ЕПІЗООТОЛОГІЯ З МІКРОБІОЛОГІЄЮ

I частина

Електронний посібник

Головна

Теоретичні відомості

Анотація

Додатки

Укладачі

Список використаних джерел

7. Роль мікробів у перетворенні речовин у природі

7.1. Перетворення азоту

7.2. Перетворення вуглецю

7.2.1. Спиртове бродіння

7.2.2. Оцтовокисле бродіння

7.2.3. Маслянокисле бродіння

7.2.4. Молочнокисле бродіння

7.2.5. Бродіння клітковини

7.2.6 Лимоннокисле бродіння

7.2.7. Пропіоновокисле бродіння

7.2.8. Метанове бродіння

7.1. Перетворення азоту

Перетворення біологічно важливих речовин у природі здійснюється внаслідок ферментативної роботи мікроорганізмів (гниття, тління, нітрифікація, денітрифікація, бродіння).

Рис. 7.1. Виноградський С.М.

Рис. 7.2. Сечовина

Азот становить 78,11 % об'єму всієї атмосфери. Азот у формі неорганічних сполук, таких як нітрати у ґрунті, абсорбується рослинами і перетворюється на органічні сполуки у тканинах рослин. У нормальних умовах азот із довкілля потрапляє в біологічні системи і повертається в довкілля після загибелі біологічних систем до ґрунту у вигляді екскрементів чи мертвих організмів. Там він під впливом бактерій, переходить у неорганічну форму. Деякі біктерії, азотфіксатори, здатні фіксувати атмосферний азот.

Гниття може відбуватися в різних умовах. За достатньої аерації розпад білкових речовин під впливом мікроорганізмів більш глибокий і називається тлінням — повним окисленням речовин. Якщо ж розщеплення білкових речовин здійснюється в анаеробних умовах, то внаслідок цього не утворюються кінцеві продукти розпаду білка, і такий процес називається гниттям. Високі і низькі температури затримують процеси гниття.

Гнильні мікроби своїми протеолітичними ферментами розщеплюють білки. Вони дуже поширені в природі: в грунті, повітрі, воді, рослинах і організмі тварин.

Одні види гнильних мікробів розщеплюють білки до проміжних продуктів (пептону, альбумози та ін.), інші – до кінцевих (амоніаку); органічний азот перетворюється в амоніачний, відбувається амоніфікація білкових речовин, тобто гниття білка з утворенням амоніаку (NH₃).

Амоніфікація сечовини. Сечовина, що виводиться тваринами і людиною в зовнішнє середовище, під впливом ферментів уробактерій розпадається. Солі амоніаку, що утворюються в процесі розпаду, використовуються рослинами для живлення.

Нітрифікація. Процес перетворення амонійних сполук в азотнокислі сполуки називається нітрифікацією. Він здійснюється специфічними нітробактеріями, відкритими С.М. Виноградським. Процес нітрифікації відбувається в дві фази. У першій фазі амонійні солі під впливом нітрозобактерій перетворюються в солі азотистої кислоти, в другій – утворені солі під впливом другої групи нітробактерій перетворюються в солі азотної кислоти.

Рис. 7.3. Кругообіг азоту в природі

Відкриття С.М. Виноградського має важливе значення для сільського господарства. Воно з'ясувало процес походження потрібних для живлення рослин речовин, які містять азот, і створило певні передумови для підвищення родючості грунту.

Денітрифікація. У протилежність нітрифікації є процес відновлення денітрифікуючими мікроорганізмами солей азотної кислоти в солі азотистої або інші прості азотисті сполуки аж до виділення газоподібного азоту.

Денітрифікація відбувається в анаеробних умовах, тому її можна зменшити або зовсім припинити частим боронуванням та переорюванням грунту, що підсилює його аерацію.

Засвоєння атмосферного азоту. Явище денітрифікації, що є значною загрозою родючості грунту в зв'язку з вивітрюванням з нього азоту, значною мірою компенсується роботою специфічних бульбочкових та азотофіксуючих бактерій, які містяться в грунті і здатні засвоювати атмосферний азот та перетворення його в сполуки, потрібні для живлення рослин.

