Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1. Морфология бактерий
• 2. Спиртовое брожение
• Список использованной литературы
• Введение
• Микробиология Ї наука о мельчайших, невидимых невооруженным глазом организмах, названных микробами или микроорганизмами. Она изучает закономерности их жизни и развития, а также изменения, вызываемые ими в организме людей, животных, растений и в неживой природе. Развитие микробиологии, как и других научных дисциплин, находится в тесной зависимости от способов производства, запросов практики, общего прогресса науки и техники.
• Целью микробиологии как науки есть изучение систематики, морфологии (формы и строения) и физиологии (жизнедеятельности) микроорганизмов, методов их выделения и распознавания, а также выяснения их значения в природе и возможностей применения в различных сферах деятельности человека.
• Микробиологический контроль на пищевых производствах представляет собой все методы исследования и контроля, связанные с определением степени бактериальной обсеменённости контролируемого объекта, а также методы количественного учёта микрофлоры.

1. Морфология бактерий

Форма бактерий

Подавляющее большинство известных бактерий имеют форму или сферы (шаровидные), или цилиндра (палочковидные), или спирали. Шаровидные бактерии (рис. 1.) бывают одиночными (кокки), соединенными по две клетки (диплококки), по четыре клетки (тетракокки), в длинные цепочки (стрептококки), в пакеты (сарцины), в виде скоплений неправильной формы (стафилококки). Палочковидные бактерии (рис. 1.) различаются по величине отношения длины клетки к ее поперечному размеру. У коротких палочек это отношение так мало, что их трудно отличить от кокков они подразделяются на бактерии (не образующие споры) и бациллы (образующие споры). Бактерии спиралевидной формы характеризуются разным числом витков спириллы имеют от одного до нескольких витков, вибрионы выглядят как изогнутые палочки, их можно рассматривать как неполный виток спирали.

С развитием микроскопической техники и усовершенствованием методов подготовки препаратов открыты другие экзотические формы бактерий. Некоторые бактерии имеют вид сомкнутого или разомкнутого кольца, у некоторых видны клеточные выросты (простеки), число которых колеблется от 1 до 8 и больше, обнаружены бактерии червеобразной формы, похожие на кристаллы, и т.п.

Строение бактериальной клетки

Бактериальная клетка имеет очень сложную гетерогенную и вместе с тем строго упорядоченную структуру. В общих чертах строение бактериальной клетки не отличается от строения клетки высших организмов. Клетка как универсальная единица жизни оказалась настолько совершенной формой организации живой материи, что в процессе эволюции от одноклеточных до высших многоклеточных организмов она сохранила все основные черты своего строения, а, следовательно, и функции.



Рисунок 1. Формы бактерий. Шаровидные: а - микрококки, б - стрептококки, в - диплококки, г - стафилококки, д - сарцины; палочковые: е - бактерии, ж - быциллы, з,и - извитые, к - спириллы.

На рис. 2. представлена схема строения бактериальной клетки известного цитолога В.И. Бирюзовой. Форма бактериальной клетки определяется жесткой (ригидной) клеточной стенкой, которая придает клетке определенную, наследственно закрепленную внешнюю форму. На клеточной стенке бактерий находятся так называемые поверхностные структуры: капсула, жгутики, половые ворсинки, реснички. Под клеточной стенкой расположена цитоплазматическая мембрана (ЦПМ), которая отграничивает цитоплазму клетки. Цитоплазматическая мембрана вместе с цитоплазмой называется протопластом. Все слои, располагающиеся с внешней стороны от цитоплазматической мембраны, называют клеточной оболочкой.

Клеточная стенка.

У прокариот клеточная стенка состоит из пептидогликана, которого нет в эукариотных клетках. В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты подразделяются на две группы: грамположительные и грамотринательные. Такое подразделение основано на различии в способе окраски, предложенном в 1884 г. датским ученым X. Грамом. Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных прокариот резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре.

Рис. 2. Схема строения бактериальной клетки: О - оболочка клетки; ЦМ - цитоплазматическая мембрана; М - митохондрия (мезосома); Ж- жировые включения; ЯВ - ядерная вакуоль; ДНК - нити ДНК; ЭС - эргастоплазматическая система; Р - рибосомы; В - волютин; Г - гликоген

В клеточной стенке грамположительных бактерий содержится 50... 90 % пептидогликана, грамотрицательных бактерий -- 1... 10 % пептидогликана. Кроме пептидогликана в клеточной стенке грамположительных прокариот содержатся уникальные химические соединения -- тейхоевые кислоты. На долю клеточной стенки прокариот приходится от 5 до 50 % сухих веществ клетки.

Клеточная стенка прокариот выполняет разнообразные функции: механически защищает клетку от воздействий окружающей среды, обеспечивает поддержание ее внешней формы, дает возможность клетке существовать в гипотонических растворах. В клеточной стенке расположены каналы, или диффузионные поры, для пассивного транспортирования веществ и ионов в клетку.

Клеточная стенка препятствует проникновению в клетку токсических веществ. На внешней стороне клеточной стенки расположено много макромолекул, контактирующих с окружающей средой: специфические рецепторы для фагов, антигены, макромолекулы, обеспечивающие межклеточные взаимодействия при конъюгации, а также между патогенными бактериями и клетками и тканями высших организмов.

Поверхностные структуры.

У бактерий снаружи клеточной стенки есть капсула (рис. 3.) -- слизистое образование, обволакивающее клетку, сохраняющее связь с клеточной стенкой и имеющее аморфное строение. В зависимости от толщины капсулы бывают микрокапсулы (толщина меньше 0,2 мкм) и макрокапсулы (толщина больше 0,2 мкм). Капсулы защищают клетку от механических повреждений, высыхания, создают дополнительный осмотический барьер, служат препятствием для проникновения фагов. Иногда капсула служит источником запасных питательных веществ. Слизь помогает прикреплению клеток к различным поверхностям. В настоящее время способность некоторых бактерий синтезировать капсулы (своеобразные внеклеточные полимеры) используют на практике в качестве заменителей плазмы крови и для получения синтетических пленок.

