Бактерії - добрі, погані, вічні. Використання бактерій у промисловості

Стаття на конкурс «біо/мол/текст»:Чи існують лікарські засоби, які не викликають побічних ефектів та ускладнень, високоефективні та безпечні? Найближче до цих ідеальних характеристик підібралися пробіотичні препарати(з живих мікроорганізмів - симбіонтів людини) та бактеріофаги(Віруси бактерій). При введенні в організм людини вони вступають у боротьбу за існування із збудниками інфекційних захворювань або, у разі бактеріофагів, по-партизански розкладають їх зсередини. Пробіотики і фаги з різною специфічністю впливають на патогенні бактерії, всі процеси розвиваються в межах мікробіоценозу певної області людського тіла і спрямовані на збереження довкілля, інакше кажучи, на утримання гомеостазу. Пробіотики та фаги зазвичай застосовують окремо, але перспективним може виявитися їх спільне використання.

Зверніть увагу!

Спонсором номінації «Найкраща стаття про механізми старіння та довголіття» є фонд «Наука за продовження життя». Спонсором призу глядацьких симпатій виступила фірма Helicon.

Спонсори конкурсу: Лабораторія біотехнологічних досліджень 3D Bioprinting Solutions та Студія наукової графіки, анімації та моделювання Visual Science.

Клин клином вибивають.

Народна мудрість

Біотехнологія - медицина

У сучасній медичній практиці використовується велика кількість коштів, які отримують завдяки життєдіяльності мікроорганізмів. Сюди відносяться вітаміни, ферменти, генно-інженерні гормони та інтерферони, замінники крові та, звичайно ж, антибіотики. Власне, навіть медичний спирт – цей універсальний антисептик, народний анальгетик та антидепресант – є продуктом бродильного метаболізму дріжджових грибків. Традиційні та нові високоефективні, різні за структурою та механізмом дії природні та хімічно модифіковані лікарські препарати, у створенні яких брали участь мікроорганізми, застосовуються для лікування різних захворювань.

Коли ліки небезпечніші за хворобу

У практиці застосування лікарських засобів лікаря доводиться зустрічатися з так званими побічними явищами, які можуть розвиватися поряд із основною дією ліків та обмежувати можливості його застосування. Побічні реакції особливо часто виникають у випадках застосування ліків, що мають багатосторонній фармакологічний ефект (згадаймо той же етиловий спирт), тоді як мета лікування досягається завдяки використанню лише деяких сторін фармакодинаміки цих ліків.

На особливу увагу заслуговують у цьому сенсі антибіотики, оскільки вони є препаратами вибору при лікуванні більшості інфекційних захворювань, а призначенню антибіотиків далеко не завжди передує проведення необхідних мікробіологічних досліджень. Непоодинокі випадки нераціонального застосування антибіотиків широкого спектра дії, порушення пацієнтами схем прийому препаратів, а то й зовсім безконтрольного самолікування. І навіть за правильного використання антибактеріальна дія антибіотиків поширюється як на патогенну, а й у нормальну мікробну флору організму. Під дією антибіотиків гинуть біфідобактерії, лактобацили, симбіотичні штами кишкової палички та інші корисні мікроби. Екологічні ніші, що звільнилися, тут же заселяють умовно-патогенні бактерії та грибки (як правило, що володіють резистентністю до антибіотиків), які до цього були присутні на шкірі і в нестерильних порожнинах організму в незначній кількості - їх розмноження стримувалося нормальною мікрофлорою. Антибіотикотерапія, наприклад, може сприяти перетворенню мирних сапрофітних дріжджоподібних грибків Candida albicans(рис. 1), що мешкають на слизових оболонках порожнини рота, трахеї і кишечника, в мікроорганізми, що бурхливо розмножуються, викликають ряд місцевих і загальних уражень.

Рисунок 1. Дріжджоподібні грибки Candida albicansта наслідки їх активного розмноження. а - Клітини Candida albicansпід електронним мікроскопом б - Прояви кандидозу. Малюнки з сайтів velvet.by та www.medical-enc.ru.

В основі інших побічних ефектів можуть лежати індивідуальні особливості взаємодії організму з антибіотиком: непереносимість препарату може мати алергічну або псевдоалергічну природу, бути наслідком ферментопатій або потрапляти до загадкової категорії ідіосинкразій (до з'ясування механізму непереносимості).

Пробіотики замість антибіотиків?

В даний час перед медичною наукою та органами охорони здоров'я всього світу стоїть відповідальне завдання - створення ефективних антибактеріальних препаратів, що викликають якнайменш виражені побічні реакції.

Одним із можливих вирішень проблеми є розробка та широке фармакотерапевтичне використання препаратів на основі живих культур представників нормальної мікрофлори ( пробіотиків) для корекції мікробіоценозів людини та для лікування патологічних станів. Застосування бактеріальних препаратів ґрунтується на розумінні ролі нормальної мікрофлори організму у процесах, що забезпечують неспецифічну резистентність до інфекцій, у формуванні імунної відповіді, а також на встановленні антагоністичної ролі нормофлори та її участі у регуляції метаболічних процесів.

Основоположником теорії пробіотиків вважають І.І. Мечникова. Він вважав, що збереження здоров'я людини і продовження молодості багато в чому залежить від молочнокислих бактерій, що живуть в кишечнику, здатних пригнічувати процеси гниття і утворення токсичних продуктів. Ще 1903 року Мечников запропонував практичне використання мікробних культур-антагоністів для боротьби з хвороботворними бактеріями.

За деякими даними, термін «пробіотики» було запроваджено Вернером Коллатом у 1953 році, потім його неодноразово і по-різному тлумачили як науковці, так і регулюючі організації. Коллат назвав пробіотиками речовини, необхідні розвитку здорового організму, свого роду «промотори життя» - на противагу антибіотикам. З кінцівкою цього твердження погоджувалися також Ліллі та Стілвелл, яким часто приписують винахід терміна, проте вони уточнювали, що пробіотики є речовинами, що виробляються одними мікроорганізмами і стимулюють зростання інших. Переважна більшість визначень оберталося навколо прийняття життєздатних мікробів з метою модуляції кишкової мікрофлори. Згідно з консенсусним трактуванням експертної ради ВООЗ та ФАО, пробіотики є живими мікроорганізмами, які при прийнятті в достатній кількості приносять користь здоров'ю. Істотний внесок у розвиток сучасної концепції пробіотиків зробив відомий біохімік, фахівець із харчування тварин Марсель Ванбелле. Т.П. Лайонс та Р.Дж. Фелон в 1992 році назвали наш час «наступаючою епохою пробіотиків» (і не помилилися, судячи з неймовірного зростання їх продажів - ред.) .

У порівнянні з традиційними антибактеріальними препаратами пробіотики мають ряд переваг: нешкідливість (проте не при всіх діагнозах і не для всіх пацієнтів - ред.), відсутність побічних реакцій, алергізації та негативного впливу на нормальну мікрофлору. У той же час автори низки досліджень пов'язують прийом цих біопрепаратів з вираженим клінічним ефектом при лікуванні гострих кишкових інфекцій. Важливою особливістю пробіотиків, за деякими даними, є їхня здатність модулювати імунні реакції, надавати у ряді випадків протиалергічну дію, регулювати травлення.

Нині у медицині широко використовують низку подібних бактеріальних препаратів. Одні з них містять бактерії, що постійно мешкають в організмі людини («Лактобактерин», «Біфідумбактерин», «Колібактерин», «Біфікол»), інші складаються з мікроорганізмів, які не є «резидентами» людського тіла, але здатних на певний час колонізувати слизові оболонки або ранові поверхні, створюючи ними захисну біоплівку (рис. 2) і виробляючи речовини, згубні для патогенних бактерій. До таких препаратів належать, зокрема, «Біоспорин» на основі сапрофітної бактерії. Bacillus subtilisі «А-бактерин», що складається з живих клітин зеленого аерококо - Aerococcus viridans .

Корисний мікроб - аерокок

Деякі аерококи (рис. 3) відносять до умовно-патогенних мікробів, оскільки вони здатні викликати захворювання у тварин (наприклад, гаффкемію у омарів) і людей з імунодефіцитами. Аерококи часто виявляються в повітрі лікарняних палат і на предметах медичного призначення, виділяються від хворих зі стрептококовими та стафілококовими інфекціями і до того ж мають певну морфологічну схожість із цими небезпечними бактеріями.

Малюнок 3. Клітини та колонії аерококів. а - бактерії під звичайним світловим мікроскопом. б - бактерії під електронним мікроскопом. Видно округлі клітини, розташовані парами і зошитами. в - Колонії аерококів на живильному середовищі з додаванням крові. Зелене фарбування навколо колоній – результат часткового руйнування гемоглобіну. Фото (а) із сайту codeofconduc.com, (б) та (в) – зроблені авторами статті.

