Микробиология и имунология

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.

3. Микроорганизмы и окружающая среда. Основные условия для их жизнедеятельности.

4 Получение микробиологическим путём молочной кислоты. Возбудители гомоферментативного, гетероферментативного типов кисло-молочного брожения

Биомасса представляет собой  сложную химическую систему, а большинство  процессов и продуктов биотехнологии  имеют биохимическую природу, будь то производство веществ, используемых как горючее, получение путем  брожения продуктов питания и  напитков, синтез биополимеров, использование  организмов, участвующих в круговороте  химических веществ на Земле, применение сложных химических соединений в  медицине или сельском хозяйстве. Речь пойдет главным образом о принципах, перспективах и технологии получения химической продукции на базе биотехнологии. Основное внимание будет уделено химическим процессам и соединениям. Корни современной прикладной микробиологии и соответст-венно биотехнологии уходят в химическую промышленность начала нынешнего века: именно тогда были разработаны основы промышленного производства ряда химических веществ (например, ацетона, этилового спирта, бутандиола, бутанола и изопропанола) из углеводов растений.             Помимо новых способов получения химических веществ из биомассы биотехнология дает нам также более эффективные и производительные катализаторы для осуществления химических взаимопревращений.

    В конце XIX в. началось промышленное производство молочной кислоты при участии молочнокислых бактерий Lactobacillus delbrueckii, L. leichmannii и L. bulgaricus. Это был один из первых процессов, где применялась частичная стерилизация среды нагреванием. Этот микроаэрофильный процесс осуществ-ляется при высокой температуре (45-50°). В нем используют содержащее крахмал сырье, которое предварительно обрабатывают ферментами или подвергают кислотному гидролизу. L. bulgaricus активно сбраживает лактозу и может поэтому использовать молочную сыворотку в качестве питательного субстрата[9]. В других случаях конверсии подвергается сахароза (концентрация 12-18%, вес/объем). Процесс идет 3- 4 суток; при этом в больших количествах выделяется углекислый газ, что облегчает создание в среде оптимальных полуаэробных условий. Описаны также способы конверсии 1,2-пропандиола в молочную кислоту при помощи Arthrobacter oxydans, Alcaligenes faecalis или Fusarium solani. Эти микроорганизмы в основном образуют L( + )-изомер молочной кислоты, но некоторые штаммы L. leichmanii синтезируют D(-)-изомер. Было изучено образование молочной кислоты при непрерывном культивировании. В одностадийном процессе выход в случае L. delbrueckii составлял 89 г/л в сутки. При использовании препаратов молочнокислых бактерий, иммобилизованных в альгинатных гелях, степень конверсии достигала 97%. Доля L( + )-изомера составляла 90%, а время полужизни-100 суток. В этих процессах молочную кислоту получают в форме кальциевой соли; чтобы выделить конечный продукт, ее обрабатывают серной кислотой. Молочную кислоту используют в качестве добавки к безалкогольным напиткам, эссенциям, фруктовым сокам, джемам и сиропам, для декальцификации кожи в дубильной промышленности, а также при производстве пластмасс, когда L(+ )-форму полимеризуют в полилактат, применяемый для производства пластиковых оберток. Соли молочной кислоты используются в медицине.

Виды молочнокислого брожения. Различают гомоферментативное и  гетероферментативное молочнокислое  брожение, в зависимости от выделяющихся продуктов помимо молочной кислоты  и их процентного соотношения. Отличие  также заключается и в разных путях получения пирувата при  деградации углеводов гомо- и гетероферментативными  молочнокислыми бактериями.

