Контрольная работа по "Микробиологии"

1.Опишите автотрофный  тип питания микроорганизмов. Укажите источники азота и углерода для автотрофов. Приведите примеры.

Организмы, которые способны синтезировать органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, из неорганических соединений, принято называть автотрофами.

Автотрофные организмы образуют так называемую первичную продукцию - биомассу органического вещества, которая в дальнейшем утилизируется другими организмами. К автотрофам относятся некоторые бактерии и все без исключения виды зеленых растений. Автотрофные организмы способны усваивать углекислый газ из воздуха и превращать его в сложные органические соединения. Таким образом автотрофы строят свое «тело» из неорганических соединений. Каскад биохимических реакций, конечным продуктом которых являются белки и другие органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, требует значительных затрат энергии. По способу получения энергии автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. Фотоавтотрофные бактерии используют энергию солнечных лучей при синтезе органических веществ из двуокиси углерода по типу фотосинтеза у растений. Важным компонентом уитоплазмы таких микробов являются пигменты: бактериопурпурин, бактериохлорин и др. Основная функция пигментов - поглощение и аккумуляция энергии солнечного света. Наиболее типичными представителями группы фотоавтотрофов являются цианобактерии, пурпурные и зеленые серные бактерии.

Явление хемосинтеза у бактерий было открыто в 1888 г. выдающимся русским  микробиологом С. Н. Виноградским (1856-1953), показавшим, что в клетках нитрофицирующих бактерий одновременно могут протекать процессы окисления аммиака в азотную кислоту и двуокиси углерода в различные органические соединения. Такие микроорганизмы стали называть хемоавтотрофами, т. е. получающими энергию в результате химических реакций. Хемоавтотрофы способны существовать только в присутствии неорганических соединений, при этом определенные виды бактерий способны окислять определенные минеральные вещества. Единственным источником углерода для хемоавтотрофов служит углекислый газ. К группе хемоавтотрофов относятся бесцветные серные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии и др. Все автотрофные микроорганизмы являются свободноживущими формами и не патогенны для животных и человека.

Однако среди автотрофов обнаружены микроорганизмы, которые способны усваивать  углерод не только из СО₂ воздуха, но и из органических соединений. Такие бактерии получили название миксотрофы (от лат. mixi - смесь, т. е. смешанный тип питания). В зависимости от способа поглощения азота, микроорганизмы могут подразделяться на аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.

Аминоавторофы синтезируют  белок из минеральных соединений и из воздуха, это в основном почвенные  бактерии. У зеленых растений в  основе автотрофного типа питания лежит процесс фотосинтеза. Фотосинтез характерен как для высших растений, так и для водорослей, и, как уже упоминалось, фотосинтезирующих бактерий. Но наибольшего совершенства фотосинтез достиг все-таки у зеленых растений. Что же такое фотосинтез?

Под фотосинтезом понимают процесс образования необходимых  для жизнедеятельности как самих  фотосинтезирующих организмов, так  и всех других организмов, сложных  органических соединений из простых  веществ за счет энергии света, поглощаемой  хлорофиллом или другими фотосинтетическими пигментами. Начало исследованию фотосинтеза положили работы Дж. Пристли, Ж. Сенебье, Я. Ингенхауза. Дж. Пристли (1733-1804) в 1771 г. показал, что воздух, «испорченный» горением или дыханием, вновь становится пригодным для дыхания под воздействием зеленых растений. Таким образом, было установлено, что зеленые растения способны поглощать углекислый газ (СО₂) и выделять кислород (О2). Ж. Сенебье (1742-1809) доказал, что источником углерода для зеленых растений является углекислый газ (СО₂), который усваивается ими под влиянием света. Ю. Майер (1814-1878) выдвинул гипотезу, в которой утверждалось, что единственным на Земле аккумулятором солнечной энергии являются растения.

Микроорганизмы облагаются большим разнообразием типов  питания.

Углеродное питание.

Углерод составляет 50% сухой  массы клетки. Автотрофные: способны в качестве единственного источника  углерода для синтеза органических веществ тела использовать углекислоту  и ее соли.

Одни виды автотрофных  микроорганизмов ассимилируют СО2, используя солнечную энергию - фотосинтезирующие микроорганизмы.