Рис 3. Капсулы у бактерий

Многие бактерии неподвижны, если же они способны передвигаться, то это движение обеспечивается жгутиками - структурами, расположенными на поверхности клеток. Число, размеры и расположение жгутиков, как правило, являются признаком, постоянным для Данного вида (рис. 4.), и имеют таксономическое значение. Без жгутиков способны передвигаться только скользящие бактерии и спирохеты. Обычно толщина жгутика составляет 15-20 нм, длина 3-15 мкм. Бактерии со жгутиками могут двигаться очень быстро, например Bac. megaterium со скоростью 16 мм/мин, Vibro cholerae - 12 мм/мин.

Рис. 4. Основные типы расположения жгутиков (а) и типы движения бактерий (б)

При полярном расположении жгутиков они действуют подобно корабельному винту и проталкивают клетку в окружающей жидкой среде. Вращательное движение жгутика происходит за счет базального тела. Жгутики вращаются сравнительно быстро. У спирилл они совершают около 3000 об/мин, что близко к скорости среднего электромотора. Вращение жгутиков вызывает и вращение клетки с 1/3 этой скорости в противоположном направлении.

Перитрихиально расположенные жгутики Е. coli работают как один хорошо скоординированный спиральный пучок и проталкивают клетку через среду обитания (рис. 4.).

Изучение жгутиков в электронном микроскопе показало, что они состоят из трех частей (рис. 5.). Основную массу жгутика составляет длинная спиральная нить (фибрилла), переходящая у поверхности клеточной стенки в утолщенную изогнутую структуру -- крючок. Нить с помощью крючка прикреплена к базальному телу, которое представляет собой систему из двух или четырех колец (L, Р, Sw. M), нанизанных на стержень, являющийся продолжением крючка.

Рис. 5. Структура жгутика

В последнее время достигнуты большие успехи в расшифровке механизма движения прокариот. Прокариотная клетка обладает механизмом, позволяющим превращать электрохимическую энергию непосредственно в механическую. Кроме жгутиков на клеточной стенке прокариотной клетки могут быть половые ворсинки и реснички в виде различной длины выростов (рис. 6).

Рис. 6. Типы волосинок E.coli: F - жгутики, S - половые ворсинки (F-like sexpili), C - реснички.

Цитоплазматическая мембрана.

Под клеточной стенкой расположена цитоплазматическая мембрана, являющаяся обязательным структурным элементом любой клетки, нарушение целостности которого приводит к потере клеткой жизнеспособности. На долю ЦПМ приходится 8... 15 % сухого вещества клетки. ЦПМ -- это белково-липидный комплекс и небольшое количество углеводов.

ЦПМ выполняет разнообразные функции с помощью специальных переносчиков, называемых транслоказами. Через мембрану осуществляется специальный перенос различных органических и неорганических молекул и ионов.

В ЦПМ локализованы многие ферменты. ЦПМ является основным барьером, обеспечивающим избирательное поступление в клетку и выход из нее разнообразных веществ и ионов.

У прокариот описаны локальные впячивания ЦПМ, которые называются мезосомами. Мезосомы различаются размерами, формой и локализацией в клетке. Считается, что с мезосомами связано усиление энергетического метаболизма клеток.

Цитоплазма.

Содержимое клетки, окруженное ЦПМ, называется цитоплазмой. Цитоплазма имеет гомогенную консистенцию и содержит набор растворимых РНК, ферментов, продуктов и субстратов метаболических реакций. В цитоплазме расположены разнообразные структуры: рибосомы, генетический аппарат (ДНК) и включения разной химической природы и функционального назначения.

Рибосомы -- рибонуклеопротеидные частицы размером 15-20 нм. Их число в клетке зависит от интенсивности процесса синтеза белка. В быстрорастущей клетке Escherichia coli содержится приблизительно 15000 рибосом. Синтез белка осуществляется агрегатами, состоящими из рибосом, молекул информационных и транспортных РНК, называемых полирибосомами. Генетический аппарат прокариотной клетки представлен одной молекулой ДНК, имеющей форму ковалентно замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы. Длина молекулы ДНК в развернутом виде может составлять более 1 мм, т.е. почти в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки. Генетический аппарат прокариотной клетки называют нуклеоидом.

В цитоплазме прокариот расположены различные включения, часть которых выполняет функцию запасных питательных веществ, представленных полисахаридами, липидами, полипептидами, полифосфатами, отложениями серы. Полисахариды -- это гликоген, крахмал, гранулеза (крахмалоподобное вещество). Чаще встречаются у представителей анаэробных споровых бактерий группы клостридиев. В неблагоприятных условиях они используются в качестве источников углерода и энергии. Липиды накапливаются в виде гранул, состоящих из полимера в-оксимасляной кислоты. У некоторых прокариот, окисляющих углеводороды, поли-в-оксимасляная кислота составляет до 70 % сухого вещества клетки.

Липиды служат для клетки хорошим источником углерода и энергии. Полифосфаты, также накапливающиеся в виде гранул, называются волютиновыми и используются клетками как источник фосфора. Для бактерий, осуществляющих хемосинтез за счет окисления сероводорода, характерно накопление в клетках молекулярной серы. Все накопленные (запасные) вещества, представленные в виде высокомолекулярных полимерных молекул, отграничены от цитоплазмы белковой мембраной.

