Молочнокислые бактерии широко используют для изготовления простокваши, кефира, ацидофилина, кумы-са, сметаны, кваса, сыров, а также в хлебопечении, ква-шении овощей, силосовании кормов, при выделке мехо-вых шкурок и в производстве молочной кислоты.
Пропионовокислое брожение. Этот тип брожения вы-зывают анаэробные пропионовокислые бактерии, пред-ставляющие собой короткие неподвижные, неспоровые, грамположительные палочки. Оптимальная температу-ра для" их развития 30-35°С. Эти бактерии легко сбраживают сахар и молочную кислоту, превращая их в пропионовую и уксусную кислоты с выделением углекис-лого газа и воды:
ЗС 6 Н 12 О 6 = 4СНзСН 2 СООН + 2СН 3 СООН + 2СО 2 + 2Н 2 О.
Типичный представитель этой группы бактерий Bad . acidi propionici развивается в молоке и твердых сырах. Некоторые пропионовокислые бактерии исполь-зуются для получения витамина В 12 в промышленных масштабах.
Маслянокислое брожение. Это процесс превращения углеводов (сахаров, крахмала, декстрина, пектинового вещества) и спиртов (маннит, глицерин) бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кисло-ты, углекислого газа и водорода:
С 6 Н,2О 6 = СН 3 СН 2 СН 2 СООН+2СО 2 +2Н 2 +100 800 Дж.
Источником азота для маслянокислых бактерий слу-жат пептоны, аминокислоты, аммонийные соли и даже молекулярный азот атмосферы. Кроме основных продук-тов брожения, образуются бутиловый и этиловый спир-ты, ацетон и уксусная кислота.
Описано 25 видов возбудителей маслянокислого бро-жения. Все они представляют собой подвижные крупные палочки длиной от 4-5 до 7-12 мкм, при образовании спор приобретают веретенообразную форму, грамполо-жительные, анаэробы. Часто встречаются в почве, на-возе, загрязненной воде и т. д. Наиболее известны из них следующие:
1. Clostridium pasteurianum - типичная масляно-кислая бактерия, образует масляную кислоту, углекис-лый газ и водород (рис. 11).
Рис. 11. Clostridium pasteurianum
2. C . felsineum - сбраживает пектиновые вещества.
3. C . acetobutylicum - сбраживает углево-ды с образованием бутилового спирта.
4. C . saccharobutyricum - переводит угле-воды в масляную кислоту и другие продукты.
Температурный оптимум для развития маслянокислых бактерий 30-40 °С. Маслянокислое брожение хорошо протекает при нейт-ральной реакции. Если оноидет в кислой среде, то на-капливаются бутиловый спирт и ацетон. Масляная кислота сообщает продукту неприятный вкус и запах прогорклого масла.
Маслянокислые бактерии чувствительны к кислой реакции среды, поэтому они могут вызывать порчу сило-са и заквашенных овощей, если молочная кислота на-капливается слишком медленно.
Масляную кислоту широко используют в технике. Сложные эфиры ее отличаются приятным запахом и при-меняются в качестве ароматических веществ в конди-терской и парфюмерной промышленности, например ме-тиловый эфир с яблочным запахом, этиловый эфир с грушевым запахом, амиловый - с ананасным.
Ацетонобутиловое брожение. В процессе его образу-ется значительно больше бутилового спирта и ацетона, чем при маслянокислом брожении. Брожению подверга-ются моносахара, дисахара и крахмал. Возбудитель ацетонобутилового брожения Clostridium acetobutylicum - подвижная палочка размером 3,5-5,0 мкм, анаэробная, спорообразующая, часто клетки ее соединены попарно или в длинные цепочки (рис. 12).
Рис. 12. Clostridium acetobutylicum
В производстве ацетонобутиловое брожение ведут на чистой культуре бактерий при температуре 37–38 °С в кислой среде. Процесс продолжается 36–40 ч.
Ацетон и бутиловый спирт широко применяют в хи-мической и лакокрасочной промышленности, а также при производстве синтетического каучука.