Малюнок 4. Пригнічення аерококами зростання патогенних бактерій.Зони значної затримки росту зареєстровані при культивуванні вібріонів, стафілококів, дифтерійної палички, провіденції. Синьогнійна паличка ( Pseudomonas aeruginosa) до антагоністичної дії аерококів стійка. Фото авторів статті.

Але колективу кафедри мікробіології Дніпропетровської медичної академії вдалося виявити серед аерококів штам не просто нешкідливий для людини, а й виявляє виражену антагоністичну активність щодо широкого спектра збудників інфекційних хвороб. Так було розроблено та впроваджено препарат, що не має аналогів у світовій практиці, - пробіотик «А-бактерин» для зовнішнього та перорального застосування, який не поступається своїм впливом на мікрофлору людини дорогим препаратам антибіотичного напрямку (рис. 4).

Антагоністичні властивості аерококів пов'язані з продукцією перекису водню (речовини, що широко застосовується в медицині як антисептик) - стабільною ознакою виробничого штаму А. viridans, з якого готується «А-бактерин» Іншою бактерицидною речовиною, продуктом метаболізму аерококів є супероксидний радикал (рис. 5), утворений цими бактеріями при окисленні молочної кислоти. Причому здатність аерококів окислювати молочну кислоту дуже важлива у разі застосування препарату в стоматології, оскільки однією з причин карієсу є молочна кислота, що утворюється стрептококами.

Малюнок 5. Бактерицидні речовини, що утворюються аерококами:перекис водню (а) та супероксидний радикал (б) . Малюнок із сайту tofeelwell.ru.

У культуральній рідині аерококів було виявлено низькомолекулярний кислотостійкий та термостабільний пептид. вірідоцин, Що володіє широким спектром антагоністичної активності щодо тих мікроорганізмів, які найчастіше викликають госпітальні інфекції та беруть участь у формуванні фізіологічного та патологічного мікробіоценозу кишечника людини. Крім того, А. viridansпродукує у зовнішнє середовище пептид аероцин*, здатний вбивати дріжджоподібні грибки. Використання «А-бактерину» з йодидом калію та етієм ефективно при урогенітальних кандидозах, оскільки забезпечує спрямоване пошкодження мембран кандид. Той самий ефект досягається у разі застосування препарату як засобу профілактики кандидозів, що виникають, наприклад, внаслідок пригнічення імунітету при ВІЛ-інфекції.

* - Поряд з продукцією перекису водню (за рахунок НАД-незалежної лактатдегідрогенази), а в присутності іодиду калію та утворенням гіпойодиду (за рахунок глутатіонпероксидази) з більш вираженою, ніж у пероксиду водню, бактерицидною дією, аерококи мають і неоксид. Вони утворюють низькомолекулярний термостабільний пептид аероцин, що відноситься до класу мікроцинів, активний щодо протеїв, стафілококів, ешерихій та сальмонел. Аероцин був виділений з культуральної рідини методами висолювання, електродіалізу та паперової хроматографії, після чого було встановлено його амінокислотний склад та показано терапевтичну ефективність при експериментальній сальмонельозній інфекції у мишей. Аерококам також властива адгезія до епітеліальних та деяких інших клітин, тобто протидія патогенним бактеріям йде в тому числі на рівні біоплівок та колонізаційної резистентності.

Крім здатності пригнічувати розмноження патогенних бактерій, «А-бактерин» сприяє регенерації пошкодженої тканини, виявляє ад'ювантну дію, стимулює фагоцитоз і може бути рекомендований хворим, сенсибілізованим до антибіотиків та хіміотерапевтичних засобів. Сьогодні «А-бактерин» успішно застосовується для лікування опікових та хірургічних ран, для профілактики та лікування діареї, а також у стоматологічній, урологічній та гінекологічній практиці. Перорально «А-бактерин» використовується для корекції мікрофлори кишечника, профілактики та лікування кишкових інфекцій, корекції окремих біохімічних показників (холестеринового профілю та рівня молочної кислоти) та активації імунітету. Інші пробіотики теж широко застосовуються для лікування та профілактики кишкових інфекцій, особливо у дітей раннього віку, які перебувають на штучному вигодовуванні. Популярні і харчові продукти, що містять живі пробіотичні культури.

Лікувальні віруси

При лікуванні інфекцій важливо створити високу концентрацію антимікробного препарату саме у місці локалізації збудника. Застосовуючи антибіотики у вигляді таблеток або ін'єкцій, досягти цього досить важко. Але у разі фаготерапії достатньо, якщо в інфекційне вогнище доберуться хоча б одиночні бактеріофаги. Виявивши патогенні бактерії та проникнувши в них, фаги починають дуже швидко розмножуватися. З кожним циклом розмноження, що триває близько півгодини, кількість фагів зростає в десятки, або навіть сотні разів. Після руйнування всіх клітин збудника фаги більше не здатні розмножуватися і завдяки своїм дрібним розмірам безперешкодно виводяться з організму разом з іншими продуктами розпаду.

Пробіотики та фаги разом

Бактеріофаги добре зарекомендували себе у профілактиці та лікуванні кишкових інфекцій та гнійно-запальних процесів. Збудники цих захворювань часто набувають стійкості до антибіотиків, але залишаються чутливими до фагів. Останнім часом вчених зацікавила перспектива спільного використання бактеріофагів та пробіотиків. Передбачається, що при призначенні такого комплексного препарату спочатку фаг знищує патогенні бактерії, а потім екологічну нішу, що звільнилася, заселяють корисні мікроорганізми, формуючи стабільний мікробіоценоз з високими захисними властивостями. Такий підхід вже був випробуваний на сільськогосподарських тваринах. Ймовірно, він увійде і до медичної практики.

Можлива і тісніша взаємодія в системі «бактеріофаг + пробіотик». Відомо, що бактерії – представники нормальної мікрофлори людини – здатні адсорбувати на своїй поверхні різні віруси, не дозволяючи їм проникнути в клітини людини. Виявилося, що так само можуть адсорбуватися і бактеріофаги: вони не здатні впровадитися в клітину стійкої до них бактерії, але використовують її як «транспортний засіб» для переміщення в організмі людини. Таке явище отримало назву транслокації бактеріофагів.

Внутрішнє середовище організму, його тканини та кров вважаються стерильними. Насправді через мікроскопічні ушкодження слизових оболонок бактерії-симбіонти періодично проникають у кров'яне русло (рис. 7), хоча й швидко там знищуються клітинами імунної системи та бактерицидними речовинами. За наявності інфекційного вогнища бар'єрні властивості оточуючих тканин часто порушені, їхня проникність зростає. Це підвищує ймовірність проникнення туди циркулюючих пробіотичних бактерій разом з фагами , що прикріпилися до них . Зокрема, у людей з інфекціями сечовивідних шляхів, які приймають «А-бактерин» перорально, аерококи виявлялися в сечі, причому їх кількість була стабільно низька, що говорило саме про перенесенняаерококів, а не про їх розмноження в цих органах. Аерококи і найбільш поширені збудники урологічних інфекцій відносяться до різних груп бактерій, а значить, чутливі до різних бактеріофагів. Це відкриває цікаві перспективи для створення комплексного препарату, наприклад, на основі А. viridansі фагів, що вражають кишкові бактерії. Такі розробки ведуться на кафедрі мікробіології Дніпропетровської медичної академії, проте вони поки що не вийшли за стадію лабораторного дослідження.

Статтю написано за участю Юргеля Л.Г. та Кременчуцького Г.М.

Від редакції

Редакція «Біомолекули» звертає увагу читачів на те, що автори статей із номінації «Своя робота» діляться важливими та цікавими деталями своїхдосліджень, наводять власний поглядна ситуацію у своїй галузі. Колектив «Біомолекули» не вважає, що питання про доцільність застосування пробіотиків вже вирішене.

Результати досліджень подібних речовин, хоч би якими приголомшливими вони були, повинні підтверджуватись відповідним чином: препарат повинен пройти необхідні фази клінічних випробувань, щоб медична спільнота могла визнати його безпечною та ефективною лікарським засобомі лише після цього рекомендувати пацієнтам. Звичайно, йдеться про випробування за міжнародними нормами, а не так, як це іноді у нас буває - на 12 пацієнтах сільського лазарета, які заявили, що їм ну-просто-жах-як-допомогло. Непоганим орієнтиром для лікарів і пацієнтів було б схвалення будь-яких пробіотичних препаратів, наприклад, американським FDA, але на жаль...

Поки ж пробіотики, що приймаються всередину, слід розглядати не як ліки, а як харчові добавки. Причому заявлені виробником властивості препарату не можна переносити на інші пробіотики: критичні штам(не рід і навіть не вигляд) та кількість колонієутворюючих одиниць. А ще потрібно мати на увазі, що на таку продукцію впливає безліч факторів, пов'язаних із виробництвом, умовами та термінами зберігання, вживанням та травленням.