Пигменты бактерий

Колонии многих бактерий ярко окрашены. Способность к синтезу пигментов обусловлена генетически. Среди пигментов бактерий встречаются каротиноиды, феназиновые красители, пирролы, азахиноны, антоцианы и др.

Пигменты защищают клетки от светового повреждения и используют свет для фотосинтеза. У многих микроорганизмов образование пигмента идет только на свету. Например, ярко-красная окраска колоний у Serratia marcescens обусловлена присутствием пигмента продигиозина. Бактерии Pseudomonas indigofem, Cotynebacterium insidiosum, Arthrobacter atrocyaneus и др. синтезируют индигоидин -- нерастворимый в воде синий пигмент, выделяемый в среду. Chromobacterium violaceum образует сине-фиолетовый пигмент виолацеин, нерастворимый в воде. Виолацеин является производным индола, образующегося при окислении триптофана. Pseudomonas aeruginosa образует пигмент никс-пиоцианин. Различные штаммы псевдомонад образуют такие пигменты, как Феназин-1-карбоновую кислоту, оксихлорофин, иодинин, а иногда все пигменты вместе.

Все пигменты относятся к вторичным метаболитам, т.е. они не принадлежат к тем соединениям, которые имеются у всех организмов, и являются производными обычных метаболитов или структурных компонентов клетки. Некоторые пигменты обладают антибиотическими свойствами, так что многие пигментированные микроорганизмы являются продуцентами антибиотиков.

Рост и способы размножения бактерий

Рост прокариотной клетки -- это согласованное увеличение количества всех химических компонентов, из которых она построена. Рост является результатом множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регулярным контролем, и приводит к увеличению массы и размеров клетки. Рост клетки не беспределен. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению. Для большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток.

У большинства грамположительных бактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущей от периферии к центру. Поперечная перегородка формируется из ЦПМ и пептидогликанового слоя. Наружные слои синтезируются позднее.

Клетки большинства грамотрицательных бактерий делятся путем перетяжки. Например, у Е. coli на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся и направленное внутрь искривление ЦПМ и клеточной стенки.

Вариантом бинарного деления является почкование, при котором на одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), увеличивающийся в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки и отделяется от нее. Почкующиеся клетки подвергаются старению. При равновеликом бинарном делении материнская клетка дает начало двум дочерним клеткам, а сама исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке и между ними можно обнаружить морфологические различия. Деление прокариотной клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после завершения цикла деления ДНК.

Спорообразование бактерий

Вегетативные клетки многих прокариот для перенесения неблагоприятных условий образуют специальные клетки (эндоспоры), обладающие повышенной устойчивостью. В основе морфологического дифференцирования лежат биохимические процессы, запрограммированные соответствующей генетической информацией. Образование эндоспор происходит у прокариот и грибов.

Эндоспора формируется внутри материнской клетки (спорангия), обладает специфическими структурами: многослойными белковыми покровами, наружной и внутренней мембранами, кортексом (рис. 7.). Эндоспоры устойчивы к повышенным температурам, дозам радиации, которые детальны для вегетативных клеток. К спорообразующим бактериям относится большое число прокариот из 15 родов, среди которых есть палочковидные, сферические, спириллы и нитчатые организмы. Все они имеют клеточную стенку, характерную для грамположительных прокариот. В каждой бактериальной клетке образуется, как правило, одна эндоспора.

Лучше всего процесс спорообразования изучен у представителей родов Bacillus и Clostridium. Перед спорообразованием происходит деление ДНК вегетативной клетки. Образуется тяж вдоль длинной оси клетки, затем приблизительно 1/3 тяжа отделяется и переходит в формирующуюся спору в одном из полюсов клетки. Затем происходит уплотнение цитоплазмы, которая вместе с ДНК обособляется от остального содержимого клеток с помощью перегородки. Перегородка формируется путем впячивания ЦПМ от периферии к центру, где срастается, и образуется споровая оболочка. Отсеченный участок «обрастает» второй мембраной и образуется проспора. На следующем этапе между мембранами проспоры начинает формироваться кортекс, а снаружи синтезируются споровые покровы, состоящие из нескольких слоев.



Рис. 4 а и б -образование септы, в и г -окружение протопласта споры протопластом материнской клетки, д образование кортекса и оболочек споры; е -схема строения зрелой споры: 1 - экзоспориум, 2 - наружная оболочка споры; 3 - внутренняя оболочка споры, 4 - кортекс; 5 -клеточная стенка зародыша, 6 -цитоплазматическая мембрана, 7 -- цитоплазма с ядерным веществом

У многих бактерий поверх покровов эндоспоры формируется еще одна структура -- экзоспориум, структура которого зависит от вида бактерий. У прокариот из рода Clostridium обнаружены придатки на экзоспориуме различного строения, иногда весьма причудливого (рис. 8.). Функциональное значение этих выростов не выяснено.

Эндоспоры прокариот характеризуются очень низким уровнем метаболизма, они очень устойчивы к воздействию факторов внешней среды: высоким и низким температурам, обезвоживанию, литическим факторам, высокой кислотности среды, радиации, механическим воздействиям и т. п. Механизмы устойчивости эндоспор пока мало изучены. Считается, что эндоспорам прокариот придают устойчивость обезвоженное состояние цитоплазмы, термостойкость споровых ферментов, наличие дипиколиновой кислоты и большое количество двухвалентных катионов. Устойчивости эндоспор способствуют также поверхностные структуры: мембраны, кортекс, покровы, механически защищающие содержимое эндоспоры от проникновения извне агрессивных веществ.

Сформировавшиеся покоящиеся эндоспоры могут находиться в жизнеспособном состоянии в течение разного времени: от нескольких суток до 1000 лет и более. Ниже приводится зависимость выживания спор разных групп бактерий от повреждающих факторов (высокой температуры и высушивания).

