Термофильные микроорганизмы

Содержание

 

Введение …………………………………………………………….…2

Глава 1. Термофильные микроорганизмы …………………………..3

        1.1. Абиотические факторы ……………………………………..3

        1.2. Аэробные  термофильные бактерии ……………………......8

        1.3. Анаэробные термофильные бактерии ……………………..9

        1.4. Термофильные лучистые грибки (актиномицеты) ………10

        1.5. Практическое значение термофильных бактерий ……….12

Глава 2. Разложение пектиновых веществ микроорганизмами …..15

        2.1. Химизм, возбудители, значение  при хранении и

        переработке плодовоовощного сырья ………………………...16

Заключение …………………………………………………………...20

Используемая литература …………………………………………...21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Микробиология – наука  о мельчайших живых существах, называемых микроорганизмами. Мир этих существ обширен и разнообразен. Он включает в себя тысячи представителей разных систематических групп: бактерии, грибы, многие водоросли и простейшие. Размеры микроорганизмов меньше или несколько превышают разрешающую способность человеческого глаза (0,2 мм), поэтому их изучение связано с использованием микроскопов, а также особых методов выращивания, обычно на стерильных питательных средах. Большинство микроорганизмов одноклеточные, а многоклеточные формы сравнительно мало дифференцированы.

Иногда к микроорганизмам относят и вирусы, которые не имеют клеточного строения, а размеры их так малы, что их можно увидеть лишь с помощью электронного микроскопа.

Несмотря на малые  размеры, микроорганизмы обладают разнообразными функциями, имеющими большое значение в процессах круговорота веществ в природе, а также влияющих на научную и практическую деятельность человека.

Малые размеры этих организмов позволяют им легко распространяться в окружающей среде. Трудно найти  на Земле место, где бы они не существовали. Особенно в больших количествах  они находятся в почве и водоемах.

К важным свойствам микроорганизмов относится их способность к быстрому размножению. Известны бактерии, которые делятся каждые 30 – 60 и даже 8 – 10 мин.

Микроорганизмы очень  разнообразны по своим физиологическим и биохимическим свойствам. Они могут расти и сохраняют свою жизнеспособность в самых сложных, нередко экстремальных, условиях, в которых ни растения, ни животные существовать не могут.

 

Глава 1. Термофильные микроорганизмы.

 Экологически обособленную группу в природе представляют термофильные микроорганизмы. Температурные условия вызывали в  процессе эволюции появление микробных форм, которые оказались способными развиваться при разных температурах, в том числе и при высокой (50—93 °С).

Видная роль в изучении термофильных микроорганизмов принадлежит  А. А. Имшенецкому, Е. Н. Мишустину, Б. Л. Исаченко и др. Эти ученые не ограничились разработкой только теоретической  стороны проблемы явления термофилии, и их исследования имели важное практическое значение.

Одна из главных отличительных  особенностей термофилов — ускоренный обмен веществ. За последние годы благодаря новейшим методам исследования удалось накопить данные, частично раскрывающие механизмы, при помощи которых клетка защищается от воздействия высокой температуры. Установлено, что наиболее существенные изменения под воздействием высокой температуры претерпевают клеточные белки и липиды, с которыми связаны основные жизненные процессы.

Благодаря высокой скорости роста термофильные микроорганизмы могут найти широкое применение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

 

           1.1. Абиотические факторы.

Абиотические факторы  – это физико-химические условия  среды обитания. К ним относятся  температура, влажность среды, осмотическое давление, разные виды лучистой энергии, концентрация водородных ионов, кислорода.

 Важнейшим фактором  внешней среды является температура.  Она определяет скорость размножения  микроорганизмов, а также интенсивность  протекания химических реакций в процессе обмена веществ в клетках. При переходе к крайним температурам жизненные процессы вначале замедляются, а затем или приостанавливаются, и жизнь переходит в скрытую форму, или вообще прекращаются.

По отношению к температуре  микроорганизмы подразделяют на три группы: психрофилы, мезофиллы и термофилы.

Психрофилы, или холоднолюбивые, микроорганизмы лучше развиваются  при относительно низких температурах. Оптимальная температура их развития составляет 10 – 15 С. К ним относятся в основном обитатели холодных источников, северных морей, обитатели почв полярных зон, микроорганизмы, развивающиеся в холодильниках на охлажденных продуктах и вызывающие их порчу. В эту группу входят многие светящиеся морские бактерии.