Бульбочкові мікроби живуть на корінні бобових рослин у симбіозі з ними.

Рис. 7.4. А – клітини бульбочок, Б – бактероїди бульбочок конюшини

Рис. 7.5. Соя. Бульбочкові бактерії

Кожній бобовій рослині властивий особливий вид бульбочкових мікробів, які можуть існувати в її бульбочках на корінні рослин, а також вільно в ґрунті. Встановлено, що на кожному гектарі грунту щорічно фіксується від 25 до 60 кг азоту, а на ґрунті, зайнятому бобовими рослинами, під 100 до 400 кг.

7.2. Перетворення вуглецю

Сполуки вуглецю є основою всіх живих організмів. Кожен живий організм складається в значній мірі з вуглецю. Понад 99 % вуглецю в атмосфері знаходиться у вигляді вуглекислого газу. Найпотужніший механізм засвоєння вуглецю (у формі СО₂) — фотосинтез, який здійснюється всюди зеленими рослинами. У присутності хлорофілу СО₂ взаємодіє з водою, перетворюючись на складніші вуглецеві сполуки, наприклад вуглеводи. Процеси розпаду вуглеводів зумовлюються бродінням (Л. Пастер).

Рис. 7.6. Виділення вуглецю

Рис. 7.7. Дріжджі

У кругообігу вуглецю важливу роль відіграє розпад, переважно вуглеводів на більш прості сполуки, що має назву бродіння. Цей процес здійснюється під впливом ферментативної діяльності мікроорганізмів.

7.2.1. Спиртове бродіння

Цей вид бродіння має найбільше народногосподарське значення. Спиртове бродіння є процесом розкладання цукру на спирт і вуглекислий газ. Воно протікає під дією мікроорганізмів у вигляді такої реакції: С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 27 ккал (цукор = етиловий спирт + вуглекислий газ + 27 кілокалорій)

Крім етилового спирту і вуглекислого газу, при цьому виходять також побічні продукти: оцтовий альдегід, гліцерин, сивушні масла (бутиловий, ізобутиловий, аміловий і ізоаміловий спирти, оцтова і бурштинова кислоти тощо.

Спиртове бродіння вуглеводів викликається дріжджами, окремими представниками мукорових грибів і деякими бактеріями. Однак гриби і бактерії виробляють спирту значно менше, ніж дріжджі.

Спиртове бродіння використовується людиною з глибокої давнини під час виготовлення вина, пива, браги та ін. Причина ж бродіння стала відома лише в середині XIX ст. Після того як Пастер встановив, що розкладання цукру на спирт і вуглекислий газ пов’язано з диханням дріжджів в анаеробних умовах.

Зброджування цукру – це складний біохімічний процес, тому наведене вище рівняння виражає його лише в загальному сумарному вигляді.

Дріжджі, залежно від умов бродіння, утворюють різні кількості продуктів бродіння, серед них можуть переважати або етиловий спирт і вуглекислота, або гліцерин і оцтова кислота. Причому зброджують вони не весь цукор, а тільки моносахариди (наприклад, глюкозу) і дисахариди (наприклад, мальтозу). Полісахариди (крохмаль) дріжджі зброджувати не здатні, тому що вони не мають потрібного для розщеплення полісахаридів ферменту (амілази).

Бродіння залежить не тільки від умов, в яких воно протікає, але також від виду дріжджів. До числа цих умов відносяться концентрація цукру, кислотність середовища, температура і кількість накопичення спирту.

Рис. 7.8. Процес бродіння

Найбільш сприятлива концентрація цукру в субстраті для більшості дріжджів становить близько 15 %, при більш високих концентраціях бродіння сповільнюється, а потім припиняється зовсім. Однак деякі дріжджі можуть викликати бродіння за вмісту в середовищі цукру понад 60 %. Під час концентрації цукру в субстраті в кількості менше 10 % бродіння протікає дуже мляво.

Нормальною для спиртового бродіння є кисле середовище з рН, рівним 4 або 4,5. У лужному середовищі бродіння протікає з утворенням гліцерину і оцтової кислоти.