Таблица 1

При микроскопическом исследовании эндоспоры хорошо видны. В сомнительных случаях можно использовать специальное окрашивание, Для чего фиксированный препарат надо прокипятить с карболовым раствором фуксина. Эндоспоры прочно связывают краситель и не обесцвечиваются даже при обработке этанолом или уксусной кислотой; все остальное содержимое клетки при этом обесцвечивается.

Эндоспора содержит почти все сухое вещество клетки, но занимает в 10 раз меньший объем. Эндоспоры не являются обязательной стадией жизненного цикла бацилл. При благоприятных условиях питания бациллы могут неограниченное время размножаться делением. Образование эндоспор начинается только тогда, когда не хватает питательных веществ и когда в избытке накапливаются продукты обмена.

В благоприятных условиях большинство эндоспор прорастает. Процент прорастания эндоспор можно увеличить, прогрев одни споры в воде при 60 °С в течение 5 мин, другие -- при 100 °С в течение 10 мин. Тепловой шок должен проводиться непосредственно перед высевом.

В пищевой промышленности для уничтожения термоустойчииых эндоспор бактерий прибегают к дорогостоящей стерилизации пищевых продуктов. Например, если при пастеризации (нагревание при 80 °С в течение 10 мин) пищевых продуктов вегетативные клетки спорообразующих бактерий и все остальные бактерии погибают, то термоустойчивые эндоспоры выдерживают значительно более сильное нагревание, а некоторые споры -- даже кипячение в течение нескольких часов.

Классификация бактерий

По мере описания все новых бактерий появилась острая необходимость систематизировать и сравнивать с известными вновь описываемые культуры. В конце XIX - начале XX в. появились определители бактерий, которые помогают классифицировать, идентифицировать вновь выделенные бактерии по определенным признакам. При классификации основной задачей является определение вида бактерий.

Вид -- это группа близких между собой организмов, имеющих одинаковое происхождение и характеризующихся определенным и морфологическими, биохимическими и физиологическими признаками, способствующими приспособлению к определенной среде обитания.

Виды объединяются в роды, роды -- в семейства, затем следуют порядки, классы, отделы, царства. Вид бактерий описывают с помощью признаков: морфологических, культуральных, физиолого-биохимических и др.

Морфологическими признаками являются форма клетки, наличие или отсутствие жгутиков, капсулы, способность к спорообразованию, окрашивание по Граму.

К культуральным признакам относятся общий вид бактериальной колонии, наличие пигмента и др.

Физиолого-биохимическими признаками являются способ получения энергии, потребности в питательных веществах, отношение к факторам внешней среды и др.

Самым современным определителем для идентификации бактерий является «Краткий определитель бактерий Берги», наиболее полно описывающий известные бактерии. В 8-м издании этого определителя все бактерии, за исключением цианобактерий, сгруппированы в 19 частях. Ниже приводитсяих краткая характеристика:

Часть 1. Фототрофные бактерии. В этой части сгруппированы фотосинтезирующие бактерии, характеризующиеся специфическим набором пигментов и особым типом фотосинтеза: пурпурные бактерии и зеленые серобактерии. Пигменты представлены различными видами бактериохлорофилла и каротиноидами. Фотосинтез не сопровождается выделением кислорода. Это преимущественно водные микроорганизмы.

Часть 2. Скользящие бактерии. В состав бактерий этой части отнесены два порядка: миксобактерии (Mixobacteriales) и цитофаги (Cytoppagales). К первому порядку относятся бактерии, образующие слой слизи вокруг клетки. Бактерии подвижны. Миксобактерии образуют так называемые плодовые тела, внутри которых клетки переходят в покоящееся состояние. Ко второму порядку относятся бактерии, по типу движения сходные с миксобактериями, но не образующие плодовых тел. В состав порядка входит четыре семейства преимущественно водных бактерий.

Часть 3. Хламидобактерии. В состав этой части входят нитевидные бактерии, окруженные общим влагалищем, слизистой оболочкой. Влагалище состоит из гетерополисахарида, часто инкрустированного окислами железа или марганца. Встречаются в водоемах и почве.

Часть 4. Почкующиеся и (или) стебельковые бактерии. В состав этой части входят бактерии, образующие придатки (стебельки), состоящие из слизи и не связанные с цитоплазмой клетки, а также бактерии, образующие нитевидные клеточные выросты -- простеки. Бактерии широко распространены в почве и водоемах.

Часть 5. Спирохеты. Эта часть объединяет бактерии, имеющие вид тонких спиралевидных одноклеточных форм. Многие бактерии патогенны, вызывают сифилис, возвратный тиф.

Часть 6. Спиральные и изогнутые бактерии. Клетки бактерий имеют вид изогнутых палочек или спиралевидных форм с несколькими витками. Эти бактерии являются обитателями морских вод, некоторые из них паразиты, есть и патогенные. К этой же части относится Bdellovibrio -- паразит бактерий.

Часть 7. Грамотрицательные аэробные палочки и кокки. В эту часть бактерий входят пять семейств, одно из которых -- Pseudomonas --широко распространено в природе: в воздухе, почве, морских и пресных водах, илах, сточных водах, в пищевых продуктах. В последних бактерии этого семейства вызывают порчу.