Аэробное разложение
К нему относятся окислительные биохимические про-цессы, связанные с дыханием микроорганизмов в аэроб-ных условиях.
Конечными продуктами дыхания часто могут быть не только угле-кислый газ и вода, но и продукты неполного или частичного окисления ор-ганических веществ (ли-монная кислота, уксусная кислота и т. д.). В приро-де эти вещества используют другие микробы и под-вергают их дальнейшему окислению до С0 2 и Н 2 0. В природных условиях окислению подвержены не только органические вещества, но и многие не-органические: водород, сероводород, аммиак, за-кись железа, восстанов-ленные соединения. Простейшим типом окисления яв-ляется окисление молекулярного водорода до воды:
2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О + 579600 Дж.
Окислительные процессы играют важную роль, осо-бенно в условиях орошения, где избыток воды часто связан с анаэробными процессами и накоплением ядо-витых соединений (FeO, FeS, MnO, CH 4). Мероприятия, направленные на повышение аэрации, будут способство-вать окислению - переводу FeO в FeО 3 , H 2 S в H 2 SО 4 и т. д., т. е. в соединения, не токсичные для растений.
Окисление этилового спирта в уксусную кислоту. Этот процесс осуществляется группой уксуснокислых бакте-рий по уравнению.
СН 3 СН 2 ОН + О 2 = СН з СООН + Н 2 О.
Возбудителями являются аэробные бактерии. Среди них встречаются подвижные и неподвижные. Из рода Acetobacter описан ряд важнейших видов типичных ук-суснокислых бактерий, таких как Acetobacter aceti (рис. 13), Acetobacter pasteurianum , Acetobacter oreeanes schutzenbachii .
Рис. 13. Acetobacter aceti .
Бактерии этого рода - грамотрицательные палочки размером от 0,5 до 8 мкм, иногда соединены в цепочки. Спор не образуют. Одни виды бактерий отличаются от других размерами, различной устойчивостью к спирту, способностью накапливать в среде большее или меньшее количество кислоты (от 6 до 11,5 %).
Для промышленного приготовления уксусной кисло-ты используют виноградное вино или уксусно-спиртовый раствор (10-12 % спирта и 1 % уксусной кислоты). Для питания уксуснокислых бактерий в субстрат добавляют необходимые минеральные соли и витамины. Оптималь-ная температура для развития этих бактерий 20-35° С. Многие уксуснокислые бактерии на субстрате образуют характерные прочные толстые пленки.
Уксуснокислые бактерии широко распространены в природе, встречаются на зрелых плодах, ягодах, в ква-шеных овощах, вине, пиве, квасе.
Окисление углеводов до лимонной кислоты. Лимон-ную кислоту получают с помощью плесневых грибов Aspergillus , которые широко распространены в природе и обнаруживаются в самых различных субстратах.
Основным сырьем для производства лимонной кисло-ты служит меласса (черная патока). Раствор ее, содер-жащий около 15 % сахара с добавлением различных минеральных, солей, в плоских открытых кюветах засе-вают спорами гриба. При хорошей аэрации в специаль-ных камерах процесс продолжается 6-7 дней при тем-пературе около 30°С. Выход лимонной кислоты состав-ляет 50-60 % израсходованного сахара. При недоста-точном количестве сахара грибы потребляют саму ли-монную кислоту.
В последнее время начинает внедряться «глубинный» метод культивирования гриба в специальных закрытых емкостях (ферментерах) с интенсивной аэрацией. Этот метод повышает производительность процесса и не до-пускает загрязнения жидкости посторонней микрофло-рой.
Лимонную кислоту широко используют в медицине, а также при изготовлении кондитерских изделий, без-алкогольных напитков, в кулинарии.
