Маслянокислые бактерии как продуценты кислот

PAGE 

PAGE 

Федеральное Государственное Образовательное Учреждение

Высшего Профессионального Образования

«Астраханский Государственный Технический Университет»

Кафедра Прикладной биологии и микробиологии

Курсовая работа

на тему: «Маслянокислые бактерии как продуценты кислот»

Астрахань 2007

Содержание

Введение

1. Особенности маслянокислого брожения

1.1. Механизм маслянокислого брожения

1.2. Бактерии, участвующие в маслянокислом брожении

1.3. Распространение маслянокислых бактерий

2. Объекты и методы исследования

3. Результаты исследования

Выводы

Список литературы

Введение

Маслянокислое брожение представляет собой процесс анаэробного разложения углеводов, пептонов, белков, жиров с образованием различных кислот, в том числе и масляной. Маслянокислые бактерии, осуществляющие данный процесс, играют главную роль в порче различных пищевых продуктов (сыра, сливочного масла, вина, уксуса). Основная роль масляной кислоты - это ее использование в промышленности с целью получения ацетона и бутанола при ацетонобутиловом брожении. Маслянокислое брожение используют также для получения масляной кислоты из крахмала. Масляную кислоту применяют в парфюмерии, она используется при мочке льна (Алешукина,2003).

Развиваясь в питательном субстрате, микроорганизмы вызывают сложные изменения органических веществ, в первую очередь углеводов. Превращения углеводов и некоторых других органических веществ в новые соединения посредством микроорганизмов называются брожениями (Родина,1963).

Целью настоящей работы явилось выделение из почвы маслянокислых бактерий - продуцентов масляной кислоты.

В задачи данного исследования входило:

1. Выделение маслянокислых бактерий садовой городской почвы г. Астрахани и изучение их морфологических свойств.

2. Выделение маслянокислых бактерий из модельной экосистемы и сравнение микробиологического состава садовой почвы, и почвы, изъятой из модельной системы при моделировании подтопления территорий в связи с поднятием уровня Каспийского моря.

1. Особенности маслянокислого брожения

1.1 Механизм маслянокислого брожения

Маслянокислое брожение представляет собой вариант решения донор - акцепторной проблемы на базе гликолитически образованного пирувата. Новое в маслянокислом брожении - возникновение реакций конденсации типа С₂+С₂ > С₄, в результате чего образуется С₄- акцепторная кислота. Судьба этой кислоты различна и определяется необходимостью акцептирования водорода с НАД-Н₂, освобождающегося в процессе брожения, а это в свою очередь тесно связано с оттоком водорода на конструктивные процессы. В качестве конечных С₄- продуктов в процессе брожения возникают соединения различной степени восстановления. Характерным С₄- продуктом является масляная кислота. Осуществляют такой тип брожения многие бактерии, относящиеся к роду Clostridium. Типичными представителями клостридиев, осуществляющих маслянокислое брожение, являются C. butyricum и C. pasteurianum. Они сбраживают сахара с образованием масляной и уксусной кислот, СО₂ и Н₂О. Превращение глюкозы до пирувата осуществляется по гликолитическому пути. Следующая реакция- разложение пирувата до ацетил - КоА и СО_2. , сопровождающееся образованием восстановленного ферредоксина (ФД). Реакция катализируется ферментом пируват: ферредоксиноксидоредуктазой и является ключевой в маслянокислом брожении. Особенности реакции - участие в ней белков, содержащих негемовое железо и кислотолабильную серу (FeS-белки).

Обнаруженный у C. pasteurianum рубредоксин имеет окислительно- восстановительный потенциал около -57 мВ и участвует в реакциях одноэлектронного переноса, в основе которого лежит переход железа: Fe²⁺ - Fe³⁺.

Клостридии содержат ферредоксины с 1-2 центрами Fe₄S₄ типа и молекулярной массой 6000-7000 Да.

Ферредоксины играют центральную роль в метаболизме клостридий, сопрягая катаболические процессы с биосинтетическими реакциями. Объясняется это тем, что у клостридий (как и других анаэробов) физиологические реакции в клетке всегда протекают при отрицательных окислительно-восстановительных потенциалах. В этих условиях белки, имеющие общий отрицательный окислительно-восстановительный потенциал, особенно пригодны для функционирования в составе ферментов и в качестве переносчиков электронов.

Дальнейшее превращение заключается в отщеплении от молекулы 3- оксибутирил-КоА молекулы воды, что приводит к образованию соединения с двойной углеродной связью. Кротонил-КоА ферментативно восстанавливается в бутирил-КоА. Масляная кислота образуется в реакции переноса кофермента А с молекулы бутирил-КоА на ацетат. Эта реакция более «выгодна» для клетки, так как не приводит к потере энергии (в отличие от реакции простого гидролиза). Образующийся в реакции ацетил - КоА возвращается в метаболический поток и может быть использован для синтеза АТФ или же вновь участвовать в последовательности реакций, ведущих к синтезу масляной кислоты.

Особо важное значение приобретает превращение ацетил - КоА, ведущее к синтезу ацетата, поскольку именно с этим путем связано дополнительное получение клостридиями энергии в процессе маслянокислого брожения. Процесс включает несколько ферментативных реакций. Сначала имеет место окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, катализируемое пируват ферредоксиноксиредуктазой. Далее с помощью гидрогеназы происходит выделение молекулярного водорода с восстановленного ферредоксина.

Гидрогеназы - одна из групп FeS- содержащих ферментов, катализирующих реакции поглощения и выделения молекулярного водорода, обнаружены у разных групп эубактерий облигатных анаэробов и аэробов, факультативных форм, у хемо - и фототрофных организмов. Различаются строением молекулы, природой доноров и акцепторов электронов, с которыми взаимодействуют, локализацией в клетке, выполняемыми функциями. Но все гидрогеназы катализируют реакцию Н₂ > 2Н⁺ +2е^-.

Гидрогеназа C. pasteurianum, один из наиболее детально изученных ферментов, - белок с молекулярной массой примерно 60 000 Да, представленный одной субъединицей. В молекуле содержатся три центра типа Fe₄S₄. Донором (акцептором) электронов клостридиальной гидрогеназы служит ферредоксин.