Часть 8. Грамотрицательные факультативно-анаэробные палочки. В состав этой части входят два семейства: энтеробактериацеа (Enterobacteriaceae) и вибрионацеа (Vibrionaceae). Энтеробактериацеа представляет собой Грамотрицательные, бесспоровые, аэробные или факультативно-анаэробные палочки. Наиболее изученными представителями этого семейства являются бактерии Escherichia coli, которые всегда содержатся в кишечнике человека и животных, поэтому о загрязнении воды и пищевых продуктов судят по наличию в них Е. coli. E. coli относятся к числу условнопатогенных бактерий. К числу возбудителей тяжелых кишечных заболеваний человека принадлежат бактерии этого семейства из родов сальмонелла (Salmonella) и шигелла (Shigella). Бактерии Salmonella typhi являются возбудителями брюшного тифа. Бактерии рода Shigella -- возбудители бактериальной дизентерии. К семейству вибрионацеа (Vibrionaceae) относятся бактерии вида Vibrio cholerae -- возбудители азиатской холеры.

Часть 9. Грамотрицательные анаэробные бактерии. Бактерии, сгруппированные в этой части, относятся к семейству Bacteroidaceae. Все они представляют собой палочки; это облигатные анаэробы. Основное место обитания этих бактерий -- кишечник человека и животных, пищеварительный тракт насекомых. Некоторые виды являются патогенными и вызывают различные поражения кожи, ряда органов и тканей тела.

Часть 10. Грамположительные кокки и коккобациллы. В этой части представлено одно семейство -- Neisseriaceae. Бактерии этого семейства -- неподвижные палочки или кокки, образующие пары, цепочки или массовые скопления; аэробы. Многие из них ведут паразитический образ жизни, некоторые являются патогенами.

Часть 11. Грамотрицательные анаэробные кокки. Представителями этой части являются шаровидные бактерии, в основном соединенные попарно и образующие цепочки или скопления клеток. Это анаэробы и, как правило, паразиты теплокровных животных: обитают в пищеварительном тракте, ротовой полости и дыхательных путях человека и животных.

Часть 12. Грамотрицательные хемолитотрофные бактерии. К этой части относятся три группы бактерий. Первая группа -- бактерии, получающие энергию за счет окисления восстановленных неорганических соединений азота, серы, железа, марганца. Например, представители семейства Nitrobacteriaceae используют в качестве источника энергии процессы окисления аммонийного азота или нитратов. Представители первой группы -- это облигатные аэробы, палочки, кокки, спириллы; паразитические формы отсутствуют. Обитают в почве, в морях, водоемах. Вторая группа -- бактерии, получающие энергию в результате процессов окисления восстановленных соединений серы. Третья группа -- бактерии, способные откладывать вне клетки окислы железа или марганца, которые накапливаются в капсулах или во внеклеточном материале. Основные места обитания -- железосодержащие воды. Не выделены в чистой культуре.

Часть 13. Метанобразующие бактерии. Эта часть представлена одним семейством -- Methanobacteriaceae. Все бактерии однородны по физиологическим признакам: это облигатные анаэробы; главный продукт энергетического обмена -- метан. Основные места обитания -- болота, различные очистительные сооружения, рубец жвачных животных.

Часть 14. Грамположительные кокки. К этой части относятся две группы. Первая группа -- аэробные и (или) факультативноанаэробные бактерии семейств Micrococcaceae и Streptococcaceae. Вторая группа -- облигатные анаэробы семейств Peptococcaceae. Бактерии семейства Micrococcaceae -- это кокки, делящиеся более чем в одной плоскости, иногда не расходятся, образуя скопления сферической или неправильной формы. Энергию получают за счет дыхания или брожения. В основном это сапрофиты, разрушающие многие сложные органические вещества и выполняющие функцию «мусорщиков». Многие из них являются возбудителями порчи пищевых продуктов. Среди них есть патогенные формы, относящиеся к роду Staphylococcus. Развиваясь на пищевых продуктах, вырабатывают токсины, вызывающие отравления.

Бактерии семейства Streptococcaceae -- это кокки, неподвижные, бесспоровые, факультативно-анаэробные. Бактерии родов Streptococcus, Pediococcus, Aerococcus являются гомоферментативными молочнокислыми; бактерии рода Leuconostoc -- гетероферментативными молочнокислыми.

Бактерии семейства Peptococcaceae -- это облигатно-анаэробные кокки, обитающие в почве, на поверхности злаков, в ротовой полости, желудочно-кишечном тракте, дыхательных путях человека и животных; некоторые виды являются патогенными.

Часть 15. Палочки и кокки, образующие эндоспоры. Эта часть представлена одним семейством -- Bacillaceae, в состав которого входит пять родов. Два из них -- бациллы (Bacillus) и клостридии (Clostridium) -- наиболее многочисленны и представляют наибольший интерес. Бациллы -- это палочковидные бактерии; большинство из них подвижны; образуют эндоспоры; облигатные или факультативные аэробы. Бациллы синтезируют различные литические ферменты, расщепляющие белки, жиры, полисахариды и другие макромолекулы. Некоторые виды образуют антибиотики. Большинство сапрофиты. Основным местом обитания является почва. Многие бациллы являются возбудителями порчи пищевых продуктов. Среди них есть патогенные для человека и животных виды, например Bacillus anthracis -- возбудитель сибирской язвы.

В состав рода Clostridium входят палочки, отличающиеся от бацилл формой спорообразования и облигатно-анаэробным способом существования. Вызывают маслянокислое брожение, большинство клостридий -- сапрофиты, обитатели почвы. Некоторые виды живут в кишечнике человека и животных, например Cl. teteni -- возбудитель столбняка, Cl. perfringens -- возбудитель газовой гангрены, CL botulinum -- продуцент экзотоксина, одного из самых сильных биологических ядов.

Часть 16. Грамположителъные аспорогенные палочковидные бактерии. Эта часть также представлена одним семейством -- Lactobacillaceae, в состав которого входит один род -- Lactobacillus. Бактерии получают энергию за счет гомоферментативного или гетероферментативного молочнокислого брожения, широко распространены в природе: в почве, на разлагающихся остатках животного и растительного происхождения, в кишечнике позвоночных, в молоке, молочных продуктах. Встречаются патогенные формы. Многие бактерии используются при изготовлении кисломолочных продуктов, сыров, квашения овощей, теста и др.