Найбільші контролюючі харчування та лікування організації світу вважають: поки що мало доказів для твердження, що пробіотики позитивно впливають на здоров'я(Тим більше всіх поголовно, незалежно від вихідного стану цього здоров'я). І не те щоб контролери були переконані в неефективності цих препаратів - просто, як правило, у проведених меддослідженнях вони не вбачають достовірного причинно-наслідкового зв'язку прийому пробіотиків із позитивними змінами. А ще варто пам'ятати про ті дослідження, де якийсь пробіотик виявлявся неефективним або навіть негативно впливав.

Так чи інакше, потенціал у пробіотичного напряму є – як мінімум у профілактиці та лікуванні різних ентеритів (якщо йдеться про пероральний прийом). Просто не все так просто. Не так просто, як хотілося б виробнику, лікарю та пацієнту. Напевно, пробіотики на полицях наших магазинів та аптек просто «народилися трохи недоношеними». Тож чекаємо від учених-розробників та виробників забійних доказів. А авторам статті побажаємо успіхів на цій нелегкій ниві і, звичайно, у пошуку нових цікавих властивостей мікроорганізмів.

Література

1. Кременчуцький Г.М., Риженко С.А., Волянський О.Ю., Молчанов Р.М., Чуйко В.І. А-бактерин у лікуванні та профілактиці гнійно-запальних процесів. Дніпропетровськ: Пороги, 2000. – 150 с.;
2. Vanbelle M., Teller E., Focant M. (1990). Probiotics in animal nutrition: a review . Arch. Tierernahr. 40 (7), 543–567;
3. Риженко С.О., Кременчуцький Г.М., Бредіхіна М.О. (2008). Вплив рідкого пробіотику «А-бактеріну» на мікробіоту кишечника. Медичні перспективи. 2 , 47–50;
4. Акілов О.А. (2000). Сучасні методи лікування кандидозу. Сайт «Російський Медичний Сервер».;
5. Edwards J.E. Jr., Bodey G.P., Bowden R.A., Büchner T., de Pauw B.E., Filler S.G. та ін. (1997). Міжнародна конференція для розвитку consensus on the management and prevention of severe candidal infections . Clin. lnfect. Dis. 25 , 43–59;
6. Antoniskis D., Larsen R.A., Akil B., Rarick M.U., Leedom J.M. (1990). Серонегативні дисеміновані Coccidioidomycosis в пацієнтів з HIV infection. AIDS. 4 , 691–693;
7. Jones J.L., Fleming P.L., Ciesielski C.A., Hu D.J., Kaplan J.E., Ward J.W. (1995). Coccidioidomycosis серед людей з AIDS в США. J. Infect. Dis. 171 , 961–966;
8. Степанський Д.А., Риженко С.А., Кременчуцький Г.М., Шарун О.В., Юргель Л.Г., Крушинська Т.Ю., Кошова І.П. (2012). Неоксидні компоненти антагоністичної активності аерококів (НКА). Анналі Мечниковського інституту. 4 , 9–10;
9. Ардатська М.Д. (2011). Пре-і пробіотики в корекції мікроекологічних порушень кишечника. Фарматека. 12 , 62–68;
10. Бехтерєва М.К., Іванова В.В. (2014). Місце бактеріофагів у терапії інфекційних захворювань шлунково-кишкового тракту. Педіатрія. 2 , 24–29;
11. Григор'єва Г.І., Гордєєва І.В., Кульчицька М.А., Анікіна Т.А. (2006). Ефективне застосування біологічних препаратів (пробіотики та бактеріофаги) при лікуванні корів із гострим перебігом ендометриту. Ветеринарна патологія. 1 , 52–56;
12. Бондаренко В.М. (2013). Механізми транслокації бактеріальної аутофлори у розвитку ендогенної інфекції. Бюлетень оренбурзького наукового центру УРО РАН (електронний журнал). 3 ;
13. Кременчуцький Г.М., Риженко С.О., Юргель Л.Г. (2008). Явлення транслокації E.coli(Hem +, Str r). Праці XVI Міжнародної конференції «Нові інформаційні технології у медицині, біології, фармакології, екології». 250–251;
14. Кутовий А.Б., Василишин Р.Й., Мешалов В.Д., Кременчуцький Г.М. (2002). Ентерально органу транслокація бактерій та генералізація інфекційного процесу в експерименті. Вісник наукових досліджень. 2 , 121–123;
15. Шарун О.В., Нікуліна О.О., Кременчуцький Г.М. (2005). Порівняльний аналіз біологічних властивостей аерококів, виділених із різних екологічних ніш організму людини. Медичні перспективи. 3 , 72–78;
16. Зімін А.А., Васильєва Є.А., Васильєва Є.Л., Фішман К.С., Скобліков Н.Е., Кременчуцький Г.М., Мурашев А.М. (2009). Біобезпека у фаговій та пробіотичній терапії: проблеми та рішення. Вісник нових медичних технологій. 1 , 200–202..

Мікроорганізми широко використовуються в харчовій промисловості, домашньому господарстві, мікробіологічній промисловості для одержання амінокислот, ферментів, органічних кислот, вітамінів та ін. Наприклад, виноробство, пивоваріння та виробництво дріжджового тіста неможливі без використання дріжджів, широко поширених у природі.

Історія індустріального виробництва дріжджів почалася в Голландії, де в 1870 р. було засновано першу фабрику, яка випускала дріжджі. Основним видом продукції стали пресовані дріжджі вологістю близько 70%, які могли зберігатися лише кілька тижнів. Тривале зберігання було неможливо, оскільки клітини пресованих дріжджів залишалися живими, зберігали свою активність, що й призводило до їхнього автолізу та загибелі. Одним із способів промислового консервування дріжджів стало висушування. У сухих дріжджах при низькій вологості дріжджова клітина знаходиться в анабіотичному стані і може зберігатися тривалий час. Перші сухі дріжджі з'явилися 1945 р. У 1972 р. з'явилося друге покоління сухих дріжджів, звані інстантні дріжджі. З середини 1990-х років з'явилося третє покоління сухих дріжджів: пекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiae,які поєднали переваги інстантних дріжджів з висококонцентрованим комплексом спеціалізованих хлібопекарських ферментів в одному продукті. Ці дріжджі дозволяють не лише покращити якість хліба, а й активно протистояти процесу черствіння.

Пекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiaeвикористовуються і у виробництві етилового спирту.

Виноробство використовує безліч різних рас дріжджів, щоб отримати унікальну марку вина з тільки властивими йому якостями.

Молочнокислі бактерії беруть участь у приготуванні таких харчових продуктів, як квашена капуста, солоні огірки, мариновані маслини та багато інших маринованих продуктів.

Молочнокислі бактерії перетворять цукор на молочну кислоту, яка оберігає харчові продукти від гнильних бактерій.

За допомогою молочнокислих бактерій готують величезний асортимент молочнокислих продуктів, сир, сир.

Однак багато мікроорганізмів відіграють негативну роль у житті людини, будучи збудниками хвороб людини, тварин і рослин; вони можуть викликати псування харчових продуктів, руйнування різних матеріалів тощо.

Для протистояння з такими мікроорганізмами були відкриті антибіотики – пеніцилін, стрептоміцин, граміцидин та ін., які є продуктами метаболізму грибів, бактерій та актиноміцетів.

Мікроорганізми дають людині потрібні ферменти. Так, амілазу використовують на підприємствах харчової, текстильної, паперової промисловості. Протеаза викликає розкладання білків у різних матеріалах. На Сході протеазу з грибів застосовували кілька століть тому для приготування соєвого соусу. В даний час її використовують при виробництві миючих засобів. При консервуванні фруктових соків застосовують такий фермент, як пектиназ.

Мікроорганізми використовують для очищення стічних вод, переробки відходів харчової промисловості. При анаеробному розкладанні органічної речовини відходів утворюється біогаз.

Останніми роками виникли нові виробництва. З грибів отримують каротиноїди та стероїди.

Бактерії синтезують багато амінокислот, нуклеотидів та інших реактивів для біохімічних досліджень.

Мікробіологія є наукою, що швидко розвивається, досягнення якої багато в чому пов'язані з розвитком фізики, хімії, біохімії, молекулярної біології та ін.

Для успішного вивчення мікробіології потрібне знання перерахованих наук.

У цьому курсі переважно розглядається мікробіологія харчових продуктів. Багато мікроорганізмів живе на поверхні тіла, в кишечнику людини і тварин, на рослинах, на харчових продуктах і на всіх предметах навколо нас. Мікроорганізми споживають найрізноманітнішу їжу, надзвичайно легко пристосовуються до умов життя, що змінюються: теплу, холоду, нестачі вологи тощо. Вони дуже швидко розмножуються. Без знання мікробіології не можна грамотно та ефективно керувати біотехнологічними процесами, зберегти високу якість харчових продуктів на всіх етапах його виробництва та запобігти споживанню продуктів, що містять збудників харчових захворювань та отруєнь.