При разрушении клеток C. pasteurianum гидрогеназная активность проявляется только в растворимой фракции: в периплазматическом пространстве и цитоплазме. Гидрогеназа, локализованная в периплазматическом пространстве, катализирует необратимую реакцию поглощения Н_2. Находящаяся в цитоплазме гидрогеназа способна катализировать реакции как поглощения, так и выделения Н₂. У клостридий она входит в состав ферментного комплекса, осуществляющего окислительное декарбоксилирование пирувата.

Основная функция гидрогеназ клостридий (и других облигатных аэробов) заключается в избавлении от избытка образующихся в катаболических реакциях восстановительных эквивалентов (электронов), которые в переносятся на Н⁺ и удаляются из клетки в виде молекулярного водорода.

Гидрогеназы других эубактерий могут иметь более сложное строение: состоять из нескольких неидентичных субъединиц, содержать помимо FeS -центров флавины и в качестве простетических групп. Помимо ферредоксинов гидрогеназы разных организмов могут взаимодействовать с довольно широким набором переносчиков электронов: цитохромами с, НАД (Ф), хинонами и др.

В то время как поглощение Hа происходит только с участием гидрогеназ, выделение молекулярного водорода у эубактерий, способных к фиксации N2, наряду с гидрогеназой может катализироваться и нитрогеназой. Согласно одной из точек зрения, гидрогеназы возникли в результате усложнения структуры ферредоксинов.

Ацетил-КоА превращается в ацетилфосфат, а затем в ацетат, при этом синтезируется молекула АТФ. Две последние реакции аналогичны тем, которые происходят при образовании уксусной кислоты в пропионовокислом брожении.

Основным источником выделяемых при брожении газообразных продуктов (СО₂ и Н₂) служит реакция окислительного декарбоксилирования пирувата. У клостридиев описаны и другие пути образования молекулярного водорода. В частности, НАД - Н₂, возникающий на гликолитическом пути, может восстанавливать ферредоксин в реакции, катализируемой НАД-Н₂:ферредоксиноксидоредуктазой, а с восстановленного ферредоксина Н₂ выделяется при участии гидрогеназы. Как видно, природа нашла различные пути для избавления от избытка восстановительных эквивалентов и для регенерирования и последующего возвращения в клеточный метаболизм промежуточных переносчиков водорода.

Выделение уравнения маслянокислого брожения и определение его энергетического выхода затруднительно из-за лабильности процесса, состоящего из двух основных ответвлений одного - окислительного, ведущего к образованию ацетата и АТФ, другого - восстановительного, функция которого - акцептирование водорода, образовавшегося в процессе гликолиза. Количественное соотношение между обоими ответвлениями зависит от многих внешних факторов (состав среды, стадия роста и др.).

Некоторые клостридии (C. acetobutyricum, C. bejerinckii, C. cellobioparum и др.) при сбраживании сахаров наряду с кислотами накапливают в среде нейтральные продукты (бутиловый, изопропиловый, этиловый спирты, ацетон). Особенно много нейтральных продуктов образуется культурой C. acetobutyricum, что дало основание в свое время выделить как вариант маслянокислого брожения ацетонобутиловое брожение. У клостридий, осуществляющих ацетонобутиловое брожение, образование масляной кислоты происходит на первом этапе брожения. По мере подкисления среды (до рН ниже 5) и повышения в ней концентрации жирных кислот индуцируется синтез ферментов, приводящих к накоплению нейтральных продуктов, в первую очередь н- бутанола и ацетона.

Физиологический смысл дополнительных ферментативных этапов у C. acetobutyricum, ведущих к накоплению в среде н-бутанола, этанола и ацетона, заключается в образовании конечных продуктов нейтрального характера.

Первоначально нейтральный рН среды вследствие накопления масляной и уксусной кислот быстро падает. Некоторые клостридии выработали механизм борьбы с нарастающей кислотностью, который начинает функционировать при низком рН среды и приводит к появлению перечисленных выше нейтральных продуктов. Одновременно происходит понижение общей кислотности среды, что также свидетельствует об активном противодействии этих бактерий неблагоприятным условиям.

Изучение физиологии группы клостридий, осуществляющих ацетонобутиловое брожение, привело к открытию В.Н. Шапошниковым (1884-1968) явления двухфазности этого процесса, которое позднее было обнаружено в большинстве типов брожений, характеризующихся сложным набором конечных продуктов. В основе явления двухфазности лежит тесная связь между конструктивными и энергетическими процессами. Вначале, когда имеет место активный рост культуры, сопровождающийся интенсивными биосинтетическими процессами, происходит значительный отток образующегося при брожении восстановителя для конструктивных целей. Это сопровождается преобладающим синтезом более окисленных конечных продуктов брожения (1 фаза). При затухании роста и переходе культуры в стационарное состояние уменьшается потребность в восстановителе для конструктивных целей. Последнее приводит к большему его использованию в энергетических процессах и, следовательно, к образованию более восстановленных конечных продуктов брожения (2 фаза). Таким образом, масштабы конструктивного метаболизма определяют характер и направление энергетических процессов. Метаболизирование части ацетоацетил-КоА через ацетоуксусную кислоту в ацетон приводит к определенной потере потенциальных акцепторов водорода, которые могли бы на пути к образованию масляной кислоты или н- бутанола присоединить соответствующее количество водорода с НАД-Н₂.Однако этот путь является более коротким путем образования нейтральных продуктов, что, вероятно, для бактерий в определенных условиях выгодно. Кроме того, попыткой как- то компенсировать этот недостаток можно объяснить возникновение у некоторых видов клостридиев способности ферментативно восстанавливать ацетон ив изопропанол с использованием водорода с НАД-Н₂ (Гусев, Минеева,2001).

1.2 Бактерии, участвующие в маслянокислом брожении

К клостридиям относят большое количество видов бактерий, число которых постоянно возрастает. Это один из самых крупных родов среди эубактерий. Принадлежность к роду определяется на основании только трех признаков:1)способности образовывать эндоспоры 2) облигатно анаэробного характера энергетического метаболизма 3) неспособности осуществлять диссимиляционное восстановление сульфата. Отсюда понятно, что эта группа эубактерий чрезвычайно гетерогенна, о чем, в частности, свидетельствует интервал значений ГЦ - оснований ДНК, молярное содержание которых с учетом описанных новых видов занимает область от 21 до 57%.