Часть 17. Актиномицеты и родственные организмы. Эта часть объединяет коринебактерии, пропионово-кислые бактерии и актипомицеты.

Коринебактерии -- формы, склонные к морфологической изменчивости. В культуре можно обнаружить короткие палочки, кокковидные формы, клетки, имеющие булавовидные выпячивания, слабоветвящиеся формы. Коринебактерии являются облигатными микробами, есть свободноживущие виды, есть паразиты человека и животных. Встречаются патогенные формы, например Согуп. diphteriae -- возбудитель дифтерии.

Из существующих видов пропионово-кислых бактерий наибольший интерес в микробиологии продовольственных товаров представляет вид Propionibacterium freudenreichii рода Propionibacterium. Бактерии этого рода -- грамположительные неподвижные палочки, не образующие спор. Это облигатные анаэробы. Пропионово-кислые бактерии широко используются при производстве сыров.

К актиномицетам относятся бактерии, образующие ветвящиеся нити, иногда развитый мицелий. Имеют разные способы размножения. Большинство актиномицетов размножаются с помощью спор, образующихся на спорангиях, которые могут быть длинные пли короткие, прямые или спиралевидные с разным числом завитков и расположением. Актиномицеты представлены двумя семействами: Mycobacteriaceae и Streptomycetaccae. Семейство Mycobacteriaceae представлено одним родом -- Mycobacterium, характерным признаком которого является образование ветвящихся форм в молодом возрасте.

Большинство микобактерий являются сапрофитами, живут в почве и используют самые различные органические соединения: белки, углеводы, жиры, воска, парафины. Некоторые виды патогенны, например М. tuberculosis -- возбудитель туберкулеза, М. leprae -- возбудитель проказы.

Представители семейства Streptomycetaceae образуют хорошо развитый воздушный мицелий, размножаются спорами, формирующимися на концах гиф, кусочками мицелия. Их около 500 видов. Многие стрептомицеты синтезируют антибиотики, которые проявляют активность против бактерий, грибов, водорослей, простейших, фагов и обладают противоопухолевым действием.

Часть 18. Риккетсии. В состав этой части входят два порядка бактерий -- риккетсии (Rickettsiales) и хламидии (Chlamydiales).

Риккетсии -- это неподвижные бактерии, грамотрицательньк размножаются только в клетках хозяев, вызывая риккетсиозы. Есть непатогенные виды.

Хламидии -- облигатные внутриклеточные паразиты позвоночных и человека, которые могут размножаться только в цитоплазме клеток. Вызывают у человека ряд заболеваний, например трахому, воспаление дыхательных органов, сыпной тиф, лихорадку.

Часть 19. Микоплазмы. К микоплазмам относятся прокариот у которых отсутствует клеточная стенка, они ограничены одно трехслойной мембраной. Клетки очень мелкие, иногда ультрамикроскопические, плеоморфные. Способ размножения не вполне ясен; по-видимому, происходит за счет образования кокковидных структур «элементарных телец», возможно бипарное деление и размножение почкованием. Стадии покоя неизвестны. По объему генетической информации, содержащейся в геноме, микоплазмы занимают промежуточное положение между Е. coli и Т-фагами.

Микоплазмы находят в почве, в сточных водах, выделены из каменного угля и горячих источников, существуют в ассоциациях с бактериями, низшими грибами, растениями, птицами, животными и человеком. Иногда это комменсализм, но в большинстве случаев -- типичный паразитизм. Многие патогенны, например, М. pneumoniae -- возбудитель острых респираторных заболеваний и пневмоний у человека. У растений описано около 40 болезней, возбудителями которых являются микоплазмы. Есть и сапрофитные микоплазмы, которые участвуют в окислении железа и марганца.

2. Спиртовое брожение

Спиртовое брожение -- это процесс превращения в анаэробных условиях сахара в диоксид углерода и этиловый спирт:

С₆Н₁₂О₆ -» 2СО₂ + 2С₂Н₅ОН

Этиловый спирт -- один из широко распространенных продуктов сбраживания сахаров микроорганизмами. Даже растения и грибы в анаэробных условиях накапливают этиловый спирт.

Химизм спиртового брожения.

Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи, которые выращивают в аэробных условиях, подбирая соответствующие расы, обладающие необходимыми свойствами для данного производства.

Процесс спиртового брожения осуществляется с тем же запасом энергии в форме АТФ и тем же ферментативным путем, что и гликолиз, вплоть до образования пировинограднои кислоты. Превращение пировинограднои кислоты в этиловый спирт происходит в два этапа. Сначала пируват (пировиноградная кислота) декарбоксилируется пируватдекарбоксилазой при участии тиаминпирофосфата до ацетальдегида, а затем ацетальдегид восстанавливается алкогольдегидрогеназой в этанол при участии NADH2.

При этом дрожжи получают энергию для развития биохимических процессов в клетке: глюкоза -» этиловый спирт + СО₂ + 166 кДж/моль.

С энергетической точки зрения брожение -- процесс малоэффективный. Так, если при окислении 1 грамм молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О в процессе аэробного дыхания синтезируется 36 моль АТФ, то в процессе спиртового брожения -- всего 2 моль АТФ.

Дрожжи могут переключать один тип обмена веществ (аэробный) на другой (анаэробный).