  Мезофиллы предпочитают температуру средних значений. Для них оптимум температуры составляет 25 – 40 С. Мезофиллы – наиболее распространенная в природе группа микроорганизмов, обитающих в воде, воздухе, почве, в живых организмах. К представителям этой группы относятся дрожжи, мицелиальные грибы, молочнокислые бактерии, бактерии кишечной группы. Вызывающие порчу пищевых продуктов возбудители пищевых отравителей и заболеваний человека в основном представляют собой мезофиллы.

Термофилы, или теплолюбивые, микроорганизмы лучше развиваются  при относительно высоких температурах. Оптимальная температура их развития 50 – 60 С, максимальная – 70 – 80 С, минимальная – около 30 С. Термофилы довольно широко распространены в природе. Они могут обитать в горячих источниках, в почвах и водоемах жарких стран, в песках пустынь, в кишечнике человека и животных, так как большинство термофилов образуют устойчивые споры.

Внутри групп термофилов различают еще четыре более мелкие подгруппы (рис. 1) – экстремально термофильные микроорганизмы, стенотермофилы, эфритермофилы, термотолерантные микроорганизмы (термотолеранты).

 

 

Рис 1.Группы бактерий по максимальным температурам роста.

 

         Экстремально термофильные микроорганизмы растут при  оптимальной температуре – около 80 С, максимальная температура близка к 93 С.

Стенотермофилы характеризуются  минимальными температурами роста, равными 37 – 40 С, максимальные лежат  в области 70 – 80 С, зона оптимальных  температур – 55 – 65 с.

Эвритермофилы имеют  минимальную температуру роста  ниже 37 С, а максимальную - выше 48 С, но ниже 70 С. Эта подгруппа включает представителей различных систематических групп – бактерий, актиномицетов, дрожжей, грибов, водорослей.

Среди термофилов следует обратить особое внимание на термотолерантные микроорганизмы, имеющие максимальную температуру роста при 40 – 50 С, но растут они также и при комнатной температуре.

С жизнедеятельностью термофилов связано явление термогенеза (самосогревание) больших скоплений органических веществ (навоз, торф, сено, крупы, мука и др.). Термофилы встречаются в продуктах, прошедших тепловую обработку. К термофилам и психрофилам относятся в основном бактерии.

Высокие температуры  микроорганизмы переносят значительно хуже, чем низкие. Повышение температуры выше максимальной всегда приводит к гибели клетки. Большое значение имеет не только степень нагревания, его продолжительность, но и вид микроорганизма, а также химический состав субстрата (питательной среды), pH и др. Более устойчивы к нагреванию термофилы.

Многие ученые давно  пытались установить, почему термофильные микроорганизмы могут существовать при таких высоких температурах, как 50 – 90 С. Оказалась, что как структурные и клеточные элементы, такие, как оболочка, мембраны, рибосомы, так и входящие в протеины, жиры, ферменты заметно отличаются качественно и количественно от подобных клеточных компонентов мезофильных форм.

Выяснилось также, что если некоторые элементы клетки недостаточно стабильны к высокой температуре (например, рибонуклеиновые кислоты), то их синтез в клетке осуществляется с большей скоростью. В этом процессе участвуют ферменты, отличающиеся высокой термостабильностью.

Оболочка клетки термофилов обладает заметной устойчивостью к действию температуры. Это обусловлено ее химическим составом и более устойчивым к температуре механизмом, осуществляющим синтез клеточных стенок.

  Помимо качественных различий в химическом составе клеточных мембран, клетки термофильных бактерий содержат больше мембран, чем клетки мезофильных бактерий. X. Бодман и Н. Е. Велкер нашли увеличение количества мембран в клетках Вас. stearothermophilus при повышении температуры роста.

Мембраны в клетке служат не только границей раздела фаз, но и местом локализации ряда важнейших биологических систем. В настоящее время имеются данные, указывающие, что некоторые ферменты термофилов приобретают термостабильность, когда они связаны с клеточной мембраной. Если их отделить от мембраны с помощью ультразвука, то эти ферменты становятся относительно термолабильными.

Мембраны термофильных бактерий отличаются высокой механической прочностью.

Рибосомы, выделенные из клеток облигатно-термофильных бактерий, обладают значительно большей  термостабильностью, чем рибосомы, выделенные из клеток мезофильных форм. Высказывается предположение, что наибольшая стабильность рибосом у термофилов может быть благодаря различиям в составе и структуре рибосомальных протеинов.