Слід особливо наголосити, що мікробіологічні дослідження харчових продуктів, не тільки з точки зору технологічних особливостей, але і, що не менш важливо, з точки зору їхньої санітарно-мікробіологічної безпеки, є найскладнішим об'єктом санітарної мікробіології. Це не лише різноманітністю і розмаїттям мікрофлори у продуктах харчування, а й використанням мікроорганізмів у виробництві багатьох із них.

У зв'язку з цим, при мікробіологічному аналізі якості та безпеки продуктів харчування слід розрізняти дві групи мікроорганізмів:

- Специфічна мікрофлора;

- Неспецифічна мікрофлора.

Специфічна– це культурні раси мікроорганізмів, які використовуються для приготування того чи іншого продукту та є обов'язковою ланкою у технології його виробництва.

Така мікрофлора використовується у технології отримання вина, пива, хліба, всіх кисломолочних продуктів.

Неспецифічна– це мікроорганізми, які потрапляють у харчові продукти із довкілля, забруднюючи їх. Серед цієї групи мікроорганізмів розрізняють сапрофітні, патогенні та умовно-патогенні, а також мікроорганізми, що викликають псування продуктів.

Ступінь забруднення залежить від безлічі факторів, до яких слід віднести правильність заготівлі сировини, її зберігання та переробки, дотримання технологічних та санітарних режимів виробництва продуктів, їх зберігання та транспортування.

Вступ

Сучасна біотехнологія спирається досягнення природознавства, техніки, технології, біохімії, мікробіології, молекулярної біології, генетики. Біологічні методи використовуються у боротьбі із забрудненням навколишнього середовища та шкідниками рослинних та тварин організмів. До досягнень біотехнології можна віднести застосування іммобілізованих ферментів, отримання синтетичних вакцин, використання клітинної технології в племінній справі.

Бактерії, гриби, водорості, лишайники, віруси, найпростіші життя людей відіграють значну роль. З давніх-давен люди використовували їх у процесах хлібопечення, приготування вина та пива, в різних виробництвах.

Мікроорганізми допомагають людям у виробництві ефективних поживних білкових речовин та біологічного газу. Їх використовують при застосуванні біотехнічних методів очищення повітря та стічних вод, при використанні біологічних методів знищення сільськогосподарських шкідників, при отриманні лікувальних препаратів, при знищенні сировини.

Основна мета даної роботи – вивчити методи та умови культивування мікроорганізмів

· Ознайомитись з областями застосування мікроорганізмів

· Вивчити морфологію та фізіологію мікроорганізмів

· Вивчити основні види та склад поживних середовищ

· Дати поняття та ознайомитися з біореактором

· Розкрити основні методи культивування мікроорганізмів

Морфологія та фізіологія мікроорганізмів

Морфологія

Класифікація мікроорганізмів

Бактерії

Бактерії – це одноклітинні прокаріотні мікроорганізми. Розмір їх вимірюється в мікрометрах (мкм). Розрізняють три основні форми: кулясті бактерії - коки, паличкоподібні та звивисті.

Кокі(грец. kokkos – зерно) мають кулясту або злегка витягнуту форму. Розрізняються між собою в залежності від того, як вони розташовуються після розподілу. Одиночно розташовані коки - мікрококи, розташовані попарно - диплококи. Стрептококи діляться в одній площині і після поділу не розходяться, утворюючи ланцюжки (грецьк. streptos - ланцюжок). Тетракоки утворюють поєднання з чотирьох коків в результаті розподілу у двох взаємно перпендикулярних площинах, сарцини (лат. sarcio - зв'язувати) утворюються при розподілі в трьох взаємно перпендикулярних площинах і мають вигляд скупчень по 8-16 коків. Стафілококи в результаті безладного поділу утворюють скупчення, що нагадують гроно винограду (грецьк. staphyle - виноградне гроно).

Паличкоподібнібактерії (грец. bacteria - паличка), здатні утворювати суперечки, називають бацилами в тому випадку, якщо суперечки не ширші за саму паличку, і клостридіями, якщо діаметр суперечки перевищує діаметр палички. Паличкоподібні бактерії, на відміну від коків, різноманітні за величиною, формою та розташуванням клітин: короткі (1 -5 мкм) товсті, із закругленими кінцями бактерії кишкової групи; тонкі, злегка вигнуті палички туберкульозу; тонкі палички дифтерії, що розташовуються під кутом; великі (3-8 мкм) палички сибірки з "обрубаними" кінцями, що утворюють довгі ланцюжки - стрептобацили.

До звивистимдо форм бактерій відносяться вібріони, що мають злегка вигнуту форму у вигляді коми (холерний вібріон) і спірили, що складаються з декількох завитків. До звивистих форм також відносяться кампілобактери, схожі під мікроскопом на крила чайки, що летить.

Структура бактеріальної клітки.

Структурні елементи бактеріальної клітини можна умовно поділити на:

а) постійні структурні елементи - є в кожного виду бактерій протягом усього життя бактерії; це клітинна стінка, цитоплазматична мембрана, цитоплазма, нуклеоїд;

Б) непостійні структурні елементи, які здатні утворювати не всі види бактерій, а ті бактерії, які утворюють їх, можуть втрачати їх і знову набувати залежно від умов існування. Це капсула, включення, пили, суперечки, джгутики.

Мал. 1.1. Структура бактеріальної клітини

Клітинна стінкапокриває всю поверхню клітини. У грампозитивних бактерій клітинна стінка товстіша: до 90% - це полімерне з'єднання пептидоглікан, пов'язаний з тейхоєвими кислотами, і шар білка. У грамнегативних бактерій клітинна стінка тонша, але складніша за складом: складається з тонкого шару пептидоглікану, ліпополісахаридів, білків; вона вкрита зовнішньою мембраною.

Функції клітинної стінкиполягають у тому, що вона:

Є осмотичним бар'єром,

Визначає форму бактеріальної клітини,

Захищає клітину від впливів навколишнього середовища,

Несе різноманітні рецептори, що сприяють прикріпленню фагів, коліцинів, а також різних хімічних сполук,

Через клітинну стінку в клітину надходять поживні речовини та виділяються продукти обміну,

У клітинній стінці локалізовано О-антиген і з нею пов'язаний ендотоксин (ліпід А) бактерій.

Цитоплазматична мембрана

До клітинної стінки бактерій примикає цитоплазматична мембрана , будова якої аналогічна мембранам еукаріотів ( складається з подвійного шару ліпідів, головним чином фосфоліпідів із вбудованими поверхневими та інтегральними білками). Вона забезпечує:

Селективну проникність та транспорт розчинних речовин у клітину,

Транспорт електронів та окисне фосфорилювання,

Виділення гідролітичних екзоферментів, біосинтез різних полімерів.

Цитоплазматична мембрана обмежує цитоплазму бактерій , яка є гранулярну структуру. У цитоплазмі локалізовані рибосоми та бактеріальний нуклеоїд, в ній також можуть знаходитися включення та плазміди(Позахромосомна ДНК). Крім обов'язкових структур, бактеріальні клітини можуть мати суперечки.

Цитоплазма- внутрішній гелеподібний вміст бактеріальної клітини, пронизаний мембранними структурами, що створюють жорстку систему. У цитоплазмі містяться рибосоми (у яких здійснюється біосинтез білків), ферменти, амінокислоти, білки, рибонуклеїнові кислоти.

Нуклеоїд- це хромосома бактерій, подвійна нитка ДНК, кільцеподібно замкнута, пов'язана з мезосомою. На відміну від ядра еукаріотів, нитка ДНК вільно розташовується в цитоплазмі, не має ядерної оболонки, ядерця, білків-гістонів. Нитка ДНК у багато разів довша за саму бактерію (наприклад, у кишкової палички довжина хромосоми більше 1 мм).

Крім нуклеоїду, в цитоплазмі можуть бути позахромосомні фактори спадковості, які називаються плазмідами. Це короткі кільцеподібні нитки ДНК, що прикріплені до мезосомів.

Увімкненнямістяться у цитоплазмі деяких бактерій у вигляді зерен, які можна виявити при мікроскопії. Здебільшого це запас поживних речовин.

Пили(лат. pili – волоски) інакше вії, фімбрії, бахромки, ворсинки – короткі ниткоподібні відростки на поверхні бактерій.

Джгутики.Багато видів бактерій здатні пересуватися завдяки наявності джгутиків. З патогенних бактерій тільки серед паличок та звивистих форм є рухомі види. Джгутики являють собою тонкі еластичні нитки, довжина яких у деяких видів у кілька разів більша за довжину тіла самої бактерії.