Окисление жиров и жирных кислот. Попадая в почву вместе с животными и растительными остатками, жиры полностью разрушаются (гидролизуются) различными микроорганизмами. При этом образуются глицерин и жирные кислоты. Процесс протекает под действием фер-мента липазы при обычной температуре в присутствии воды. Микробов, выделяющих этот фермент, довольно много. Среди аэробных бактерий он обнаружен у Ba - cteria coli , Proteus vulgaris , Bacillus mycoides , Вас. me - gatherium , Salmonella , а также у стафилококков, пневмококков и стрептококков. Наиболее энергично разла-гают жиры некоторые пигментные и флуоресцирующие бактерии (Bad . prodigiosum , Bad . pyocyanerum , Bad . fluorescens ), актиномицеты и плесневые грибы. Из грибов высокой липолитической способностью обладают Oidium Ictdis , многие виды из родов Aspergillus и Ре nicillium .
Гидролиз жиров микроорганизмами происходит по-стоянно и играет существенную роль в общем круговороте веществ в природе.
Получившиеся в процессе гидролиза глицерин и сво-бодные жирные кислоты постепенно окисляются в почве различными микробами и превращаются в перегнойные кислоты, углекислый газ и воду.
Окисление углеводородов. Почвенные микроорганиз-мы используют эти вещества в качестве источника энер-гии.
Многие бактерии окисляют бензол, нафталин, кис-лородные фенолы, полифенолы и креозолы.
Ксилол, толуол и бензин участвуют в обменных ре-акциях многих видов микробов, в частности Pseudomo - nas и микобактерий.
Существует большая группа микроорганизмов, спо-собных расщеплять углеводороды нефти. Метан может быть окислен в почве короткой палочкой Bad . metani сит с образованием органических соединений и С0 2 . Этой способностью обладают также Bad . ptjocyaneum , Bad . fluorescens .
Другие микроорганизмы, широко распространенные в почве вблизи нефтяных скважин, энергично окисляют этан, пропан (Pseudomonas , Propanica ), минеральные масла, содержащиеся в нефти и парафине (Desulfovibrio ).
Углеводороды расщепляют не только бактерии, но и многие актиномицеты и некоторые грибы.
Разложение целлюлозы (клетчатки). Среди химиче-ских безазотистых веществ растительных остатков от-носительно медленно разлагаются под действием ми-кроорганизмов целлюлоза, лигнин и пектиновые веще-ства.
В природе целлюлоза под влиянием фермента цел-люлозы превращается сначала в дисахарид целлобиозу, а затем под действием фермента целлобиазы переходит в глюкозу. Микроорганизмы, разлагающие клетчатку, распространены больше всего в почве, а также встреча-ются в иле, навозе и даже в пищеварительном тракте многих животных.
Типичный представитель анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий Clostridium cellulosae omelianskii (рис. 14).
Рис. 14. Clostridium cellulosae omelianskii : 1 - молодые клетки; 2 - «барабанные палочки»; 3 - споры.
Впервые она выделена В. Л. Омелянским в 1902 г. Это палочковидная подвижная бактерия длиной 4-7 мкм при спорообразовании принимает вид бара-банной палочки. В природе встречаются разлагающие целлюлозу термофильные бактерии: C . thermocellum - небольшая грамотрицательная спорообразующая палочка и Bacillus cellulosae dissolvens - палочка дли-ной 12 мкм. Оптимальная температура для них 55- 56°С, реакция среды - близкая к нейтральной.
Из аэробных бактерий, разлагающих целлюлозу, особой активностью обладают бактерии рода Cytophaga из класса Myxobacteriae. Это длинные изогну-тые грамотрицательные клетки без оболочки.
Из других видов бактерий, активно разлагающих целлюлозу, можно назвать следующие:
1. Cellvibrio - мелкие, слегка изогнутые палочковид-ные бактерии с закругленными концами, размером в среднем 1,5 мкм, чаще монотрихи или лофотрихи, грамположительные. При культивировании на бумаге образуют желтый пигмент. Оптимальная темпе-ратура для их развития 28-30°С. Расщепление клет-чатки протекает лучше при нейтральной или слабоще-лочной реакции.
2. Cellfacicula - палочка в виде серпа с заострен-ными концами, подвижная. При выращивании на филь-тровальной бумаге выделяет зеленый пигмент.