Найкраща температура бродіння знаходиться в межах 28–32 °С. За більш високих температур бродіння сповільнюється, а при 50 °С воно припиняється. Зниження температури знижує енергію бродіння, хоча повністю воно не зупиняється навіть при 0 °С.

На практиці процеси бродіння ведуть за температури в межах 20–28 °С при верховому бродінні і в межах 5–10 °С при низовому.

Верхове бродіння протікає дуже енергійно, з утворенням на поверхні субстрату великої кількості піни і з бурхливим виділенням вуглекислого газу, потоками якого дріжджі виносяться у верхні шари субстрату. Дріжджі, що викликають таке бродіння, називаються верховими дріжджами. Після закінчення бродіння вони осідають на дно бродильних судин.

Низове бродіння, що викликається низовими дріжджами, йде значно спокійніше, з утворенням невеликої кількості піни. Вуглекислий газ виділяється поступово і дріжджі залишаються в нижньому шарі субстрату.

Верхові дріжджі застосовують для отримання спирту та пекарських дріжджів, низові – для виробництва вина і пива. Для отримання вина і пива іноді використовують і верхові дріжджі.

Утворюється в процесі бродіння спирт, що шкідливо впливає на дріжджі. Під час накопичення в субстраті спирту понад 16 % до обсягу самого субстрату бродіння припиняється, а гнітюча дія спирту починає проявлятися вже за концентрації 2–5 %. Деякі ж раси спеціально привчених дріжджів здатні витримувати дуже високі концентрації спирту – до 20–25 %.

Спиртове бродіння нормально протікає в анаеробних умовах, що створюються в процесі самого бродіння. Але оскільки дріжджі є факультативними анаеробами, вони можуть розкладати цукор і в аеробних умовах з утворенням вуглекислого газу і води. Помічено, що в умовах гарної аерації дріжджі посилено розмножуються. Тому під час виробництва пекарських дріжджів субстрат продувають повітрям.

Для промислового отримання спирту як сировини використовують крохмалевмісні продукти – картоплю, зернові культури, а також відходи цукрового виробництва. У зв’язку з тим, що дріжджі не здатні зброджувати крохмаль, його попередньо оцукрюють за допомогою солоду, містить фермент амілазу. Солод отримують з пророслих зерен ячменю. Нині для оцукрювання застосовують також грибний солод (гриби роду аспергіллус), який у багатьох відношеннях є вигідніше ячмінного солоду. У результаті оцукрювання крохмалю утворюється дисахарид мальтоза – солодовий цукор.

Дріжджі верхового бродіння використовують у виробництві спирту і хлібопеченні, а низового – виноробстві та виробництві пива.

7.2.2. Оцтовокисле бродіння

Рис. 7.9. Оцет

Оцтовокисле бродіння відбувається під впливом оцтовокислих бактерій в субстраті з вмістом 14⁰ спирту, якщо його залишити відкритим на повітрі і в теплі. Так здебільшого скисають виноградні вина, перетворюючись в оцет. Причому спочатку утворюється оцтовий альдегід за рівнянням С₂Н₆О+О₂ – С₂Н₄О₂+Н₂О, а за дальшого окислення – оцет.

О́цтова кислота́ (ацетат), CH₃COOH, відома людству з прадавніх часів, знаходиться у низьких коцентраціях в багатьох рослинних та тваринних системах. Оцет (4–12 % розчин оцтової кислоти у воді), як продукт ферментації вина, набув широкого використання більш ніж 5000 років тому.
Оцтова кислота є прозорою, безбарвною рідиною, що має різкий запах. Оцтова кислота – один з базових продуктів промислового органічного синтезу. Понад 65 % світового виробництва оцтової кислоти іде на виготовлення полімерів, похідних целюлози та вінілацетату. Полівінілацетат є основою багатьох покриттів та фарб.

Застосування оцтової кислоти досить різноманітне. У хімічній промисловості з неї виробляють пластичні маси, різні барвники, лікарські речовини, штучне волокно (ацетатний шовк), незаймисту кіноплівку та багато інших речовин. Солі оцтової кислоти – ацетати алюмінію, хрому, феруму – застосовують як протраву під час фарбування тканин.