Из этого также можно сделать вывод, что организмы, объединенные в род Clostridium, нельзя рассматривать как эволюционно однотипные. Последующая характеристика их метаболических особенностей дает достаточно четкое представление об этом. Изучение эубактерий, относимых к клостридиям, наоборот, указывает на раннее расхождение видов рода в процессе эволюции. За исключением C. coccoides, вегетативные клетки бактерий из рода Clostridium имеют форму прямых или слегка изогнутых палочек с закругленными концами. Большинство видов грамположительные, подвижные. Движение осуществляется с помощью перитрихиально расположенных жгутиков. По мере старения в процессе цикла развития клетки теряют подвижность, накапливают гранулезу (запасное вещество типа крахмала) и переходят к спорообразованию. Образующиеся споры овальной или сферической формы. Диаметр их, как правило, превышает диаметр вегетативной клетки, поэтому, если, формирующаяся спора расположена в центре клетки, последние меняют форму, становясь веретеновидными; если же споры образуются у одного из клеточных концов, клетки приобретают форму барабанных палочек.

Клостридии - облигатные анаэробы. Однако спектр их чувствительности к молекулярному кислороду достаточно широк, что связано с обнаружением в клетках большинства клостридиев супероксиддисмутазы и с другими приспособлениями на уровне клеточных популяций, помогающими нейтрализовать токсические эффекты О₂ и его производных. Именно при работе с клостридиями Л. Пастер в 1961г. открыл форму жизни без кислорода (Емцев, Мишустин, 2006).

В зависимости от вида сбраживаемого субстрата выделяют несколько физиологических групп клостридиев: сахаролитические клостридии, использующие в качестве субстратов брожения вещества углеводной природы (моносахара, крахмал, клетчатка); протеолитические клостридии, субстратами брожения которых являются белки, пептиды, аминокислоты пуринолитические клостридии, специфически приспособленные к сбраживанию гетероциклических соединений (пурины и пиримидины). Среди них есть виды, обладающие довольно широкими возможностями (субстратами брожения служат как углеводы, так и белки), и узкоспециализированные виды, способные использовать в качестве источника энергии и углерода какое-либо или очень небольшое число соединений.

Субстратом брожения сахаролитических клостридий является такие моносахара, как глюкоза, фруктоза, ксилоза и др. Некоторые виды могут использовать крахмал, целлюлозу, пектин, хитин, предварительно гидролизуемые соответствующими экзоферментами. Типичными представителями сахаролитических клостридий, осуществляющих классическое маслянокислое брожение, являются C. butyricum и C. pasteurianum.

Таблица 1. Основные продукты брожения некоторых сахаролитических клостридий, не образующих масляной кислоты.

Организм	Основные продукты брожения
C. sphenoides , C. glycolicum	этанол, уксусная кислота, СО2, Н2
C. cellobioparum
	этанол, уксусная, муравьиная, молочная кислоты; СО2, Н2
	C. clostridioforme
этанол, муравьиная, уксусная, молочная кислоты; СО2, Н2
C. oroticum	этанол; уксусная, молочная, муравьиная кислоты; СО2
	C. coccoides
янтарная, уксусная кислоты
C durum	этанол, пропанол; муравьиная, уксусная, молочная кислоты
	C nexile
этанол; муравьиная, уксусная, молочная, янтарная кислоты; Н2
С. quercicolum	уксусная, пропионовая кислоты, Н2
	C. ramosum
муравьиная, уксусная, молочная, янтарная кислоты
C. aceticum, C. thermaceticum, C. formicaceticum, C. spiroforme	уксусная кислота

К протеолитическим относятся клостридии, имеющие активные протеолитические ферменты и поэтому способные использовать в качестве субстратов белки и пептиды, гидролизуя их до аминокислот и подвергая затем последние сбраживанию. В эту группу входят C. putrificum, C. histoliticum, C. sporogenes и другие сапрофитные виды. Близки к этим видам и некоторые патогенные формы: C. botulinum - продуцент ботулина - экзотоксина, являющегося одним из самых сильных биологических ядов; C. tetani - столбнячная палочка, образующая в организме человека столбнячный токсин. К протеолитическим клостридиям примыкают виды, использующие в качестве источника углерода и энергии ограниченное число свободных аминокислот. Например, C. cochlearium растет только на среде с глутаминовой кислотой, глутамином и гистидином; C. sticklandii может сбраживать лизин, аргинин, фенилаланин, серин, а C. propionicum - треонин, аланин, серин, цистеин.

С жизнедеятельностью клостридий связаны различные процессы, протекающие в природе: разложение (гниение) азотсодержащих соединений (белков, нуклеиновых кислот) в анаэробных условиях; анаэробное разложение растительных материалов, таких как клетчатка, хитин. Некоторые сахаролитические клостридии могут использовать в качестве субстрата брожения пектиновые вещества, составляющие покровы растительных клеток. Пектин -- полимер метил-D-галактуроновой кислоты. Последняя имеет сложное строение и при воздействии на нее пектиновыми ферментами гидролизуется на ряд сахаров, кислот и метиловый спирт. Клостридии, принадлежащие к виду C felsineum, содержат активную пектиназу и могут, поэтому получать энергию, осуществляя маслянокислое брожение пектиновых веществ. Этот вид играет важную роль в процессе мацерации волокон при мочке льна.

Еще в конце прошлого века было обнаружено, что некоторые клостридии патогенны, т. е. вызывают заболевания человека и животных. В основе патогенности клостридиев лежит их способность синтезировать и выделять из клетки высокоэффективные токсины.

К возбудителям маслянокислого брожения относится в первую очередь вид Clostridium saccharobutyricum (Granulobacter saccharobutyricum). Клетки его цилиндрической формы, длиной от 4-5 до 7-12 мкм и толщиной от 0,5 до 1-1,5мкм, подвижные, спорообразующие. Перед образованием спор в них накапливается гранулеза. Спора появляется чаще в центре клетки, последняя возле споры расширяется (клостридий). Иногда спора располагается на конце клетки, форма которой приобретает вид ракетки (плектридий). Споры довольно устойчивые, они могут выносить непродолжительное кипячение в течение 1-2 мин.