Число та розташування джгутиків є характерною видовою ознакою бактерій. Розрізняють бактерії: монотрихи – з одним джгутиком на кінці тіла, лофотрихи – з пучком джгутиків на кінці, амфітрихи, що мають джгутики на обох кінцях, та перитрихи, у яких джгутики розташовані по всій поверхні тіла. До монотрих відноситься холерний вібріон, до перитріх - сальмонели черевного тифу.

Капсула- зовнішній слизовий шар, який є у багатьох бактерій. В одних видів він настільки тонкий, що виявляється лише в електронному мікроскопі – це мікрокапсула. В інших видів бактерій капсула добре виражена і видно у звичайному оптичному мікроскопі – це макрокапсула.

Мікоплазми

Мікоплазми належать до прокаріотів, розміри їх 125-200 нм. Це найдрібніші з клітинних бактерій, величина їх близька до межі роздільної здатності оптичного мікроскопа. У них відсутня клітинна стінка. З відсутністю клітинної стінки пов'язані характерні риси мікоплазм. Вони мають постійної форми, тому зустрічаються сферичні, овальні, ниткоподібні форми.

Ріккетсії

Хламідії

Актиноміцети

Актиноміцети - одноклітинні мікроорганізми, що належать до прокаріотів. Їхні клітини мають таку ж структуру, як бактерії: клітинну стінку, що містить пептидоглікан, цитоплазматичну мембрану; у цитоплазмі розташовані нуклеоїд, рибосоми, мезосоми, внутрішньоклітинні включення. Тому патогенні актиноміцети чутливі до антибактеріальних препаратів. У той же час вони мають подібну з грибами форму ниток, що гілкуються, а деякі актиноміцети, що відносяться до сімейства стрентоміцет, розмножуються спорами. Інші сімейства актиноміцет розмножуються шляхом фрагментації, тобто розпаду ниток на окремі фрагменти.

Актиноміцети широко поширені у навколишньому середовищі, особливо у ґрунті, беруть участь у кругообігу речовин у природі. Серед актиноміцетів є продуценти антибіотиків, вітамінів, гормонів. Більшість антибіотиків, що застосовуються зараз, продукується актиноміцетами. Це стрептоміцин, тетрациклін та інші.

Спірохети.

Спірохети відносяться до прокаріотів. Мають ознаки, загальні як із бактеріями, так і з найпростішими мікроорганізмами. Це одноклітинні мікроби, що мають форму довгих тонких спірально вигнутих клітин, здатні до активного руху. У несприятливих умовах деякі можуть переходити у форму цисти.

Дослідження в електронному мікроскопі дозволили встановити структуру клітин спірохет. Це цитоплазматичні циліндри, оточені цитоплазматичною мембраною та клітинною стінкою, що містить пептидоглікан. У цитоплазмі знаходяться нуклеоїд, рибосоми, мезосоми, включення.

Під цитоплазматичною мембраною розташовані фібрили, що забезпечують різноманітний рух спірохет - поступальний, обертальний, згинальний.

Патогенні представники спірохет: Treponema pallidum – викликає сифіліс, Borrelia recurrentis – зворотний тиф, Borrelia burgdorferi – хвороба Лайма, Leptospira interrogans – лептоспіроз.

Гриби

Гриби (Fungi, Mycetes) – еукаріоти, нижчі рослини, позбавлені хлорофілу, у зв'язку з чим вони не синтезують органічні сполуки вуглецю, тобто це гетеротрофи, мають диференційоване ядро, вкрите оболонкою, що містить хітин. На відміну від бактерій, гриби не мають у складі оболонки пептидоглікану, тому нечутливі до пеніцилінів. Для цитоплазми грибів характерна присутність великої кількості різноманітних включень та вакуолей.

Серед мікроскопічних грибів (мікроміцетів) є одноклітинні та багатоклітинні мікроорганізми, що різняться між собою за морфологією та способами розмноження. Для грибів характерна різноманітність способів розмноження: розподіл, фрагментація, брунькування, утворення спор - безстатевих та статевих.

При мікробіологічних дослідженнях найчастіше доводиться стикатися з пліснявами, дріжджами та представниками збірної групи про недосконалих грибів.

Цвіліутворюють типовий міцелій, що стелиться по поживному субстрату. Від міцелію вгору піднімаються повітряні гілки, які закінчуються плодоносними тілами різної форми, що несуть суперечки.

Мукорові або головчасті плісняви ​​(Mucor) - одноклітинні гриби з кулястим плодоносним тілом, наповненим ендоспорами.

Цвілі роду Aspergillus - багатоклітинні гриби з плодоносним тілом, що при мікроскопії нагадує наконечник лійки, що розбризкує цівки води; звідси назва "лійкова пліснява". Деякі види аспергілл використовуються в промисловості для виробництва лимонної кислоти та інших речовин. Є види, що викликають захворювання шкіри та легень у людини – аспергільози.

Цвілі роду Penicillum, або кистевики - багатоклітинні гриби з плодоносним тілом у вигляді пензлика. З деяких видів зеленої плісняви ​​було отримано перший антибіотик - пеніцилін. Серед пеніцилів є патогенні для людини види, що спричиняють пеніциліоз.

Різні види плісняв можуть бути причиною псування харчових продуктів, медикаментів, біологічних препаратів.

Дріжджі - дріжджові гриби (Saccharomycetes, Blastomycetes) мають форму круглих або овальних клітин, у багато разів більші за бактерії. Середній розмір дріжджових клітин приблизно дорівнює діаметру еритроциту (7-10 мкм).

Віруси

Віруси- (Лат. virus отрута) - дрібні мікроорганізми, що не мають клітинної будови, білоксинтезуючої системи і здатні до відтворення лише в клітинах високоорганізованих форм життя. Вони широко поширені у природі, вражають тварин, рослини та інші мікроорганізми.

Зріла вірусна частка, відома як віріон, складається з нуклеїнової кислоти - генетичний матеріал (ДНК або РНК), який несе інформацію про декілька типів білків, необхідні для утворення нового вірусу - покритої захисною білковою оболонкою - капсидом. Капсид складається з однакових білкових субодиниць, званих капсомірами. Віруси можуть мати ліпідну оболонку поверх капсиду ( суперкапсид), утворену з мембрани клітини-господаря. Капсид складається з білків, що кодуються вірусним геномом, яке форма лежить в основі класифікації вірусів за морфологічною ознакою . Складноорганізовані віруси, крім того, кодують спеціальні білки, що допомагають у збиранні капсиду. Комплекси білків та нуклеїнових кислот відомі як нуклеопротеїниа комплекс білків вірусного капсиду з вірусною нуклеїновою кислотою називається нуклеокапсидом.

Мал. 1.4. Схематична будова вірусу: 1 – серцевина (однониткова РНК); 2 – білкова оболонка (Капсид); 3 - додаткова ліпопротеїдна оболонка; 4 – Капсомери (структурні частини Капсиду).

Фізіологія мікроорганізмів

Фізіологія мікроорганізмів вивчає життєдіяльність мікробних клітин, процеси їх живлення, дихання, зростання, розмноження, закономірності взаємодії з довкіллям.

Метаболізм

Метаболізм- Сукупність біохімічних процесів, спрямованих на отримання енергії та відтворення клітинного матеріалу.

Особливості метаболізму у бактерій:

1) різноманітність використовуваних субстратів;

2) інтенсивність процесів метаболізму;

4) переважання процесів розпаду над процесами синтезу;

5) наявність екзо- та ендоферментів метаболізму.

Метаболізмскладається з двох взаємопов'язаних процесів: катаболізму та анаболізму.

Катаболізм(енергетичний метаболізм) - це процес розщеплення великих молекул до більш простих, в результаті якого виділяється енергія, що накопичується у формі АТФ:

а) дихання;

б) бродіння.

Анаболізм(Конструктивний метаболізм) – забезпечує синтез макромолекул, з яких будується клітина:

а) анаболізм (із витратами енергії);

б) катаболізм (з виділенням енергії);

При цьому використовується енергія, одержана в процесі катаболізму. Для метаболізму бактерій характерні висока швидкість процесу і швидка адаптація до умов навколишнього середовища.

У мікробній клітині ферменти є біологічними каталізаторами. За будовою виділяють:

1) прості ферменти (білки);

2) складні; складаються з білкової (активного центру) та небілкової частин; необхідні активізації ферментів.

За місцем дії виділяють:

1) екзоферменти (діють поза клітиною; беруть участь у процесі розпаду великих молекул, які не можуть проникнути всередину бактеріальної клітини; характерні для грампозитивних бактерій);

2) ендоферменти (діють у самій клітині, забезпечують синтез та розпад різних речовин).