Под влиянием аэробных форм бактерий клетчатка превращается в студенистое вещество, очень стойкое к действию микробов.
Кроме бактерий, разлагать клетчатку могут отдель-ные виды проактиномицетов, актиномицетов (Streptomyces ) и грибов (Trichoderma , Botritis , Aspergillus и др.).
В кислых почвах разрушают целлюлозу главным об-разом грибы.
В почве при гидролизе клетчатки микроорганизмами образуется гумус. В пищеварительном тракте травояд-ных животных до 70% принятой с кормом клетчатки разлагается микробами, что способствует лучшей перевари-мости грубых кормов.
Расщепление лигнина. Лигнин разрушается очень немногими микроорганизмами, преимущественно актиномицетами, грибами и некоторыми бактериями. Из гри-бов, расщепляющих лигнин в почве, можно отметить представителей Merulius (рис. 15), Coniphora , Fusarium , Mucor .
Рис. 15. Merulius lacrymans .
Расщепление лигнина - всегда результат симбиоза или ассоциации бактерий. Так как это вещество облада-ет большой стойкостью, то процесс его разрушения про-текает сравнительно медленно. Поэтому лигнин имеет тенденцию накапливаться в почве и служит основой об-разования гумусовых комплексов.
Распад пектиновых веществ. Пектиновые вещества представляют собой сложные полисахариды. Они как бы склеивают между собой клетки в растительных тка-нях. Их название происходит из-за способности давать студенистую массу при кипячении (греч. pectos - студ-необразный).
Полное расщепление пектина осуществляется под воздействием ферментов протопектиназы, пектиназы и пектазы до органических кислот, спиртов и газа. Пектинолитическими свойствами обладают многочисленные анаэробные бактерии, плесневые грибы, актиномицеты.
К возбудителям пектино-вого брожения в анаэробных условиях относятся спорообразующие подвижные грамположи-тельные бактерии разме-ром 10-15 мкм. Из них наиболее известны Clo - stridium pectinovorum и C . felsineus .
К аэробным бакте-риям, способным разла-гать пектиновые вещест-ва, принадлежат Bacillus mesenterctis , Pseudomonas fluo - resces . Среди плесневых грибов наиболее активны Aspergillus niger , Penicillium и Botritis cinerea , В. subtilis (рис. 16).
Рис. 16. Bacillus subtilis.
Процесс распада пек-тиновых веществ широко используется при выделении из стеблей лубяных растений (лен, конопля, джут и др.) волокон, идущих на изготов-ление пряжи. Для разрушения пектиновых веществ лубяных растений применяют анаэробную водяную мочку.
После разрушения пектиновых веществ связи между лубяными волокнами и клетками других тканей стебля ослабевают и после высушивания легко отделяются ме-ханическим путем (трепанием и чесанием).
9 ПРЕВРАЩЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА
Азот наряду с такими минеральными элементами, как сера, фосфор, железо, калий и др., является состав-ной частью живой материи. Большой запас на нашей планете составляет атмосферный молекулярный азот. Массовая доля свободного азота в сухом воздухе 0,755 (75,5 %), а его объемная доля - 0,781 (78,1 %). Над каждым гектаром почвы поднимается столб воздуха, в котором сосредоточено 80000 т молекулярного азота. Растения не могут усваивать этот азот, однако некото-рые почвенные микроорганизмы обладают способностью с помощью ферментов фиксировать атмосферный азот и синтезировать белок. Таким образом, первый этап превращения азота в природе заключается в его фикса-ции микроорганизмами.
Белковый азот микроорганизмов, так же как и азот растений и животных, после их гибели минерализуется в почве большой группой аммонифицирующих бакте-рий до аммиака. Поэтому второй этап превращения азота носит название аммонификации.
На третьем этапе аммонийный азот нитрифицирую-щими бактериями частично окисляется в нитраты, этот процесс получил название нитрификации.
Наконец, на четвертом этапе нитратный азот некото-рыми видами бактерий при определенных условиях ча-стично восстанавливается до молекулярного азота - происходит процесс денитрификации.