Clostridium saccharobutyricum - облигатный анаэроб, с оптимальной температурой развития 30-40^оС, сбраживает многие углеводы и близкие к ним соединения с обильным выделением водорода и углекислоты при одновременном накоплении масляной кислоты. Последняя этими бактериями не потребляется. С.Н. Виноградским описан возбудитель маслянокислого брожения Clostridium pasteurianum, способный усваивать атмосферный азот. По многим признакам он сходен с предыдущим видом, но отличается от него биохимическими особенностям - он не сбраживает крахмал. К маслянокислым бактериям относится также вид Clostridium butyricum и некоторые другие представители. По отношению к источникам азота Маслянокислые бактерии весьма неприхотливы: они усваивают белковый, аминокислотный и аммонийный азот, а некоторые используют азот воздуха.

Маслянокислые бактерии являются также возбудителями ацетонобутилового брожения, анаэробного брожения клетчатки и брожения пектиновых веществ.

Ацетонобутиловое брожение представляет собой превращения углеводов бактериями с образованием ацетона и бутилового спирта. При этом брожении, кроме ацетона и бутилового спирта, вырабатываются также масляная и уксусная кислоты, водород и углекислый газ. Суммарно данное брожение можно выразить следующим уравнением:

12 С₆Н₁₂О₆ > СН₃СН₂СН₂СН₂ОН + 4СН₃СОСН₃ + СН₃СН₂ОН + СН₃СН₂СН₂СООН + 18Н₂ + 28СО₂ + 2Н₂О + Х кДж

Механизм ацетонобутилового брожения

Химизм ацетонобутилового брожения еще недостаточно выяснен. В последнее время для изучения его используют метод меченых атомов. В бродящую среду вводят промежуточные продукты брожения (уксусную, ацетоуксусную и масляную кислоты), содержащие углерод С¹³, а затем определяют наличие этого углерода в конечных продуктах. Этим способом установлено, что при добавлении уксусной кислоты с С₁₃ около 50% всего меченого углерода содержится в бутиловом спирте, около 15%- в ацетоне, до 18% - углекислом газе. При добавлении масляной кислоты, содержащей С₁₃, около 85% меченого углерода переходит в бутиловый спирт. Он найден также в этиловом спирте, в уксусной и масляной кислотах. Исходя из этих данных, считают, что образование бутилового спирта идет главным образом через масляную кислоту. Кроме того, полагают, что ацетон образуется через масляную кислоту.

В химизме ацетонобутилового брожения имеется много общего с маслянокислым, а частности, первые стадии до образования ацетольдоля протекают подобно маслянокислому брожению. Далее между двумя молекулами ацетальдоля протекает окислительно - восстановительная: оксимасляная кислота и оксибутиловый спирт по следующему уравнению: реакция, в результате которой образуются два соединения: ? - оксимасляная кислота и ? - оксибутиловый спирт по следующему уравнению:

2СН₃СНОСН₂СНО + Н₂О > СН₃СНОНСН₂СООН + СН₃СНОНСН₂СН₂ОН

? - Оксимасляная кислота далее отщепляет водород и переходит в ацетоуксусную кислоту, которая затем распадается на ацетон и углекислый газ:

СН₃СНОНСН₂СООН > СН₃СОСН₂СООН > СН₃СОСН₃ + СО_в -

оксибутиловый спирт подвергается восстановлению до n - бутилового спирта согласно уравнению:

CН₃СНОНСН₂СН₂ОН + Н₂ > СН₃СН₂СН₂СН₂ОН + Н₂О

Часть уксусного альдегида, по-видимому, также вовлекается в окислительно-восстановительную реакцию с образованием уксусной кислоты и этилового спирта:

СН₃СНО + СН₃СНО + Н₂О >СН₃СООН + СН₃СН₂ОН

В ацетонобутиловом брожении наблюдаются две фазы: первая - кислотная, во время которой усиленно размножаются бактерии, а в среде накапливаются масляная и уксусная кислоты, и вторая - ацетонобутиловая, в ней уменьшается кислотность и происходит усиленное накопление ацетона, бутилового и этилового спиртов. В зависимости от условий брожения, т. е. подавляя какую - либо фазу брожения, можно получить усиленное накопление тех или иных продуктов. Следовательно, ацетонобутиловое брожение отличается от маслянокислого: при маслянокислом брожении накапливающиеся кислоты постепенно замедляют процесс кислотообразования и даже останавливают его, а при ацетонобутиловом - образовавшиеся кислоты потребляются бактериями и превращаются в другие вещества.

Первый возбудитель ацетонобутилового брожения выделен в 1911 г. Бейеринком. Он получил название Granulobacter butyricum. Более активным возбудителем этого брожения явился вид Clostridium acetobutyricum. Клетки его по морфологическим признакам сходны с маслянокислыми бактериями. Это подвижные, грамположительные, палочки со спорами, развивающиеся в анаэробных условиях. Спорообразование - клостридиальное. В клетках накапливается гранулеза. По биохимическим свойствам данный вид сильно отличается от маслянокислых бактерий. Начиная с 1923 г. ацетонобутиловые бактерии используются в промышленных масштабах для получения ацетона и бутилового спирта из крахмалистого сырья и мелассы.

Среди возбудителей маслянокислого брожения встречаются такие культуры, которые способны вызывать брожение клетчатки. Способность анаэробных микроорганизмов разрушать клетчатку впервые была установлена в 1875г. Л. Поповым, а сущность этого процесса раскрыта в 1889- 1902 гг. В. Л. Омелянским, который выделил две разновидности целлюлозоразрушающих бактерий. Одна из них вызывает водородное брожение клетчатки Bac. cellulosae hydrogenicus ,а вторая - метановое Bac. cellulosae metanicus. У этих бактерий морфологических различий почти не наблюдается. Молодые формы - необычайно тонкие, прямые, иногда слегка изогнутые палочки, толщиной от 0,3 до 0,5 мкм и длиной от 4 до 8 мкм. По мере развития палочки удлиняются и достигают 10-15 мкм, затем на их конце их образуются споры. При этом клетки приобретают форму барабанной палочки. Со временем спора в виде круглого тельца освобождается от клетки. Одним из существенных морфологических различий между водородными и метановыми бактериями является разная способность к спор к прорастанию. Споры возбудителя метанового брожения прорастают намного быстрее спор водородного брожения.