Залежно від хімічних реакцій, що каталізуються, всі ферменти ділять на шість класів:

1) оксидоредуктази (каталізують окисно-відновні реакції між двома субстратами);

2) трансферази (здійснюють міжмолекулярне перенесення хімічних груп);

3) гідролази (здійснюють гідролітичне розщеплення внутрішньомолекулярних зв'язків);

4) ліази (приєднують хімічні групи з двох зв'язків, а також здійснюють зворотні реакції);

5) ізомерази (здійснюють процеси ізомеризації, забезпечують внутрішню конверсію з утворенням різних ізомерів);

6) лігази, або синтетази (з'єднують дві молекули, внаслідок чого відбувається розщеплення пірофосфатних зв'язків у молекулі АТФ).

живлення

Під харчуванням розуміють процеси надходження та виведення поживних речовин у клітину та з клітини. Харчування в першу чергу забезпечує розмноження та метаболізм клітини.

Різні органічні та неорганічні речовини надходять у бактеріальну клітину у процесі харчування. Спеціальних органів харчування у бактерій немає. Речовини проникають крізь усю поверхню клітини, як дрібних молекул. Такий спосіб харчування називається голофітним. Необхідною умовою для проходження поживних речовин у клітину є їх розчинність у воді та мала величина (тобто білки мають бути гідролізовані до амінокислот, вуглеводи – до ді-або моносахаридів тощо).

Основним регулятором надходження речовин до бактеріальної клітини є цитоплазматична мембрана. Існує чотири основні механізми надходження речовин:

-пасивна дифузія- за градієнтом концентрації, енергоневитратною, що не має субстратної специфічності;

- полегшена дифузія- за градієнтом концентрації, субстратспецифічна, енергоневитратна, здійснюється за участю спеціалізованих білків пермеаз;

- активний транспорт-проти градієнта концентрації, субстратспецифічний (спеціальні зв'язуючі білки в комплексі з пермеазами), енерговитратний (за рахунок АТФ), речовини надходять у клітину у хімічно незміненому вигляді;

- транслокація (перенесення груп) -проти градієнта концентрації, за допомогою фосфотрансферазної системи, енерговитратна, речовини (переважно цукру) надходять у клітину у форфорильованому вигляді.

Основні хімічні елементи-органогени, необхідні синтезу органичеких сполук- вуглець, азот, водень, кисень.

Типи живлення.Широкому поширенню бактерій сприяє різноманітні типи харчування. Мікроби потребують вуглецю, кисню, азоту, водню, сірки, фосфору та інших елементів (органогенів).

Залежно від джерела одержання вуглецю бактерії поділяють на:

1) аутотрофи (використовують неорганічні речовини – СО2);

2) гетеротрофи;

3) метатрофи (використовують органічні речовини неживої природи);

4) паратрофи (використовують органічні речовини живої природи).

Процеси харчування мають забезпечувати енергетичні потреби бактеріальної клітини.

За джерелами енергії мікроорганізми поділяють на:

1) фототрофи (спроможні використовувати сонячну енергію);

2) хемотрофи (одержують енергію за рахунок окисно-відновних реакцій);

3) хемолітотрофи (використовують неорганічні сполуки);

4) хемоорганотрофи (використовують органічні речовини).

Серед бактерій виділяють:

1) прототрофи (спроможні самі синтезувати необхідні речовини з низькоорганізованих);

2) ауксотрофи (є мутантами прототрофів, які втратили гени; відповідальні за синтез деяких речовин – вітамінів, амінокислот, тому потребують цих речовин готовому вигляді).

Мікроорганізми асимілюють поживні речовини у вигляді невеликих молекул, тому білки, полісахариди та інші біополімери можуть бути джерелами живлення тільки після розщеплення їх екзоферментами до більш простих сполук.

Дихання мікроорганізмів.

Шляхом дихання мікроорганізми видобувають енергію. Дихання - біологічний процес перенесення електронів через дихальний ланцюг від донорів до акцепторів з утворенням АТФ. Залежно від того, що є кінцевим акцептором електронів, виділяють аеробне та анаеробне дихання.При аеробному диханні кінцевим акцептором електронів є молекулярний кисень (О 2), при анаеробному-зв'язаний кисень (-NO 3 =SO 4 =SO 3).

Аеробне дихання донор водню H 2 O

Анаеробне дихання

Нітратне окиснення NO 3

(факультативні анаероби) донор водню N 2

Сульфатне окиснення SO 4

(облігатні анаероби) донор водню H 2 S

За типом дихання виділяють чотири групи мікроорганізмів.

1.Облігатні(Суворі) аероби. Їм потрібний молекулярний (атмосферний) кисень для дихання.

2.Мікроаерофілипотребують зменшеної концентрації (низького парціального тиску) вільного кисню. Для створення цих умов газову суміш для культивування зазвичай додають CO 2 наприклад до 10-відсоткової концентрації.

3.Факультативні анаеробиможуть споживати глюкозу та розмножуватися в аеробних та анаеробних умовах. Серед них є мікроорганізми, толерантні щодо відносно високих (близьких до атмосферних) концентрацій молекулярного кисню - тобто. аеротолерантні,

а також мікроорганізми, які здатні в певних умовах перемикатися з анаеробного на аеробне дихання.

4.Суворі анаеробирозмножуються лише у анаеробних умовах тобто. при дуже низьких концентраціях молекулярного кисню, що у великих концентраціях їм згубний. Біохімічно анаеробне дихання протікає на кшталт бродильних процесів, молекулярний кисень у своїй не використовується.

Аеробне дихання енергетично ефективніше (синтезується більша кількість АТФ).

В процесі аеробного дихання утворюються токсичні продукти окислення (H 2 O 2 - перекис водню, -О 2 - вільні кисневі радикали), від яких захищають специфічні ферменти, насамперед каталаза, пероксидаза, пероксиддисмутаза. У анаеробів ці ферменти відсутні, як і система регуляції окисно-відновного потенціалу (rH 2).

Зростання та розмноження бактерій

Зростання бактерій – збільшення бактеріальної клітини у розмірах без збільшення числа особин у популяції.

Розмноження бактерій – процес, який би збільшення числа особин у популяції. Бактерії характеризуються високою швидкістю розмноження.

Зростання завжди передує розмноженню. Бактерії розмножуються поперечним бінарним розподілом, у якому з однієї материнської клітини утворюються дві однакові дочірні.

Процес поділу бактеріальної клітини починається з реплікації хромосомної ДНК. У точці прикріплення хромосоми до цитоплазматичної мембрани (точці-реплікатор) діє білок-ініціатор, який викликає розрив кільця хромосоми, і далі йде деспіралізація її ниток. Нитки розкручуються і друга нитка прикріплюється до цитоплазматичної мембрани в точці-прореплікаторі, яка діаметрально протилежна точці-реплікатору. За рахунок ДНК-полімераз по матриці кожної нитки добудовується її точна копія. Подвоєння генетичного матеріалу – сигнал для подвоєння числа органел. У септальних мезосомах йде побудова перегородки, що ділить клітину навпіл. Двониткова ДНК спіралізується, скручується в кільце в точці прикріплення до цитоплазматичної мембрани. Це сигнал для розбіжності клітин по септі. Утворюються дві дочірні особини.

Розмноження бактерій визначається часом генерації. Це період, протягом якого здійснюється поділ клітини. Тривалість генерації залежить від виду бактерій, віку, складу живильного середовища, температури та ін.

Поживні середовища

Для культивування бактерій використовують живильні середовища, яких пред'являється ряд вимог.

1. Поживність. Бактерії повинні містити всі необхідні поживні речовини.

2. Ізотонічність. Бактерії повинні містити набір солей підтримки осмотичного тиску, певну концентрацію хлориду натрію.

3. Оптимальний рН (кислотність) середовища. Кислотність середовища забезпечує функціонування ферментів бактерій; більшість бактерій становить 7,2–7,6.

4. Оптимальний електронний потенціал, що свідчить про вміст розчиненого кисню в середовищі. Він має бути високим для аеробів та низьким для анаеробів.

5. Прозорість (спостерігалося зростання бактерій, особливо рідких середовищ).

6. Стерильність (відсутність інших бактерій).

Класифікація поживних середовищ

1. За походженням:

1) природні (молоко, желатин, картопля та ін);

2) штучні – середовища, виготовлені із спеціально підготовлених природних компонентів (пептону, амінопептиду, дріжджового екстракту тощо);

3) синтетичні – середовища відомого складу, виготовлені з хімічно чистих неорганічних та органічних сполук (солей, амінокислот, вуглеводів тощо).

2. За складом:

1) прості - м'ясопептонний агар, м'ясопептонний бульйон, агар Хоттінгера та ін;

2) складні – це прості з додаванням додаткового живильного компонента (кров'яного, шоколадного агару): цукровий бульйон,

жовчний бульйон, сироватковий агар, жовтково-сольовий агар, середовище Кітта-Тароцці, середовище Вільсона-Блера та ін.