Другие микроорганизмы используют энергию химических реакций  окисления некоторых минеральных  веществ - хемосинтезирующие.

К фотосинтезирующим  микроорганизмам относятся водоросли, пигментные бактерии.

Бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением О2, как  у зеленых растений, а роль Н2О  выполняет Н2S, при этом в клетках  накапливается сера. Все фотосинтезирующие  бактерии содержат пигменты - каротиноиды.К хемосинтезирующим микроорганизмам относятся бактерии, окисляющие Н2 с образованием воды (водородные бактерии), аммиак в азотную кислоту (нитрифицирующие бактерии): сероводород до серной кислоты.

Азотное питание.

Источники азота - элемента необоходимого для синтеза белков, нуклеиновых кислот. Паразиты развиваются за счет органических азотосодержащих веществ.

Микроорганизмы нуждаются  в источниках азотного питания, которые  служат материалом для образования  аминных — NH₂ и иминных — NH-rpynn в молекулах аминокислот, пуринов и пиримидинов, нуклеиновых кислот и других веществ, входящих в состав клетки. Самый доступный источник азота для многих микроорганизмов— ионы аммония (NH₄+) и аммиак (NH₃), они достаточно быстро проникают в клетку микроорганизма и трансформируются в аминогруппы.

Аммонийные соли органических кислот более благоприятны для питания, чем минеральные аммонийные соли. Последние являются физиологически кислыми — при потреблении NH₃ в среде накапливаются минеральные анионы (SO₄²~, HPO4²"", С1~), что влечет за собой сильное снижение рН.

Соли азотной кислоты  в противоположность минеральным аммонийным солям не обладают физиологической кислотностью, и после использования микробами остаются ионы металлов (К⁺, Mg²⁺, Na+), что способствует подщелачиванию среды. Не все микроорганизмы могут восстанавливать окисленные соединения азота и питаться нитратами или нитритами. Большинство микробов ассимилируют минеральные формы азота.

Существуют микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот воздуха и строить из него необходимые компоненты клетки. Эти виды имеют большое значение в обогащении пахотного слоя связанными соединениями азота. В настоящее время известно большое число групп микроорганизмов (бактерий, актиномицетов, цианобактерий) с азотфиксирующей способностью.

Наряду с минеральными источниками азота многие микроорганизмы могут потреблять азот органических соединений, которые одновременно служат и источником углерода.

Усвояемость органических источников азота весьма различна. Белки, представляющие собой высокомолекулярные соединения, не проникают в клетку микробов. Поэтому белками могут питаться только микроорганизмы, выделяющие в среду экзоферменты, расщепляющие молекулы белков до пептидов и аминокислот. Этими свойствами обладают многие микроорганизмы.

Обычно микроорганизмам, питающимся только органическими соединениями азота — аминокислотами и т. п., требуется определенный набор этих веществ. Высокая чувствительность подобных организмов к наличию в среде некоторых аминокислот позволила разработать микробиологический метод их качественного и количественного определения.

2. Рассмотрите  химический состав структурных  элементов клеток микроорганизмов.

Химический состав микроорганизмов сходен с химическим составом тела животных и растений.

Важнейшими химическими элементами, преобладающими в составе клеток микроорганизмов, является углерод, кислород, Н2, N2, S, Р, К, Мg, Са и Fе.

Первые из 4 элементов составляют основу органических веществ - их называют органогенными элементами. Их соединения 90-97% на сухое вещество. Другие элементы называются зольными или минеральными, на их долю приходится 3-10%. Больше всего Р, который входит в состав многих веществ цитоплазмы. В крайне малых количествах в состав входят микроэлементы, но при этом выполняют важную роль в процессах жизнедеятельности (Cu, Mn, Zn, Mo). Соотношение элементов будет зависеть от вида и роста организмов.

Вода. В составе микроорганизмов вода занимает 75-90% массы. В клетке протекает множество различных химических процессов. Одни сложные вещества разлагаются, другие образуются из более простых соединений; вода же является необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции, с водой же удаляются из клетки продукты обмена. Все вещества поступают в клетку только с водой и с ней же удаляются. Часто вода в клетке находится в связанном (с белками, углеводами) состоянии и входит в состав клеточной структуры.