Химизм этого брожения сложен, так как целлюлозоразлагающие бактерии сначала переводят углеводы в растворимые сахара, которые затем частично сбраживают главным образом до масляной и уксусной кислот. Из других продуктов эти бактерии продуцируют спирт, муравьиную и молочную кислоты, а также выделяют газы - водород или метан (в зависимости от культуры) и углекислый газ.

При водородном брожении газообразные вещества - водород и углекислота - составляют примерно 1/3 массы разложившейся клетчатки. При метановом брожении газообразных веществ (метана, углекислоты) получается больше, они составляют примерно половину массы разложившейся клетчатки.

Возбудители водородного и метанового брожения наряду с клетчаткой способны сбраживать соли масляной, молочной, муравьиной и других кислот, накапливающиеся при брожении клетчатки. В результате такого процесса в анаэробных условиях достигается полная минерализация клетчатки - наиболее сложного и устойчивого полисахарида. В последнее время установлено, что возбудители маслянокислого брожения клетчатки являются активными продуцентами витамина В₁₂. Это свойство их используется для промышленного получения кормового витамина В₁₂.

Пектиновые вещества входят в состав тканей растений. Являясь составной частью клеточной оболочки, они как бы склеивают клетки между собой, образуя межклеточные пластинки. Они находятся в значительном количестве в некоторых органах растений, например, в листьях, в мякоти плодов, ягод, корнеплодов, в кожице цитрусовых и во многих других.

Пектиновые вещества в природе минерализуются микроорганизмами, обладающими ферментами протопектиназой (пектазой) и полигалактуроновой (пектиназой). Фермент протопектиназа расщепляет в пектине связи между метоксилированной полигалактуроновой кислотой и связанным с ней арабаном. Освободившаяся при этом метоксилированная полигалактуроновая кислота (растворимый пектин) под действием пектинэстеразы гидролизуется с образованием метилового спирта и полигалактуроновой кислоты.

Полигалактуроновая кислота подвергается также действию другого фермента - полигалактуроназы микроорганизмов (бактерий и плесневых грибов). Этот фермент гидролизует гликозидные связи между остатками галактуроновой кислоты, не содержащими метоксильных групп. Галактуроновые кислоты наряду с другими соединениями гидролизуются и используются микроорганизмами в качестве источника углерода. В результате гидролиза пектина образуются продукты: галактуроновая кислота, галактоза, арабиноза, ксилоза, уксусная кислота и метиловый спирт. Некоторые из них - моносахариды - используются этими же пектинразлагающими микроорганизмами, так арабиноза сбраживается ими до масляной кислоты и углекислоты, а из галактозы наряду с масляной и угольной кислотами выделяется водород (Емцев, Мишустин, 2006).

Среди пектинразлагающих микроорганизмов известны бактерии вида Clostridium pectinovorum, которые вызывают маслянокислое брожение пектиновых веществ (описаны Бейеринком в 1902 г.). Они представляют собой сравнительно крупные, подвижные, грамположительные палочки длиной 10-15 мкм и шириной 0,8 мкм. В клетках образуются споры, которые располагаются на утолщенных концах. Относятся эти бактерии к облигатным анаэробам. При сбраживании пектиновых веществ они накапливают масляную и уксусную кислоты, водород и углекислый газ. При соответствующих условиях брожения могут вырабатывать, кроме основных продуктов брожения, бутиловый спирт и ацетон.

Возбудителем пектинового брожения является также Clostridium felsineum. Микроорганизм выделен итальянским исследователем Карбонэ в 1916 г. из стеблей конопли. По форме клеток - споровая палочка одиночная или соединенная в короткие цепочки размерами 3/ 5 * 0,3 мкм. Споры располагаются на конце (барабанная палочка), но иногда бывают и в центре клетки. Культура обладает сравнительно высоким температурным оптимумом. Она сбраживает пектиновые вещества с образованием преимущественно уксусной кислоты и совершенно не продуцирует масляной.

Кроме описанных представителей, известны еще и некоторые другие, которые, разлагая пектиновые вещества, сбраживают продукты гидролиза (арабинозу, галактозу и др.) по типу маслянокислого или ацетонобутилового брожения.

Брожение пектиновых веществ нашло применение в хозяйственно-технической деятельности человека, в частности, для получения прядильных волокон из льна, конопли и других волокнистых растений путем мочки их в естественных водоемах.

Для ускорения и улучшения процесса освобождения волокон мочку сырья производят в бассейнах. При этом способе применяют специально выращенные культуры бактерий. Процесс ведут при температуре 26-28^оС в течение 5 суток вместо 1,5-2 недель в естественных водоемах.

Анаэробные бактерии рода Clostridium были открыты Л. Пастером в 1861 г. Ученый обнаружил, что некоторые представители данного рода сбраживают углеводы с образованием масляной кислоты. Сейчас среди представителей Clostridium насчитывается более 80 видов бактерий. Они имеют палочковидные клетки, обычно подвижны, передвигаются при помощи перитрихальных жгутиков. У видов рода образуются споры, имеющие овальную или сферическую форму; они терморезистентны. Как правило, споры раздувают клетку. Грамположительные. Облигатные анаэробы (Богданов и др., 1968).

Род включает психрофильные, мезофильные и термофильные виды. Температурный оптимум для роста большинства мезофильных видов лежит в диапазоне 30-40^оС. Для термофильных видов температурный оптимум составляет 60-75^оС. Оптимальная реакция среды для клостридий - нейтральная или слабощелочная. Хемоорганогетеротрофы. Клостридии сбраживают сахара, многоатомные спирты, аминокислоты, пурины и пиримидины, другие органические соединения. Ряд видов способен к фиксации молекулярного азота атмосферы. Места обитания клостридий - почва, водоемы, а также пищеварительный тракт человека и животных.

Все виды рода объединены в группы в зависимости от способности сбраживать те или иные органические соединения.