Гомоферментативное молочнокислое  брожение. Поскольку расщепление  лактозы происходит внутри клетки микроорганизма, ключевым этапом этого метаболического  пути является поступление глюкозы  в клетку. При переносе лактозы  снаружи в цитоплазматическую мембрану и в клетку микроорганизма для  превращения в фосфат лактозы  участвуют четыре белка (последовательно: фермент II, III, I и HPr). Лактозо-6-фосфат гидролизуется b-фосфогалоктогеназой (b-Pgal) на его моносахаридные компоненты. Галактоза и глюкоза  затем катаболизируются через тагатозный путь и путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (EMP). Возможно дефосфорилирование галактозы, и в этом случае она неусваивается  и выводится из клетки микроорганизма. В обоих случаях глюкоза и  галактоза превращаются дигидроксиацетон-фосфат и глицеринальдегид-3-фосфат, где  трёхуглеродные сахара окисляются дальше до фосфоенолпирувата, а затем образуют молочную кислоту при помощи лактатдегидрогеназы. Продуктом гомоферментативного  молочнокислого брожения является молочная кислота, которая составляет не менее 90% всех продуктов брожения. Примеры  гомоферментативных молочнокислых  бактерий: Lactobacillus casei, L. acidophilus, Streptococcus lactis.

Гетероферментативное молочнокислое  брожение. Лактозу и глюкозу по гетероферментативному пути образуют только бифидобактерии. При катаболизме  глюкозы СО₂ не образуется, поскольку отсутствует начальный этап, включающий декарбоксилирование. Лактоза транспортируется в клетку с помощью пермеазы, а затем гидролизуется в глюкозу и галактозу. Альдолаза и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа у этого вида отсутствуют. Гексозы подвергают катаболизму путём гексозомонофосфатного шунта с участием фруктозо-6-фосфат-фосфокетолазы. Продуктами ферментации видами Bifidobacterium являются лактат и ацетат, а ферментация двух молекул глюкозы даёт три молекулы ацетата и две молекулы лактата. Побочными продуктами являются: уксусная кислота, этанол. Примеры гетероферментативных молочнокислых бактерий: L. fermentum, L. brvis, Leuconostoc mesenteroides, Oenococcus oeni.

5 Нормальная микрофлора систем органов пищеварения всеядных, плотоядных, травоядных животных и её влияние на физиологическое состояние организма.

Пищеварительный тракт человека и животных «заселен» микроорганизмами. В одних отделах тракта в норме  их содержание незначительно или  они почти отсутствуют, в других их находится очень много. Макроорганизм  и его микрофлора составляют единую динамичную экологическую систему. Динамичность эндоэкологического микробного биоценоза пищеварительного тракта определяется количеством поступающих в него микроорганизмов (у человека за сутки перорально поступает около 1 млрд. микробов), интенсивностью их размножения и гибели в пищеварительном тракте и выведения из него микробов в составе кала (у человека в норме выделяется за сутки 1012—1014 микроорганизмов).

   Каждый из отделов пищеварительного тракта имеет характерные для него количество и набор микроорганизмов. Их число в полости рта, несмотря на бактерицидные свойства слюны, велико (107—108 клеток на 1 мл ротовой жидкости). Содержимое желудка здорового человека натощак благодаря бактерицидным свойствам желудочного сока часто бывает стерильным, но нередко обнаруживается и относительно большое число микроорганизмов (до 103 на 1 мл содержимого), проглатываемых со слюной. Примерно такое же количество их в двенадцатиперстной и начальной части тощей кишки. В содержимом подвздошной кишки микроорганизмы обнаруживаются регулярно, и число их в среднем составляет 106 на 1 мл содержимого. В содержимом толстой кишки число бактерий максимальное, и 1 г кала здорового человека содержит 10 млрд и более микроорганизмов.

Микрофлору кишечника  делят на три группы: 1-я — главная; в ее состав входят бифидобактерии и бактероиды, которые составляют 90% от всех микробов; 2 — сопутствующая (лактобактерии, эшерихии, энтерококки, 10% от общего числа микроорганизмов); 3 — остаточная (цитробактер, энтеробактер, протеи, дрожжи, клостридии, стафилококки, аэробные бациллы и др., менее 1%). Анаэробная микрофлора преобладает над аэробной.

Микроорганизмы, связанные  со слизистой оболочкой кишечника, относятся к мукозной микрофлоре — М-микрофлоре, а локализованные в полости кишки — к полостной — П-микрофлоре. Соотношения между М- и П-микрофлорой динамичны, определяются многими факторами. К внешним воздействиям М-микрофлора более устойчива, чем П-микрофлора.  