Оцтова кислота має широке застосування і як розчинник. У харчовій промисловості застосовується як консервувальний засіб та смакова приправа.

7.2.3. Маслянокисле бродіння

Маслянокисле бродіння відбувається під впливом специфічних анаеробних спороутворювальних мікробів з групи Сl. Butyricum. Маслянокисле бродіння – складний біохімічний процес розщеплення вуглеводів, а також нерідко жирів і білків на масляну кислоту, вуглекислоту (С0₂), водень (Н₂) та інші продукти (оцтову, молочну, мурашину та інші кислоти і деякі спирти). Маслянокислі бактерії у великій кількості є в грунті, гною, на рослинах, у молоці, сирах тощо.

Все залежить від середовища, в якому відбувається бродіння. Утворення масляної кислоти у значних кількостях відбувається в нейтральному середовищі, в кислому середовищі нагромаджується бутиловий спирт і ацетон. Маслянокислі бактерії беруть участь у мінералізації органічних речовин, руйнують пектинові речовини в рослинних тканинах. Цю здатність маслянокислих бактерій використовують під час вимочування льону й інших волокнистих рослин. Під час переробки і зберігання молока, овочів слід уникати маслянокислого бродіння, яке значно знижує органолептичні властивості товарів. Оптимальна температура розвитку маслянокислих бактерій знаходиться в межах 30–40 °С. Спори досить термостійкі, витримують кип’ятіння протягом кількох хвилин. Вони чутливі до кислотності середовища, оптимум рН = = 6,9–7,3, при рН нижче 4,9 перестають розвиватися.

Рис. 7.10. Продукт молочнокислого бродіння

Особливий інтерес для ветеринарної практики становить маслянокисле бродіння силосу, молочних продуктів, а також утворення масляної кислоти деякими патогенними мікроорганізмами (Сlostridium botulinum та ін.). Деякі маслянокислі бактерії здатні засвоювати атмосферний азот (Сlostridium pasteurianum).

Використання маслянокислого бродіння у промислових масштабах почалось під час Першої світової війни. Британці потребували великої кількості органічних розчинників бутанолу (для виробництва штучної ґуми) та ацетону (як розчинник нітроцелюлози у процесі виготовлення бездимного вибухового пороху – кордиту). Ці речовини добували методом піролізу деревини, при чому на виготовлення однієї тонни ацетону потрібно було витрати 80–100 т берези, бука або клена. У 1915 році молодий вчений Хаїм Вейцман розробив метод бродіння за допомогою бакетрії Clostridium acetobutylicum, який дозволяв перетворювати 100 т меляси у 12 т ацетону та 24 т бутанолу. Пізніше він вдосконалив цей метод, знайшовши штам бактерій, що виділяв особливо багато потрібних розчинників. Ацетон та бутанол отримували шляхом малсянокислого бродіння до 1950–1940 років, тоді цей метод був замінений дешевшим.

У харчовій промисловості маслянокисле бродіння використовується для промислового отримання масляної кислоти, яка має неприємний запах прогірклого масла, а її ефіри мають приємний фруктовий аромат і використовуються в кондитерській, безалкогольній, парфумерній промисловості.

Ці бактерії можуть бути шкідливими. Вони викликають масову загибель картоплі, бомбаж консервів, прогіркання молока.

7.2.4. Молочнокисле бродіння

Молочнокисле бродіння зумовлюється дією ферментів молочнокислих бактерій. Молочнокисле бродіння призводить до розщеплення цукрів (гектоз) до молочної кислоти: С₆Н_і20₆~>2СН_зСН (ОН) СООН, що є кінцевим продуктом молочнокислого бродіння.

Молочнокислі бактерії дуже поширені в природі (у молоці, кормах, повітрі, підстилці, на шкірі й шерсті тварин та ін.); за морфологічними ознаками їх розподіляють на лактобацили (палички) та коки.