Первая группа - сахаролитические виды Clostridium, сбраживающие главным образом растворимые углеводы, крахмал или пектин с образованием бутирата, ацетата, СО₂ и Н₂. Брожение при участии некоторых микроорганизмов группы приводит к образованию из сахаров дополнительных нейтральных соединений (бутанола, пропанола, ацетона, небольших количеств этанола). В группу входят бактерии, вызывающие маслянокислое и ацетонобутиловое брожения: C.butyricum, C. pasteurianum, C. tyrobutyricum, C. butylicum, C acetobutyricum и др. Возможно, к ней можно отнести и ряд видов - высокоспециализированных агентов анаэробного разрушения целлюлозы, причем главные конечные продукты брожения - этанол, ацетат и сукцинат, СО₂ и Н₂.

Вторая группа - протеолитические виды, сбраживающие аминокислоты. Обладают сильными протеолитическими свойствами и способны к интенсивному гидролизу белков с последующим сбраживанием аминокислот. Рост микроорганизмов в средах с белком сопровождается образованием аммиака, СО₂, Н₂, жирных кислот, и большого количества летучих соединений с неприятным запахом. К группе относятся виды: C. sporogenes, C. perfringens, C. histoliticum, C. botulinum и др. Многие представители рода Clostridium, сбраживающие аминокислоты, способны также к сбраживанию углеводов.

Третья группа - виды сбраживающие азотсодержащие циклические соединения - пурины и пиримидины. Пурины (гуанин, гипоксантин, ксантин и др.) под влиянием C. acidi- urici, C. cylindrosporum превращаются в аммиак, ацетат и СО₂. C. uracilicum, C. oroticum сбраживают пиримидины, при этом урацил распадается до в- аланина, СО₂ и NН₃, а оротовая кислота- до уксусной кислоты, СО₂ и NН₃.

Четвертая группа включает всего один вид - C. kluyveri, сбраживающий смесь этанола с ацетатом до бутирата и капроновой кислоты, а также небольшого количества водорода.

Получение витамина В₁₂ с помощью пропионовокислых бактерий

В настоящее время для получения витамина В₁₂ используют следующие микроорганизмы Prop. freudenreichii ATCC 6207, Prop. shermanii ATCC 13673, Prop. shermanii BKM-103 и их варианты и мутанты. Наибольший интерес представляют разложение клетчатки.

1.3 Распространение маслянокислых бактерий

Наиболее распространенным углеродным соединением в природе является целлюлоза. Целлюлоза составляет от 15 до 60% массы растений, в хлопке и льне ее содержание достигает 80-95%.

Разложение целлюлозы микроорганизмами является самым большим по масштабам естественным деструкционным процессом, звеном круговорота углерода, обеспечивающего возврат фиксированного в процессе фотосинтеза углерода в атмосферу в виде СО₂.

Глобальная роль микроорганизмов в этом процессе определяется тем, что ни животные, ни растения, как правило, не способны разлагать целлюлозу. Трансформация целлюлозоразрушающих соединений в природе происходит в разных условиях аэрации, температуры, рН среды.

В природе разложение целлюлозы - это сложный, комплексный процесс, происходящий при участии сообщества микроорганизмов, в состав которого входят микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, и микроорганизмы-спутники, использующие продукты распада.

В анаэробных условиях разложение целлюлозы осуществляется анаэробными бактериями рода Clostridium. При этом образуется много органических кислот (уксусная, янтарная, молочная, муравьиная) этиловый спирт, углекислый газ и водород.

В отличие от анаэробного разложения целлюлозы, который осуществляется только бактериями, в аэробных условиях клетчатку разлагают многие микроорганизмы разных систематических групп: бактерии, миксобактерии, актиномицеты, грибы.

В кислых лесных почвах главная роль в превращении целлюлозы принадлежит грибам (р. Trichoderma, р. Aspergillus, р. Penicillium и др., базидиальные грибы).

В почвах под травянистой растительностью, в степных и луговых ландшафтах в разложении целлюлозы помимо грибов участвуют миксобактерии, актиномицеты, вибрионы р.Cellvibrio.

Разложение целлюлозы до глюкозы микробными ферментами протекает в несколько стадий и требует участие сложного ферментного комплекса, включающего не менее четырех ферментов.

В анаэробных условиях глюкоза сбраживается в основном по типу маслянокислого брожения. В аэробных условиях глюкоза окисляется микроорганизмами до оксикислот, а затее до конечных продуктов - углекислого газа и воды.

Этот фермент гидролизует гликозидные связи между остатками галактуроновой кислоты, не содержащими метоксильных групп. Галактуроновые кислоты наряду с другими соединениями гидролизуются и используются микроорганизмами в качестве источника углерода. В результате гидролиза пектина образуются продукты: галактуроновая кислота, галактоза, арабиноза, ксилоза, уксусная кислота и метиловый спирт. Некоторые из них - моносахариды - используются этими же пектинразлагающими микроорганизмами, так арабиноза сбраживается ими до масляной кислоты и углекислоты, а из галактозы наряду с масляной и угольной кислотами выделяется водород (Емцев, Мишустин, 2006).

Получение витамина В₁₂ с помощью пропионовокислых бактерий

В настоящее время для получения витамина В₁₂ используют следующие микроорганизмы Prop. freudenreichii ATCC 6207, Prop. shermanii ATCC 13673, Prop. shermanii BKM-103 и их варианты и мутанты. Наибольший интерес представляют штаммы, способные к самостоятельному синтезу 5,6 ДМБ. Поскольку синтез 5,6 ДМБ лучше происходит при доступе воздуха, осуществляют двустадийный процесс, в котором получают наиболее высокий выход продукта. На 1-й стадии культуру выращивают в анаэробных условиях до полной утилизации сахара. На 2-й стадии включают аэрацию, тем самым создавая условия для синтеза 5,6 ДМБ и превращения этиокобаламина в дезоксикобаламин. Обе стадии осуществляют в двух разных ферментерах или в одном. Анаэробно выросшие клетки можно собрать путем центрифугирования и инкубировать густую суспензию на воздухе и, если нужно, в присутствии 5,6 ДМБ и цианида. Добавление ДМБ производят только во 2-й стадии ферментации (если бактерии не синтезируют его самостоятельно), поскольку в его присутствии образуются полные формы витамина, ингибирующие его синтез. Среда для ферментации обычно содержит глюкозу или инвертированную мелассу (10-100 г/л), небольшие количества солей Fe, Mn и Mg, а также Со (10-100 мг/л), источники азота [(Nl-UhSCU]. В среду добавляют кукурузный экстракт (30-70 г/л), содержащий молочную и пантотеновую кислоты, усиливающие рост бактерий. Пантотеновую кислоту, стимулирующую также синтез витамина, рекомендуют вносить в среду дополнительно. Бактерии культивируют при 30^о, поддерживая рН на уровне 6,5-7,0 путем введения (NH₄)OH. Ферментацию производят в ферментерах на 500 л, содержащих 340 л среды, инокулированных 7 л посевного материала. В первые 80 ч культура растет под небольшим давлением N₂ и слабым перемешиванием (без аэрации), в следующие 88 ч включают аэрацию (2 м³/ч) и перемешивание. Возможны некоторые вариации в культивировании. Витамин В₁₂ сохраняется в клетках бактерий, поэтому проводят его экстракцию:

1) выделение витамина из клеток и превращение его в цианокобаламин;

2) выделение неочищенного продукта (80% чистоты), который можно использовать в животноводстве;

3) дальнейшую очистку до уровня 91-98% (для медицинских целей).

Для экстракции витамина из клеток последние нагревают при 80^о-120^оС в течение 10-30 мин при рН 6,1-8,5. Превращение в CN-кобаламин достигают, обрабатывая горячий раствор или клеточную суспензию цианидом или тиоционатом, часто в присутствии NaNO₂ или хлорамина В. Корриноиды сорбируют на различных носителях: амберлите IRC-50, А1₂О₃, активированном угле и элюируют водными спиртами или водно-фенольными смесями. Из водных растворов корриноиды экстрагируют фенолом или крезолом или смесью этих спиртов с бензином, бутанолом, углеродистым тетрахлоридом или хлороформом.

При упаривании различных растворителей получают осадок или кристаллы витамина, которые растворяют в соответствующем растворителе до нужной концентрации. Выход витамина B₁₂ при использовании пропионовокислых бактерий - 25-40 мг/л. Но есть патентное сообщение (Франция) о достижении невероятно высокого выхода - 216 (Емцев, Мишустин, 2006).

Глава 2

2.1 Объекты и методы исследований

Объектом настоящего исследования является почва, отобранная в парковой зоне в районе АГТУ. Почва рассыпчатая, коричневого цвета, сильно гумусированная, не подвергающаяся антропогенному воздействию.

Для взятия проб почвы использовали стерильную посуду и лопату. Почву отбирали с поверхностного слоя, глубиной не более 2 см. и помещали в полиэтиленовые пакеты. Отбор проб производился в марте 2007 г.

Методы стерилизации. При любой микробиологической работе: при посевах, выделении, пересевах, сохранении чистых культур - используются стерильные среды, стерильная посуда, стерильные инструменты, чтобы предотвратить возможность попадания посторонней микрофлоры.

Стерилизация - один из важных и необходимых приемов в микробиологической технике. Слово «стерилизация» в переводе с латинского (sterilis) означает обеспложивание. В микробиологии под стерилизацией понимают гибель всех живых микроорганизмов. В микробиологической практике стерилизуют питательные среды, посуду, инструменты и другие необходимые материалы, чтобы не допустить развития посторонней микрофлоры.

Посуду перед стерилизацией тщательно моют, сушат и завертывают в бумагу для сохранения стерильности после прогревания.

Каждую пипетку заворачивают отдельно в длинные полоски бумаги, шириной 4-5 см. В концы пипеток, которые предварительно вставляют ватные тампоны. Обмотку начинают с противоположного конца постепенным движением бумаги по спирали и оканчивают у конца с тампоном. Завернутые пипетки для предохранения бумаги от загрязнения и разрывов заворачивают по несколько штук вместе или помещают в специальные металлические или картонные пеналы. Шпатели обертывают по отдельности аналогично пипеткам, используя для обмотки полоски бумаги большей ширины. Чашки Петри заворачивают вместе по 2-4 штуки. Колбы, пробирки и другие сосуды закрывают ватными пробками, а сверху бумажными салфетками.

Стерилизация посуды. Для получения стерильной посуды используется стерилизация сухим жаром. Она производится нагреванием в течение 2 часов при температуре 170^оС в печи Пастера или в электросушильных шкафах (с нагревом до 200^о С).

При отсутствии сушильных шкафов, стерилизация посуды может быть произведена на автоклаве или в духовом шкафу плиты (побурение бумаги показывает достаточность нагрева).

Вся посуда перед стерилизацией должна быть тщательно вымыта, высушена и завернута в бумагу. Баллоны, склянки, трубки, пипетки заворачивают в бумагу поодиночке, и в этой бумаге они сохраняются до момента использования. Чашки Петри могут быть завернуты по 2--3 вместе. Пипетки перед стерилизацией затыкают с широкого конца ватой и заворачивают (закатывают) в узкие, длинные ленты бумаги, начиная с оттянутого кончика.

Пробирки должны быть закрыты ватными пробками. Для заворачивания посуды при стерилизации и сушильном шкафу лучше пользоваться тонкой бумагой (лимонной или папиросной), при стерилизации в автоклаве -- газетной (которая не размокает). Нельзя стерилизовать посуду, закрытую притертыми пробками.

Для получения стерильных игл, петель при производстве посевов, взятии материала из культур для приготовления мазков пользуются стерилизацией прокаливанием на пламени. При этом па пламени (спиртовки, газовой горелки) подвергают кратковременному обжиганию горлышки пробирок, колб, пробки и т. д.

Стерилизация автоклавированием применяется, главным образом, для стерилизации питательных сред. Этот способ основан на прогревании насыщенным паром при давлении выше атмосферного, т. е., при температуре выше 100оС и осуществляется в специальных аппаратах- автоклавах.

Совместное действие высоких температур и пара обеспечивает надежность стерилизации - гибель вегетативных клеток и спор микроорганизмов. Автоклавирование проводят при различных режимах, при дополнительном давлении 50,100,200 кПа (Градова и др., 2001).

Приготовление питательных сред. При составлении питательных сред необходимо учитывать потребность микроорганизмов в элементах питания. По составу среды подразделяют на две группы: естественные и синтетические.