За илеоцекальным клапаном (баугиниева заслонка) резко изменяется не только число, но и качество микрофлоры. Толстая кишка является своеобразной микроэкологической зоной. В ней П-микрофлора представлена бактероидами, бифидобактериями, лактобактериями, вейлонеллами, клостридиями, пептострептококками, пептококками, энтеробактериями, аэробными бациллами, дифтероидами, энтерококками, стафилококками, микрококками, плесневыми грибами (преобладают бактероиды, бифидобактерии, лактобактерии). М-микрофлора слизистой оболочки толстой кишки отличается от микрофлоры полости кишки, и в М-микрофлоре наибольшее число бифидо- и лактобактерии. Общее число М-форм слизистой оболочки толстой кишки составляет у людей 106, с соотношением анаэробов к аэробам 10:1. Максимальное число бактерий в фекалиях (1010—1013 на 1 г), где они составляют до 30 % от их массы. В качественном соотношении она сходна с микрофлорой полости толстой кишки. 

Состав и количество микроорганизмов  в пищеварительном тракте зависит  от эндогенных и экзогенных факторов. К первым относятся влияния слизистой  оболочки пищеварительного канала, его  секретов, моторики и самих микроорганизмов. Ко вторым — характер питания, факторы  внешней среды, прием антибактериальных препаратов. Экзогенные факторы влияют непосредственно и опосредованно через эндогенные факторы. Например, прием той или иной пищи изменяет секреторную и моторную деятельность пищеварительного тракта, что трансформирует его микрофлору.  

Существенны влияния на микрофлору функционального состояния пищеварительной системы. Перистальтика пищеварительного тракта обеспечивает транспорт микроорганизмов в составе химуса в дистальном направлении, что играет определенную роль в создании проксимодистального градиента заселенности кишечника микроорганизмами. Дискинезии кишечника изменяют этот градиент. 

Баугиниева заслонка, играющая роль клапана, а также более высокое  давление содержимого перед заслонкой, чем за ней, предотвращают поступление  микроорганизмов с содержимым из толстой кишки в тонкую. 

В формировании микрофлоры пищеварительного тракта велика роль пищеварительных секретов. Слюна  имеет муромидазу (лизо-цим), которая  определяет бактерицидные свойства этого секрета. Желудочный сок за счет соляной кислоты и других факторов обладает бактерицидностью, что существенно влияет на численность и состав микрофлоры кишечника. Количество и состав микрофлоры зависят и от поступления в тонкую кишку сока поджелудочной железы, кишечного секрета и желчи. Эти влияния не только прямые, но и опосредованные. Так, снижение содержания питательных веществ в химусе лишает микроорганизмы необходимых им питательных веществ. Гидролизаты белков и жиров ингибируют развитие ряда микроорганизмов. Такое действие оказывают лейкодиапедез и свободные желчные кислоты, а также выделяемые в составе пищеварительных секретов не только лизоцим, но и иммуноглобулины, С-рективный белок, лактоферрин. 

Важным экзогенным фактором является питание. Его стабильность, сбалансированность и адекватность важны в стабилизации эубиоза человека. Вегетарианская диета способствует увеличению количества энтерококков и эубактерий. Избыточный прием животных белков и жиров вызывает повышение в составе микрофлоры числа клостридий, бактероидов. Избыток в рационе животных жиров ведет к увеличению числа бактероидов и уменьшению числа бифидобактерий и энтерококков; недостаток жиров вызывает обратные изменения микрофлоры. Молочная диета (лактоза) способствует повышению количества бифидобактерий. 

Включение в рацион человека нефизиологических компонентов (например, белки одноклеточных), сублимированных  продуктов неблагоприятно влияет на микрофлору кишечника. 

Нормальная микрофлора —  эубиоз — выполняет ряд важнейших для макроорганизма функций. Исключительно важным является ее участие в формировании иммунобиологической реактивности организма. Эубиоз предохраняет макроорганизм от внедрения и размножения в нем патогенных микроорганизмов. Нарушение нормальной микрофлоры при заболевании или в результате длительного введения антибактериальных препаратов нередко влечет за собой осложнения, вызываемые бурным размножением в кишечнике дрожжей, стафилококка, протея и других микроорганизмов.