Наряду с основными продуктами брожения -- этиловым спиртом и СО₂ -- образуются побочные продукты: глицерин, уксусный альдегид, уксусная кислота, янтарная кислота, а также так называемые сивушные масла. В состав сивушных масел входят пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, амиловый (пентанол) и изоамиловый (триметилбутанол) спирты, представляющие собой продукты нормального бродильного метаболизма дрожжей и обнаруживающиеся при росте дрожжей на любых средах. Пути синтеза этих веществ еще до конца не изучены.

Высшие спирты участвуют в формировании аромата и вкуса напитков спиртового брожения. Дрожжи способны сбраживать помимо глюкозы и пировиноградную кислоту. В качестве промежуточного продукта при сбраживании пировинограднои кислоты образуется ацетальдегид; если к дрожжам, сбраживающим глюкозу, добавить бисульфит, то появится новый продукт -- глицерин, однако при этом снижается выход этилового спирта и СО₂.

Брожение в присутствии бисульфита стали использовать в промышленности при производстве глицерина.

На условия спиртового брожения влияют многие факторы: химический состав сбраживаемой среды, т. е. ее полноценность, концентрация и кислотность среды, содержание спирта, температура, наличие посторонних микроорганизмов.

Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов -- сахарозу и мальтозу. Пентозы сбраживаются только некоторыми дрожжами. Дрожжи не могут сбраживать крахмал, так как они не образуют амилолитических ферментов.

Наиболее благоприятная концентрация сахара в среде для большинства дрожжей составляет 10-15%. При повышении концентрации сахара энергия брожения снижается, а при 30-35% сахара брожение обычно прекращается.

Энергией брожения называется способность определенного количества дрожжей сбраживать за определенный промежуток времени то или иное количество сахара. В природе встречаются дрожжи, способные вызывать брожение сахара даже при концентрации его 50-60% и выше.

Хорошим источником азота для большинства дрожжей являются аммонийные соли, но дрожжи могут использовать также аминокислоты и пептиды.

Брожение обычно протекает в кислой среде при рН 4-5. В щелочной среде в результате брожения образуется глицерин.

Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре около 30 °С; при температуре 45-50 °С брожение прекращается в результате гибели клеток дрожжей. Снижение температуры приводит к замедлению брожения, но полностью оно не прекращается даже при температуре ниже О °С.

Этиловый спирт, образующийся в процессе брожения, неблагоприятно влияет на дрожжи. Накопление дрожжами спирта в концентрации 2-5 % в зависимости от вида и расы дрожжей действует на них уже угнетающе. В большинстве случаев брожение прекращается при накоплении дрожжами 12-14% (объемных) спирта. Выведены селекционерами расы дрожжей, устойчивые к накоплению 16-18 и даже 20 % спирта.

Использование спиртового брожения лежит в основе производства этилового спирта, пива, вина и пекарских дрожжей.

Для получения этилового спирта используют разное сырье трех основных групп: содержащее сахар (сахарная свекла, кормовая патока, или меласса, сахарный тростник, фруктовые соки); содержащее крахмал (картофель, земляная груша, кукуруза, ячмень, овес, рожь, пшеница); содержащее целлюлозу (древесина и сульфитные щелока). Сырье используют в зависимости от хозяйственных возможностей; оно должно быть дешевым и в достаточном количестве.

Крахмалсодержащее сырье разваривают и подвергают осахариванию. Источником амилолитических ферментов служит солодовое молоко, изготовляемое из проросших зерен ячменя, или ферментный препарат из грибов рода Aspergillus.

В солоде кроме амилаз содержатся и протеолитические ферменты, которые вызывают частичное превращение белковых веществ в растворимые азотсодержащие вещества. В результате получается сусло, богатое как сахаристыми веществами, так и другими питательными веществами для дрожжей. Вносят и дополнительные источники питания. Это делается всегда по рецепту сред для каждого данного производства.

В полученное сусло вносят дрожжи, чаще всего применяют расы Saccharomyces cerevisiae, которые быстро размножаются, спиртоустойчивы, обладают высокой энергией брожения. Есть и другие промышленно важные расы дрожжей.

По окончании брожения дрожжи отделяют от сброженных заторов, а спирт отгоняют на специальных перегонных аппаратах.

Получается спирт-сырец и остается отход производства -- барда, которую используют для получения кормовых дрожжей. Отработанные дрожжи тоже используются в виде жидких и сухих кормовых дрожжей.

Спирт-сырец используют как для технических целей, так и для дальнейшей очистки -- ректификации. Микроорганизмы в спирт-сырец могут попадать из воздуха, сырья, аппаратуры. Ими могут быть молочнокислые бактерии и дикие дрожжи, которые способны развиваться в анаэробных условиях в присутствии спирта. Они используют питательные вещества среды, угнетают дрожжи продуктами своего обмена, при этом снижается выход спирта.

Спирт применяют в медицине, производстве различных спиртовых напитков. В последние десятилетия спирт рассматривают как перспективное топливо. Производство спирта на топливо налажено в США, Японии, Германии, во Франции, в Швеции, Австралии и других странах. В некоторых странах (США, Бразилия) мощность заводов составляет ~ 200 тыс. л в сутки. Спирт является сырьем для химической промышленности. С уменьшением запасов нефти (полагают многие ученые) на смену нефтехимии придет алкохимия (химия биоэтанола).

Основным сырьем для получения пива является ячменный солод, который получают из пророщенных зерен ячменя (соложение). Амилазы солода расщепляют содержащийся в нем крахмал на более простые углеводы -- мальтозу и декстрин, а протеазы частично превращают содержащийся белок в азотистые соединения, усваиваемые дрожжами.

К солоду добавляют несоложеные ячмень, рис, кукурузную муку, воду, хмель и получают пивное сусло. Пивное сусло является полноценной питательной средой для дрожжей. Вещества хмеля обладают антибактериальным действием и придают пиву специфические горечь и аромат.