 Различные ферментные системы, а также отдельные ферменты термофилов неодинаково устойчивы к действию высокой температуры. Наиболее устойчивы гидролитические ферменты. По степени термостабильности Л. Л. К э м п -белл и Б. Пейс разделяют ферменты на три группы. Среди них наиболее стабильными являются а-амилаза, протеаза, ферменты, активирующие аминокислоты.

 В настоящее время интенсивно изучаются особенности термостабильной протеазы. Проводятся глубокие исследования по изучению структуры и физико-химических свойств этого фермента, выделенного из различных форы термофильных микроорганизмов.

Споры термофильных микроорганизмов  обладают значительно большей термоустойчивостью, чем споры мезофильных форм. Предполагают, что повышенная устойчивость спор термофилов к высокой температуре объясняется увеличенным содержанием в них дипиколиновой кислоты, а также уменьшением отношения количества магния к кальцию. Отмечено увеличение содержания в спорах термофильной бактерии Вас. stearothermophilus липидов (рис. 2).

 

Рис. 2.. Термофильная бактерия Вас. stearotliermophilus. Увел. X 3000.

 

1.2. Аэробные термофильные бактерии.

Одним из важнейших  факторов, определяющих рост и развитие термофильных микроорганизмов, является скорость поступления кислорода и его концентрация в культуральной среде. Степень ограничения роста аэробных организмов при недостатке кислорода зависит от температуры выращивания. Растворимость кислорода в воде увеличивается с понижением температуры, поэтому рост микроорганизмов при более низких температурах не ограничивается содержанием кислорода в такой степени, как в случае инкубации при высоких температурах. Этим и объясняется тот факт, что общий урожай организмов, выращенных при низких температурах, часто оказывается выше, чем урожай микроорганизмов, выращенных при более высоких температурах, хотя скорость роста в последнем случае может быть больше.

Потребность термофилов в питательных веществах зависит  от температуры их роста. Л. Л. Кэмпбелл и Б. Пейс разделили по этому признаку термофильные спорообразующие бактерии на три группы. К первой группе относятся термофильные бактерии, потребность в питательных веществах которых не зависит от температуры. Бактерии второй группы нуждаются в дополнительном питании при повышении температуры выращивания, а третьей группы — при понижении температуры.

1.3. Анаэробные  термофильные бактерии.

Значительную  часть спороносных термофильных бактерий составляют анаэробные виды. Известны облигатно-термофильные масляно-кислые, целлюлозные, десульфурирующие и метанобразующие бактерии.

Термофильные  целлюлозные бактерии. Этих бактерий обнаруживают обычно в компостах, разлагающихся  растительных отбросах, илах и т. д. В таких субстратах эти бактерии наряду с термофильными целлюлозоразлагающими  грибами и актиномицетами находят благоприятные условия для своего развития.

Развитие целлюлозных  бактерий можно заметить сначала  по газообразованию, затем по разрушению клетчатки (фильтровальной бумаги) и  появлению желто-оранжевого пигмента.

Морфологически  целлюлозные бактерии представляют собой тонкие, прямые или слегка изогнутые палочки, часто с округлыми спорами на концах клеток. Палочки подвижны, жгутики расположены по всей поверхности клетки.

Продуктами  обмена веществ анаэробных целлюлозных  бактерий, выделяющимися в окружающую среду, являются водород, углекислый газ, этиловый спирт, глицерин, муравьиная, уксусная, молочная, янтарная, яблочная и фумаровая кислоты. Присутствуют также следы ацетальдегида, иногда — масляная кислота. Эти бактерии разлагают целлюлозу до низкомолекулярных углеводов, главным образом до целлобиозы и глюкозы. Гидролиз целлюлозы сопровождается появлением в среде фермента целлюлазы.

Термофильные  метановые бактерии могут сопутствовать  анаэробным целлюлозным бактериям  или культивироваться совместно с ними. Эти бактерии представляют собой тонкие, прямые или слегка изогнутые неспороносные палочки.

Термофильные  десульфурирующие бактерии нередко  сопутствуют термофильным целлюлозным  бактериям. При высоких температурах восстановление сульфатов осуществляется бактерией Desulfotomaculum nigrificans, которая представляет собой палочки с округлыми концами, иногда чечевицевидные и вздутые, подвижные, пери-трихи. Споры овальные, субтерминальные или терминальные.

1.4. Термофильные  лучистые грибки (актиномицеты).

Рис. 3. Схематическое  изображение вегетативного и  спороносного мицелия различных родов термофильных актиномицетов.