С.Н. Виноградским в практику микробиологии введены элективные (избирательные среды для определенных групп микроорганизмов, обеспечивающие преимущественное развитие одного вида или группы родственных микроорганизмов и менее пригодные или совсем не пригодные для развития других.

Зная физиологические особенности соответствующей группы микробов, можно подобрать такие условия культивирования, при которых будут развиваться лишь представители этой группы. Применяют питательные среды различной консистенции: плотные, жидкие, полужидкие (Теппер и др., 1987).

Для выделения маслянокислых бактерий используется среда Виноградского (г/л):KH₂PO₄- 1,0 г.; MgSO₄ * 7H₂O -0,5 г.; NaCl - 0,5 г.; MnSO₄- 0,01 г.; Fe₂ (SO4)₃*9H₂O- 0,01 г.; CaCO₃- 20г.; KNO₃- 4г.; дистиллированная вода - 1л.

При посеве исследуемой почвы 1 г. растертой стерильным пестиком в ступке почву помещали в пробирку с 10 г. стерильной воды. Затем производили ряд последовательных разведений; 10^-1 - 10^-7 разведения разливали по 1 мл в большие стерильные пробирки методом глубинного посева. В полученную культуральную жидкость заливали жидкую среду Виноградского до ? объема. Пробирки со средами помещают в водяную баню при 80^оС на 10-15 мин., так как при кипячении в культуральной жидкости создаются анаэробные условия. Посевы помещают в термостат при температуре 30-35 ^ос. Инкубация производится в течение 2-3 дней.

При исследовании культуральных признаков обращают внимание на следующие признаки:

1. Изменение цвета среды (изначально среда прозрачная). Цвет меняется от желтого до коричневого.

2. Образование осадка

3. Появление мути.

4. Образование пленки.

Культуру отбирают из середины столбика жидкости и эту каплю помещают на середину предметного стекла, накрывают покровным стеклом и к краю предметного стекла подносят пипетку с раствором Люголя. К другому краю - фильтровальную бумагу, которая засасывает раствор под покровное стекло.

При микроскопировании препарата хорошо видны клетки клостридий с потемневшим содержанием, так как перед спорообразованием в клетках накапливается много гранулезы, которая при взаимодействии с Люголем дает темное окрашивание (Теппер и др., 1987).

Микроскопирование маслянокислых бактерий. Питательную среду из колбы Вюрца или пробирки берут пипеткой, закрыв указательным пальцем верхний конец и погрузив ее в средний слой сброженной жидкости. Слегка приподняв палец, набирают в пипетку жидкость, снова зажимают пальцем верхний конец пипетки и, вынув ее из колбы, наносят каплю на предметное стекло. К накопительной культуре добавляют каплю раствора Люголя и накрывают покровным стеклом, на которое помещают каплю кедрового масла. При микроскопировании препарата обнаруживаются клетки, в которых можно заметить овальные тельца, сильнопреломляющие свет (споры). В тех местах клетки, где содержится гранулеза, возникает сине- фиолетовое окрашивание. Зарисовывают только окрашенные клетки, явно относящиеся к группе маслянокислых бактерий.

При постановке накопительной культуры целлюлозоразлагающих аэробных бактерий используют среду Гетченсона. Слой среды Гетченсона-1 см. Вносят 0,5 -1 г. почвы и на кончике шпателя - мел. Колбу закрывают ватной пробкой, помещают в термостат на 10-14 суток. Бумага становится ослизненной и распадается, конус оседает на дно.

Для получения целлюлозоразрушающих аэробных бактерий используют среду (г/л): КН₂РО₄-0,1; NaCl -0,1; CaCl₂-0,1; TeCL₃-0,1; MgSO₄ *7Н₂О- 0,3; NaNO₃-2,5; агар-агар -2%.

Среду разливают в чашки Петри и на поверхность накладывают фильтровальную бумагу, нарезанную по размеру чашки Петри и предварительно тоже простерилизованную.

Стеклянной палочкой с оттянутым концом на поверхность фильтра раскладывают параллельными рядами комочки почвы на расстоянии 1см. (по трафарету). Засеяны чашки Петри помещают в эксикатор над водой и ставят в термостат при 25-30^оС.

Через 10-14 суток вокруг комочков почвы развиваются комочки целлюлозоразлагающих микроорганизмов в виде желтых, зеленых, оранжевых и коричневых пятен. В местах образования колоний фильтровальная бумага разлагается, ослизняется, становится прозрачной. По морфологии можно дифференцировать колонии плесневых грибов, актиномицетов и бактерий. Принимая общее число высеянных комочков почвы за 100%, можно подсчитать в процентах число комочков почвы, давших колонии целлюлозоразлагающих микроорганизмов. Из зон разрушения клетчатки готовят препарат « раздавленная капля» и описывают выделенные различные целлюлозоразрушающие микроорганизмы.

Микроскопирование целлюлозоразлагающих бактерий. Извлекают пинцетом со дна колбы кусочек разлагающейся бумаги и размазывают на предметном стекле без добавления воды. Мазок сушат обычным способом, фиксируют на пламени горелки и окрашивают фуксином.

Для накопительной культуры анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий используют среду, предложенную Имшенецким: мясопептонный бульон - 500 мл, СаСО₃ - 2 г, фильтровальная бумага-15 г, водопроводная вода- 0,5 л.

Среду разливают высоким слоем в высокую пробирку. На дно опускают нарезанную полосками фильтровальную бумагу. Пробирки закрывают ватными пробками, затем пробирки стерилизуют и засевают комочком почвы или навоза. Инкубируют в течение суток в термостате при 30-35^оС для обнаружения мезофильных бактерий и при 60^оС - для поиска термофильных бактерий.

Через 3-4 суток при 60^оС в пробирках начинается процесс разрушения клетчатки, жидкость пенится, выделяется газ. Полоски фильтровальной бумаги желтеют, ослизняются, постепенно превращаясь в аморфную массу и оседают на дно. При 30-35^оС разрушение клетчатки происходит медленнее. Разрушенные массы клетчатки подвергаются микроскопическому анализу. Готовят фиксированный препарат - окрашивание фуксином (Родина, 1968).