.  
 
Возбудителями брожения являются масля-нокислые бактерии, получающие энергию для жизнедеятельности путем сбраживания углеводов. Они могут сбраживать разнообразные вещества — углеводы, спирты и кислоты, способны разлагать и сбраживать даже высокомолекулярные углеводы — крахмал, гликоген, декстрины.  
 
Маслянокислое брожение в общем виде описывается уравнением  
 
C6H12О6 -> СН3*CН2*СООН+2С02+2Н2  
 
глюкоза масляная кислота  
 
При этом брожении накапливаются различные побочные продукты. Наряду с масляной кислотой, углекислым газом и водородом образуются этиловый спирт, молочная и уксусная кислоты.  
 
Некоторые маслянокислые бактерии, кроме того, образуют ацетон, бутанол и изопропи-ловый спирт.  
 
Брожение начинается с процесса фосфорили-рования глюкозы и далее идет по гликолитиче-скому пути до стадии образования пировиноградной кислоты. Затем образуется уксусная кислота, которая активируется ферментом. После чего при конденсации (соединении) из двуугле-родного соединения получается четырехугле-родная масляная кислота. Таким образом, при маслянокислом брожении происходит не только разложение веществ, но и синтез.  
 
По данным В. Н. Шапошникова, в маслянокислом брожении различаются две фазы. В первой параллельно с увеличением биомассы накапливается уксусная кислота, а масляная кислота образуется преимущественно во второй фазе, когда синтез веществ тела замедляется.  
 
Маслянокислое брожение происходит в природных условиях в гигантских масштабах: на дне болот, в заболоченных почвах, илах и всех тех местах, куда ограничен доступ кислорода. Благодаря деятельности маслянокис-лых бактерий разлагаются огромные количества органического вещества.  
 
Спиртовое, гомоферментативное молочнокислое и маслянокислое брожения являются основными типами брожений. Все другие виды брожений представляют собой комбинацию этих трех типов. Так, например, пропионовокислое брожение, играющее важную роль при производстве сыров и сопровождающееся накоплением пропионовой и уксусной кислот и углекислого газа, мо.жет рассматриваться как комбинация гомоферментативного молочнокислого и спиртового брожений. Брожения клетчатки и пектиновых веществ являются разновидностями маслянокислого брожения.  
 
Итак, три основных типа брожения органически связаны между собой — начальные пути разложения углеводов у них одинаковы.  
 
Процессы дыхания и брожения являются основными источниками энергии, необходимой микроорганизмам для нормальной жизнедеятельности, осуществления процессов синтеза важнейших органических соединений.