3. За консистенцією:

1) тверді (містять 3-5% агар-агару);

2) напіврідкі (0,15-0,7% агар-агару);

3) рідкі (не містять агар-агару).

Агар-полісахарид складного складу з морських водоростей, основний затверджувач для щільних (твердих) середовищ.

4. Залежно від призначення ПС розрізняють:

Диференційно-діагностичні

Елективні

Селективні

Інгібіторні

Середовища підтримки культури

Накопичувальні (насичення, збагачення)

Консервуючи

Контрольні.

Диференціально-діагностичні - це складні середовища, у яких мікроорганізми різних видів ростуть по-різному, залежно від біохімічних властивостей культури. Вони призначені для ідентифікації видової приналежності мікроорганізмів, що широко використовуються в клінічній бактеріології та проведенні генетичних досліджень.

Селективні, інгібіторні та елективні ПС призначені для вирощування певного виду мікроорганізму. Ці середовища служать виділення бактерій зі змішаних популяцій і диференціювання від подібних видів. До їх складу додають різні речовини, що пригнічують зростання одних видів і не впливають на зростання інших.

Середовище можна зробити селективним за рахунок величини рН. Останнім часом як речовини, що надають середовищам селективний характер, застосовують антимікробні агенти, такі як антибіотики та інші хіміотерапевтичні речовини.

Елективні ПС знайшли широке застосування виділення збудників кишкових інфекцій. При додаванні малахітової або діамантової зелені, солей жовчних кислот (зокрема таурохолево-кислого натрію), значної кількості хлориду натрію або лимоннокислих солей пригнічується зростання кишкової палички, але зростання патогенних бактерій кишкової групи не погіршується. Деякі елективні середовища готують із додаванням антибіотиків.

Середовища підтримки культури становлять те щоб у них був селективних речовин, здатних викликати мінливість культур.

Накопичувальні ПС (збагачення, насичення) - це середовища, на яких певні види культур або групи культур ростуть швидше та інтенсивніше за супутні. При культивуванні цих середовищах зазвичай не застосовуються інгібіторні речовини, а, навпаки, створюють сприятливі умови для певного присутнього в суміші виду. Основою середовищ накопичення є жовч та її солі, тетратіонат натрію, різні барвники, селенітові солі, антибіотики та ін.

Консервуючі середовища служать для первинного посіву та транспортування досліджуваного матеріалу.

Виділяють також контрольні ПС, які застосовують для контролю стерильності та загальної бактеріальної обсіменіння антибіотиків.

5. За набором поживних речовин виділяють:

Мінімальні середовища, що містять лише джерела харчування, достатні для зростання;

Багаті середовища, до складу яких входять багато додаткових речовин.

6. За масштабами використання ПС поділяються на:

> виробничі (технологічні);

> середовища для наукових досліджень про обмеженим за обсягом застосуванням.

Виробничі ПС повинні бути доступними, економічними, зручними у приготуванні та використанні для великомасштабного культивування. p align="justify"> Середовища для наукових досліджень, як правило, бувають синтетичними і багатими за набором поживних речовин.

Вибір сировинних джерел для конструювання живильних середовищ

Якість ПС багато в чому визначається повноцінністю складу поживних субстратів та вихідної сировини, що використовується для їхнього приготування. Велика різноманітність видів сировинних джерел ставить складне завдання вибору найперспективніших, придатних конструювання ПС необхідної якості. Визначальну роль цьому питанні грають, передусім, біохімічні показники складу сировини, яких залежить вибір способу та режимів його переробки з єдиною метою найповнішого й ефективного використання які у ньому поживних речовин.

Для отримання ПС із особливо цінними властивостями застосовують передусім традиційні джерела білка тваринного походження, саме м'ясовеликої рогатої худоби (ВРХ), казеїн, рибу та продукти її переробки. Найбільш повно розроблені та широко застосовуються ПС на основі м'яса ВРХ.

Враховуючи дефіцит кільки каспійської, що широко застосовується в недалекому минулому, для отримання рибних поживних основ почала використовуватися більш дешева і доступна нехарчова продукція рибної промисловості - сухий криль, відходи переробки м'яса криля, філетований мінтай та його перезрілу ікру. Найбільшого ж поширення набула рибна кормова мука (РКМ), що задовольняє вимогам біологічної цінності, доступності та відносної стандартності.

Досить широкого поширення набули ПС на основі казеїну, який містить усі компоненти, що є в молоці: жир, лактозу, вітаміни, ферменти та солі. Однак необхідно відзначити, що у зв'язку з подорожчанням продуктів переробки молока, а також підвищенням попиту на казеїн на світовому ринку, застосування його має дещо обмежений характер.

З нехарчових джерел білка тваринного походження як сировина для конструювання повноцінних ПС необхідно виділити кров забійних тварин, яка багата біологічно активними речовинами та мікроелементами та містить продукти клітинного та тканинного обміну.

Гідролізати крові сільськогосподарських тварин використовуються як замінники пептон у диференціально-діагностичних поживних середовищах.

До інших видів білоквмісної сировини тваринного походження, які можуть бути використані для конструювання ПС, відносяться: плацента та селезінка ВРХ, сухий білковий концентрат - продукт переробки м'ясних відходів, спилковий обріз, одержуваний при обробці шкіри, ембріони свійських птахів - відхід вакцинного виробництва, кровозамінники закінчився термін придатності, сирова сироватка, м'які тканини молюсків і ластоногих.

Перспективне використання тушок хутрових звірів із звірогосподарств, крові ВРХ, що отримується на м'ясокомбінаті, знежиреного молока та молочної сироватки (відходи олійних заводів).

У цілому ж ПС, виготовлені з сировини тваринного походження, мають високий вміст основних поживних компонентів, є повноцінними та збалансованими за амінокислотним складом і досить добре вивчені.

З продуктів рослинного походження як білковий субстрат для ПС можливе використання кукурудзи, сої, гороху, картоплі, люпину та ін. Проте рослинна сільськогосподарська сировина містить білок, незбалансований склад якого залежить від умов вирощування культур, а також ліпіди у більших кількостях, ніж продукти. тваринного походження.

Велику групу складають ПС, що виготовляються з білкової сировини мікробного походження (дріжджі, бактерії тощо). Амінокислотний склад мікроорганізмів, що служать субстратом для приготування ПС, добре вивчений, а біомаса використовуваних мікроорганізмів є повноцінною за складом поживних речовин і характеризується підвищеним вмістом лізину та треоніну.

Розроблено цілу низку ПС комбінованого складу з білкових субстратів різного походження. До них відносяться дріжджова казеїнова живильне середовище, дріжджова м'ясна і т.д. Основою більшості відомих ПС є гідролізати казеїну, м'яса ВРХ та риби (до 80%).

Питома вага нехарчової сировини в технології конструювання ПС становить лише 15% і надалі вимагає збільшення.

Нехарчова сировина, що використовується для отримання поживної основи (ПС), повинна задовольняти певним вимогам, а саме бути:

^ повноцінним (кількісний та якісний склад сировини повинен, в основному, задовольняти поживним потребам мікроорганізмів та клітин, для яких розробляються ПС);

^ доступним (мати досить велику сировинну базу);

^ технологічним (витрати на впровадження у виробництво повинні здійснюватися з використанням наявного обладнання чи існуючої технології);

^ економічним (витрати використання технології під час переходу на нову сировину та її переробку нічого не винні перевищувати норми витрат за одержання цільового товару);

^ стандартним (мати тривалі терміни зберігання без зміни фізико-хімічних властивостей та поживної цінності)

Періодична система

Періодичною системою культивування називають систему, в якій після внесення бактерій (засіву) в живильне середовище не проводиться ні додавання, ні видалення будь-яких компонентів, крім газової фази. Звідси випливає, що періодична система може підтримувати розмноження клітин протягом обмеженого часу, протягом якого склад живильного середовища змінюється від сприятливого (оптимального) для зростання до несприятливого, аж до повного припинення п.

Методи визначення сумарної біохімічної активності ґрунтової мікрофлори

Характеристика мікробів клітинної організації

Роль мікроорганізмів у природі та сільському господарстві

Широке поширення мікроорганізмів свідчить про їхню величезну роль у природі. За їх участю відбувається розкладання різних органічних речовин у ґрунтах та водоймах, вони зумовлюють кругообіг речовин та енергії в природі; від їхньої діяльності залежить родючість ґрунтів, формування кам'яного вугілля, нафти, багатьох інших корисних копалин. Мікроорганізми беруть участь у вивітрюванні гірських порід та інших природних процесах.