До продуктів молочнокислого бродіння належать: лактобацилін, або мєчніківська простокваша, яку виготовляють сквашуванням пастеризованого молока культурами Lactobacterium bulgaricum, Streptococcus lactis; ацидофільне молоко, яке утворюється під впливом Lactobacterium acidophylum; кефір – продукт сквашування молока кефірними зернами, до складу яких входять білки молока, молочнокислі бактерії, дріжджеподібні гриби, молочнокислі стрептококи та пептонізуючі молокобактерії; кумис – напій, який виготовляють з сирого молока кобил, збродженого спеціальною закваскою.

Молочнокисле бродіння використовується для консервації продуктів харчування (за рахунок інгібування росту мікроорганізмів молочною кислотою і зниження рН) з метою тривалого збереження (приклад – квашення овочів, сирокопчення), приготування кисломолочних продуктів (кефіру, ряжанки, йогурту, сметани), силосування рослинної маси, а також біотехнологічного способу виробництва молочної кислоти.

З метою профілактики та лікування сільськогосподарських тварин під час захворювань травного каналу застосовують препарати, для виготовлення яких теж використовують бактерії молочнокислого бродіння – антагоністи гнильних мікробів (лактобацилін, ацидофілія, АБК, ПАБК та ін.).

Рис. 7.11. Очищення біогазу після анаеробного бродіння целюлози

7.2.5. Бродіння клітковини

Значний запас вуглецю є в клітковині рослин. Клітковина (целюлоза) є головною складовою частиною рослинних тканин. Це складний полісахарид, що володіє великою хімічною стійкістю. Однак деякі бактерії і гриби виділяють ферменти, що руйнують клітковину. Розкладання клітковини постійно відбувається в природі і може протікати як в анаеробних, так і в аеробних умовах. Бродіння целюлози полягає в руйнуванні клітковини в анаеробних умовах з утворенням масляної та оцтової кислот, вуглекислого газу, водню або метану. Сутність бродіння клітковини розкрита в 1902 р. В.Л. Омелянським, який виділив два різновиди бактерій, що руйнують клітковину: одна з них викликає бродіння целюлози з утворенням переважно водню (водневе бродіння), а інша – метану (метанове бродіння).

Бактерії Омелянського – це спороутворювальні анаеробні палички, що мають оптимальну температуру розвитку близько 30°С; вони широко поширені в природі. Бродіння клітковини викликають також деякі термофільні бактерії. Вони утворюють спори і є факультативними анаеробами, добре розвиваються за температури 60–65 °С.

Бродіння клітковини знаходить використання в техніці під час отримання горючих газів, а також оцтової та мурашиної кислот з тирси, соломи та інших рослинних матеріалів, багатих целюлозою.

Рис. 7.12. Гумус

Аеробне руйнування клітковини відбувається під дією різних мікроорганізмів – грибів і аеробних бактерій. Аеробне руйнування клітковини має важливе значення в процесах розкладання різних рослинних залишків і їх мінералізації в природі. У результаті розкладання клітковини, а також інших органічних сполук, у ґрунті під впливом грибів і бактерій утворюється гумус.

Процес бродіння клітковини має важливе значення в травленні травоїдних і особливо жуйних тварин, в яких бактерії, розкладаючи клітковину в передшлунках, сприяють кращому засвоєнню кормів. Бактерії бродіння клітковини використовують у текстильній промисловості під час обробки льону, в хімічній – для одержання органічних кислот, спиртів та ін. Вони також беруть участь у процесі біологічного очищення нечистот.

7.2.6 Лимоннокисле бродіння

Лимоннокисле бродіння – окислення вуглеводів, деяких спиртів і органічних кислот до лимонної кислоти плісневими грибами з родів Aspergillus і Penicillum. Окрім лимонної кислоти, під час лимоннокислого бродіння утворюються невелика кількість глюконової і щавлевої кислот. Спочатку з вуглеводів гриб утворює піровиноградну кислоту, яка потім перетворюється на щавлевооцетову кислоту; остання за участю ферменту цитратсинтази конденсується з ацетатом за участю кофермента А з утворенням лимонної кислоти.