Вода в свободном состоянии  служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем органических и минеральных соединений, которые образуются в клетке в результате обмена веществ. Учувствует во многих хим.реакциях протекающих в клетке. Содержание свободной воды в клетках может изменяться в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста. Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки, т.е. ее смерть.

Органические вещества

Сухое вещество тела микроорганизмов  не превышает 15-25% и состоит преимущественно (до 95%) из органических соединений - белков, углеводов, жиров, лепидов и др. Минеральные  соединения составляют не более 5-15% сухого вещества. Большая часть зольных элементов в клетке химически связана с органическими веществами и входит в их состав.

Содержание белковых веществ у  бактерий достигает 40-80% сухого вещества, у дрожжей 60%, у грибов - 15-40%. В состав клеток микроорганизмов входят белки простые (протеины) и сложные (протеиды). Белки выполняют две основные функции: во-первых, входят в состав всех мембран клетки; во-вторых, играют роль ферментов-биохимических катализаторов. Среди белков есть и такие, которые убивают жизнь,- токсины. Бактериальные токсины наиболее ядовитые. Благодаря тому, что микроорганизмы богаты белками, возможно их пищевое и кормовое использование. Продуцентами могут быть дрожжи, бактерии и водоросли, особенно цианобактерии.

Также в состав клеток микроорганизмов входят небелковые азотистые вещества - аминокислоты, пурины и др.

Углеводы в теле микроорганизмов  используются для синтеза белков и жиров, построения клеточных оболочек и капсул, а также в качестве энергетического материала в  дыхательных процессах. Углеводы, как и белки, могут откладываться в клетках в виде запасных питательных веществ. Содержание углеводов достигает 10-30% их сухой массы (бактерий); у грибов выше 40-60%.

В теле микроорганизмов  углеводы встречаются в виде пентоз, гексоз, полисахаридов. полисахариды находятся и в связанном состоянии с белками и минералами.

Липиды (жиры, жироподобные вещества липоиды)

Обычное их содержание не превышает 3-10% сухой массы. В редких случаях у дрожжей и грибов может доходить до 40%. В клетках микроорганизмов жировые вещества находятся в свободном (как запасные вещества) и в связанном состоянии, в комплексе с белками и углеводами. Больше всего липидов сосредоточено в цитоплазматической мембране клеток

В микроорганизмах имеются  также кислоты и их соли, спирты, пигменты, витамины.

Пигменты (красящие вещества)

В значительной доли находятся  в составе бактерий, дрожжей, грибов. Они содержатся главным образом  в клеточном соке. Этим обуславливают  окраску микроорганизмов. Пигменты могут выделяться из клеток в среду. У некоторых бактерий они выполняют роль хлорофилла зеленых растений, участвуя в ассимиляции углекислого газа. Они участвуют в процессах дыхания, обладают антибиотической активностью.

3. Как определяется  объемная продуктивность биотехнологического процесса.

Объемная продуктивность процесса(Pcp) – это количество целевого продукта в ED активности или в кг, получаемого с 1м3 питательной среды в час.

Расчет.

Периодический процесс

Pcp = V_cf Α_cf⋅10⁶/ V_nm T_с; ED/м³ ч

Pcp = V_cf C/ V _nm T_с; кг/м³ ч

Непрерывный процесс

Pcp = W_cf Α_cf·10⁶/ V _nm; ED/м³ ч

Pcp = W_cf С/ V _nm; кг/м³ ч

Где V_cf – объем культуральной жидкости за весь процесс ферментации, м3

А– активность культуральной жидкости, ED/м3,

С– концентрация целевого продукта в культуральной жидкости, кг/м3;

W_cf – скорость слива культуральной жидкости из ферментатора, м3/ч;

Vf– вместимость ферментатора, м3;

T _с – время  цикла работы ферментатора, ч.

V_nm– объем питательной среды, м³.

4. Накопительные культуры микроорганизмов, методы их получения.

Накопительной называют культуру, в которой преобладают представители одной физиологической группы или одного вида микроорганизмов. Метод накопительных культур был введен в практику микробиологических исследований С.Н.Виноградским и М.Бейеринком. Сущность его заключается в создании элективных, т.е. избирательных условий, которые обеспечивают преимущественное развитие желаемых микроорганизмов или группы микроорганизмов из смешанной популяции.