Багато мікроорганізмів використовують у промисловому та сільськогосподарському виробництві. Так, хлібопечення, виготовлення кисломолочних продуктів, виноробство, отримання вітамінів, ферментів, харчових та кормових білків, органічних кислот та багатьох речовин, що застосовуються у сільському господарстві, промисловості та медицині, засновані на діяльності різноманітних мікроорганізмів. Особливо важливе використання мікроорганізмів у рослинництві та тваринництві. Від них залежить збагачення ґрунту азотом, боротьба зі шкідниками сільськогосподарських культур за допомогою мікробних препаратів, правильне приготування та зберігання кормів, створення кормового білка, антибіотиків та речовин мікробного походження для годування тварин.

Мікроорганізми надають позитивний вплив на процеси розкладання речовин неприродного походження - ксенобіотиків, штучно синтезованих, що потрапляють у ґрунти та водойми та забруднюють їх.

Поряд з корисними мікроорганізмами існує велика група про хвороботворних, або патогенних, мікроорганізмів, що викликають різноманітні хвороби сільськогосподарських тварин, рослин, комах і людини. Внаслідок їх життєдіяльності виникають епідемії заразних хвороб людини та тварин, що позначається на розвитку економіки та продуктивних сил суспільства.

Останні наукові дані не тільки суттєво розширили уявлення про ґрунтові мікроорганізми та процеси, що викликаються ними у навколишньому середовищі, а й дозволили створити нові галузі у промисловості та сільськогосподарському виробництві. Наприклад, відкрито антибіотики, що виділяються ґрунтовими мікроорганізмами, і показано можливість їх використання для лікування людини, тварин і рослин, а також при зберіганні сільськогосподарських продуктів. Виявлено здатність ґрунтових мікроорганізмів утворювати біологічно активні речовини: вітаміни, амінокислоти, стимулятори росту рослин – ростові речовини тощо. Знайдено шляхи використання білка мікроорганізмів для годування сільськогосподарських тварин. Виділено мікробні препарати, що посилюють надходження у ґрунт азоту з повітря.

Відкриття нових методів отримання спадково змінених форм корисних мікроорганізмів дозволило ширше застосовувати мікроорганізми у сільськогосподарському та промисловому виробництві, а також у медицині. Особливо перспективним є розвиток генної, або генетичної, інженерії. Її досягнення забезпечили розвиток біотехнології, поява високопродуктивних мікроорганізмів, що синтезують білки, ферменти, вітаміни, антибіотики, ростові речовини та інші необхідні для тваринництва та рослинництва продукти.

З мікроорганізмами людство стикалося завжди, тисячоліття навіть не здогадуючись про це. З давніх-давен люди спостерігали бродіння тіста, готували спиртні напої, сквашували молоко, робили сири, переносили різні захворювання, у тому числі епідемічні. Свідченням останнього в біблійних книгах є вказівка ​​про повальну хворобу (ймовірно, чуму) з рекомендаціями спалювати трупи та робити обмивання.

Відповідно до прийнятої зараз класифікацією мікроорганізми за типом харчування поділяють на ряд груп залежно від джерел споживання енергії та вуглецю. Так, виділяють фототрофи, що користуються енергією сонячного світла, та хемотрофи, енергетичним матеріалом для яких служать різноманітні органічні та неорганічні речовини.

Залежно від того, в якій формі мікроорганізми отримують з навколишнього середовища вуглець, їх поділяють на дві групи: автотрофні ("самі себе живлять"), що використовують як єдине джерело вуглецю діоксид вуглецю, і гетеротрофні ("харчуються за рахунок інших"), одержують вуглець у складі досить складних відновлених органічних сполук.

Таким чином, за способом отримання енергії та вуглецю мікроорганізми можна поділити на фотоавтотрофи, фотогетеротрофи, хемоавтотрофи та хемогетеротрофи. Всередині групи в залежності від природи субстрату, що окислюється, званого донором електронів (Н-донором), у свою чергу, виділяють органотрофи, що споживають енергію при розкладанні органічних речовин, і літотрофи (від грец. lithos - камінь), що отримують енергію за рахунок окислення неорганічних речовин . Тому залежно від джерела енергії і донора електронів, що використовується мікроорганізмами, слід розрізняти фотоорганотрофи, фотолітотрофи, хемоорганотрофи і хемолітотрофи. Таким чином виділяють вісім можливих типів харчування.

Кожній групі мікроорганізмів властивий певний тип харчування. Нижче наведено опис найбільш поширених типів харчування та короткий перелік мікроорганізмів, що їх здійснюють.

При фототрофії джерело енергії – сонячне світло. Фотолітоавтотрофія - тип харчування, характерний для мікроорганізмів, що використовують енергію світла для синтезу речовин клітини С02 і неорганічних сполук (Н20, Н2S, S°), тобто. здійснюють фотосинтез. До цієї групи відносять ціанобактерій, пурпурових сірчаних бактерій та зелених сірчаних бактерій.

Ціанобактерій (порядок Суаnobасterіа1еs), як і зелені рослини, відновлюють С0 2 до органічної речовини фотохімічним шляхом, використовуючи водень води:

С0 2 + Н 2 0 світло-› (СH 2 O) * + O 2

Пурпурні сірчані бактерії (родина Chromatiaceae) містять бактеріохлорофіли а і b, що зумовлюють здатність даних мікроорганізмів до фотосинтезу, та різні каротиноїдні пігменти.

Для відновлення С02 в органічну речовину бактерії даної групи використовують водень, що входить до складу Н25. При цьому в цитоплазмі накопичуються гранули сірки, яка потім окислюється до сірчаної кислоти:

С0 2 + 2Н 2 S світло-› (СH 2 O) + Н 2 + 2S

3CO 2 + 2S + 5H 2 O світло-› 3 (СН 2 0) + 2Н 2 S0 4

Пурпурні сірчані бактерії зазвичай бувають облігатними анаеробами.

Зелені сірчані бактерії (сім. Chlorobiaceae) містять зелені бактеріохлорофіли з, і, в невеликій кількості бактеріохлорофілу, а також різні каротиноїди. Як і пурпурні сірчані бактерії, вони суворі анаероби і здатні окислювати в процесі фотосинтезу сірководень, сульфіди та сульфіти, накопичуючи сірку, яка в більшості випадків окислюється до 50^2.

Фотоорганогетеротрофія - тип харчування, характерний для мікроорганізмів, які для отримання енергії, крім фотосинтезу, можуть використовувати ще й прості органічні сполуки. До цієї групи належать пурпурові несірчані бактерії.

Пурпурні несірні бактерії (родина Rhjdospirillaceae) містять бактеріохлорофіли а та b, а також різні каротиноїди. Вони не здатні окислювати сірководень (Н 2 S), накопичувати сірку та виділяти її в навколишнє середовище.

При хемотрофії енергетичне джерело – неорганічні та органічні сполуки. Хемолітоавтотрофія - тип харчування, характерний для мікроорганізмів, що отримують енергію при окисленні неорганічних сполук, таких, як Н 2 , NH 4 + , N0 2 - , Fе 2+ , Н 2 S, S°, S0з 2 - , S 2 0з 2- , СО та ін Сам процес окислення називають хемосинтезом. Вуглець для побудови всіх компонентів клітин хемолітоавтотрофи одержують з діоксиду вуглецю.

Хемосинтез у мікроорганізмів (залізобактерій та нітрифікуючих бактерій) був відкритий у 1887-1890 роках. відомим російським мікробіологом С.М. Виноградським. Хемолітоавтотрофію здійснюють нітрифікуючі бактерії (окислюють аміак або нітрити), сірчані бактерії (окислюють сірководень, елементарну сірку і деякі прості неорганічні сполуки сірки), бактерії, що окислюють водень до води, залізобактерії, здатні окислювати сполуки двовалентного заліза, і т.д.

Уявлення про кількість енергії, що отримується при процесах хемолітоавтотрофії, що викликаються зазначеними бактеріями, дають наступні реакції:

NH3 + 11/2 0 2 - HN0 2 + Н 2 0 + 2,8 10 5 Дж

HN0 2 + 1/2 0 2 - HN0 3 + 0,7 105 Дж

Н 2 S + 1/2 0 2 - S + Н 2 0 + 1,7 10 5 Дж

S + 11/2 0 2 - Н 2 S0 4 + 5,0 10 5 Дж

Н 2 + 1/2 0 2 - Н 2 0 + 2,3 10 5 Дж

2FеС0 3 + 1/2 0 2 + ДТ 2 0 - 2Fе (ВІН) 3 + 2С0 2 + 1,7 10 5 Дж

Хемоорганогетеротрофія - тип харчування, характерний для мікроорганізмів, які отримують необхідну енергію та вуглець з органічних сполук. Серед даних мікроорганізмів багато аеробних і анаеробних видів, що мешкають у ґрунтах та інших субстратах.