Промислове здобуття лимонної кислоти базується на зброджуванні грибом Aspergillus niger розчину сахарози або меляси. У перерахунку на спожитий цукор утворюється 70–75 % лимонної кислоти.

7.2.7. Пропіоновокисле бродіння

Пропіоновокисле бродіння полягає в тому, що цукор або молочна кислота, а також її солі, перетворюються на пропіонову і оцтову кислоти з виділенням вуглекислого газу і води: ЗС6НІ2О6 = 4 СН3СН2СООН + 2СН3СООН + 2СО2 + 2Н2О +енергія (Цукор = пропіонова к-та + оцтова к-та + вуглекислий газ + вода).

Пропіоновокислі бактерії близькі молочнокислим бактеріям і нерідко розмножуються в субстратах разом з ними. Оптимальна температура розвитку — 30–35 °С, але досить добре ростуть і за температур 15–20 °С. Розкладають також амінокислоти (дезамінують їх), при цьому утворюються жирні кислоти. Пропіоновокислі бактерії застосовують для отримання одержання вітаміну В12. Бактерії, для яких характерне пропіоновокисле бродіння, використовуються у процесі виробництва швейцарських сортів сиру. Виділення кислот і газу цими мікроорганізмами важливе для остаточного формування смаку та утворення «вічок» у цих сирах.

Пропіоновокисле бродіння викликає псування виноградних вин: у негативний бік змінюють запах, смак і колір вина. Використовується для формування специфічного гострого смаку в сичужних сирах.

7.2.8. Метанове бродіння

Метанове бродіння — метод біотехнології, що полягає у ферментаційному перетворюванні більшості органічних полімерних та інших сполук на біометан і вуглекислий газ. Це один з відомих методів очищення стічних вод, обробки осадів первинних відстійників і надлишкового активного мулу очисних споруд каналізації.

У біотехнології анаеробного ферментування використовуються герметичні резервуари – метантенки. У результаті життєдіяльності біоценозу метантенка відбувається зниження концентрації органічних речовин і утворення екологічно чистого палива – біогазу. Для отримання біогазу можуть використовуватися відходи сільського господарства, стоки переробних підприємств, що містять цукор, побутові відходи, стічні води міст, спиртових заводів тощо.

Біотехнологія методу включає чотири біохімічні стадії, які, хоча і можуть проводитися в одному резервуарі, виконуються різними типами мікроорганізмів:

-гідроліз за допомогою бактерій складних вхідних полімерних матеріалів на прості розчинні сполуки, доступні інших мікроорганізмам;

-ацидогенез, тобто перетворення цукрів та амінокислот на вуглекислий газ, водень, аміак і органічні кислоти;

-ацетогенез, тобто перетворення органічних кислот на оцтову кислоту, аміак, водень та вуглекислий газ;

-метаногенез, тобто перетворення археями-метаногенами цих продуктів на метан і вуглекислий газ.

Метанове бродіння ефективніше для перероблення відходів за звичайні аеробні методи. Хоча процес був відомий з середини 20 століття, він отримав значну увагу лише в 21 столітті через збільшення економічної вигоди від нього за рахунок отримання палива.

Перевагами анаеробного методу очищення стічних вод є низька енергозатратність (енергоспоживання процесів анаеробного очищення становить 10 % від енергоспоживання аеробного очищення), високі навантаження, одержання метану як енергоносія, утворення невеликої кількості надлишкового мулу, невеликі площі для споруд, можливість застосування модулів доочищення, а вартість анаеробного очищення становить суму в 13 разів меншу, ніж аеробного.

Бродіння

Питання для самоконтролю

1. Що таке «тління»?

2. Що таке «бродіння»?

3. Які мікроорганізми зумовлюють спиртове бродіння?

4. За яких умов розвивається оцтове бродіння?

5. Які мікроорганізми забезпечують маслянокисле бродіння?

6. Що є продуктом молочнокислого бродіння?

7. Як використовується бродіння клітковини?

8. Що є продуктом лимоннокислого бродіння?

9. З якою метою використовується пропіоновокисле бродіння?

10. З якою метою використовується метанове бродіння?

Попередня тема

На початок

Наступна тема