Для получения большинства сортов пива используют преимущественно дрожжи низового брожения (расы Saccharomyces carlsbergensis), для некоторых сортов пива -- дрожжи верхового брожения (Saccharomyces cerevisiae). Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает медленно и спокойно, ведут его при сравнительно низких температурах -- от 5 до 10 °С. Газ выделяется постепенно, пены образуется меньше, дрожжи не выносятся на поверхность сбраживаемой среды и быстро оседают на дно бродильных емкостей.

Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28 °С. На поверхности бродящей жидкости образуется много пены. Под действием выделяющегося СО₂ дрожжи выносятся в верхние слои субстрата.

По окончании брожения дрожжи оседают на дно бродильных емкостей рыхлым слоем. Процесс получения пива идет в два этапа, т. е. осуществляется два периода брожения -- главное и дображивание.

В процессе главного брожения при температуре от 6 до 10 °С дрожжи активно размножаются и интенсивно сбраживают сахар. Получают так называемое зеленое (незрелое) пиво. Его сливают с дрожжевого осадка и направляют на дображивание при температуре около 1 °С. Дрожжи, оставшиеся в зеленом пиве, почти не размножаются и медленно сбраживают оставшийся сахар. Накапливаются диоксид углерода, 3-6 % (по массе) этилового спирта, побочные продукты брожения: высшие спирты, органические кислоты, диацетил, эфиры. Все они принимают участие в формировании вкуса и аромата пива.

Созревшее пиво осветляют и направляют на розлив, а дрожжи удаляют путем фильтрования или центрифугирования. Химический состав и вкусовые свойства разных сортов пива зависят от используемого сырья, использованной расы дрожжей и технологии производства.

Часть дрожжей, осевших на дно бродильных емкостей, вновь используют для получения пива, часть выпускают в виде жидких или сухих пивных дрожжей в качестве продукта, богатого витаминами В1, В2, В6, РР, пантотеновой кислотой, а часть идет на корм животным.

Пиво -- скоропортящийся продукт. Для увеличения срока хранения пива его пастеризуют, иногда добавляют химические консерванты (сорбиновую кислоту, юглон), обрабатывают СВЧ.

Для получения вина исходным сырьем служат виноградный сок, а также плодово-ягодные соки. Все соки являются хорошей питательной средой для различных микроорганизмов. Для избавления от вредной микрофлоры и от диких дрожжей соки сульфитируют (обрабатывают сернистым ангидридом SO₂), а затем подвергают брожению. Сернистый ангидрид играет роль как антисептика, так и антиокислителя. Он связывает кислород, при этом снижается окислительно-восстановительный потенциал среды, что препятствует развитию аэробной микрофлоры и благоприятствует брожению.

Брожение соков для изготовления вин осуществляют с применением чистых культур винных дрожжей низового брожения Sacch. (ellipsoideus), а для вин хересного типа еще и Sacch. oviformis. Для получения определенных вин выбирают производственные расы дрожжей, отвечающие следующим требованиям: они должны полностью выбраживать сусло, быть устойчивыми к повышенному содержанию сахара и спирта, к SO₂, к низкому рН быстро оседать после брожения и давать плотный осадок. Разные расы Sacch. vini, селекционированные для определенны) типов вин, обладают различным температурным оптимумом брожения, образуют разное количество спирта (10-18%), разные побочные продукты, что отражается на вкусовых и ароматически) свойствах вин.

Для предохранения вин от микробной порчи их пастеризуют, вводят антисептики (SO₂, сорбиновую кислоту), обрабатывают ультразвуком, ультрафиолетом.

На всех бродильных производствах качество и выход готовое продукции в значительной степени зависят от общего санитарного состояния производства. На всех предприятиях должен поддерживаться строгий санитарный режим, а также проводиться постоянный микробиологический контроль на всех стадия) производственного процесса, включая помещения, тару и т.п.

Пекарские дрожжи (расы Sacch. cerevisiae) прессованные и сухие для производства хлебобулочных изделий получают на специализированных дрожжевых заводах. При получении пекарских дрожжей в качестве питательной среды используют очищенную и разбавленную водой свекловичную мелассу -- отход свеклосахарного производства. К свекловичной мелассе, содержащей все необходимое для дрожжей, дополнительно добавляют азот и фосфорсодержащие соли. Дрожжи размножаются при температуре около 30 °С, рН 4,5 - 5,5, при непрерывной аэрации. Дрожжи дышат и активно размножаются, а не бродят. Большая часть сахара используется ими для синтеза веществ клетки.

Выросшую массу дрожжей отделяют от среды, промывают водой, сгущают и прессуют до содержания влаги 73-75 %. Полученную дрожжевую массу формуют в виде брикетов с содержанием дрожжевых клеток от 8 до 12 млрд в 1 г. Брикеты упаковывают в бумагу и охлаждают до температуры 4°С. Сухие дрожжи выпускают влажностью 8-10 %.

Используемые расы пекарских дрожжей должны хорошо размножаться, обладать высокой бродильной активностью, быть стойким при хранении в прессованном виде и при высушивании. В настоящее время используют следующие расы пекарских дрожжей: Киевская 21, Одесская 14, гибриды № 176 и 196-6. Сохранять прессованные дрожжи следует на холоде.

бактерия клетка спиртовой брожение

Список использованной литературы

1. Жарикова Г.Г. Микробиология продовольственных товаров. Санитария и гигиена: Учебник для студ. высш. учеб, заведений / Галина Григорьевна Жарикова. -- М.: Издательский центр «Академия», 2005. -- 304 с.

2. Нетрусов А.И., Котова И.Б. Микробиология: Учебник для студ. высш. учеб, заведений. 3-е изд., испр. - М.: Издательский центр "Академия" 2009. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru