3 1. Бактерии разложения и гниения §В почве содержится огромное число бактерий – сотни миллионов в 1 г. В бедных тундровых почвах или песчаных почвах пустыни их насчитывается, в слабоподзолистых – до миллиарда, а в богатом органическим веществом чернозёме – до 2 миллиардов и выше. Это составляет около 35 сухой массы почвы. §Бактерии принимают участие в выветривании горных пород и минералов. Так, железобактерии сформировали крупные отложения железных руд.
4 2. Азотфиксирующие (почвенные) бактерии §КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ - род бактерий, образующих на корнях многих бобовых растений клубеньки и фиксирующих молекулярный азот воздуха в условиях симбиоза с растением. Вступают в симбиоз с бобовыми растениями. Поселяясь в корнях бобовых, они вызывают образование на них клубеньков, за что и получили название клубеньковых бактерий. Растение поставляет бактериям необходимые им для роста и развития углеводы и минеральные соли, а взамен получает азот, который клубеньковые бактерии способны фиксировать..
5 3. Молочнокислые бактерии §Молочнокислые бактерии участвуют в создании кисломолочных продуктов. Кисломолочные продукты - группа молочных продуктов, вырабатываемых из цельного коровьего молока или его производных (сливок, обезжиренного молока и сыворотки) путём сквашивания заквасками. Молочнокислые продукты изготовляются также из молока овец, коз, кобыл и других животных.
7 Айран Разновидность кисломолочного напитка на основе катыка или разновидность кефира у тюркских и кавказских народов (в разных языках точный смысл названия и технология приготовления немного отличаются, но общим является то, что это молочный продукт, получаемый при помощи молочно-кислых бактерий).
8 Ацидофилин §диетический продукт - молоко, заквашенное особыми (ацидофильными) бактериями. Вырабатывается из молока, сквашенного заквасками чистых культур, одна из которых – ацидофильная палочка. В 1910 году русский ученый Гартье Э.Э. доказал, что ацидофильную палочку можно с успехом применять с лечебными профилактическими целями в борьбе с желудочно-кишечными заболеваниями, и что эта бактерия очищает кишечник от гнилостных и некоторых болезнетворных микробов.
9 Кефир §Кефи́р кисломолочный напиток, получаемый из цельного или обезжиренного коровьего молока путем кисломолочного и спиртового брожения с применением кефирных «грибков» симбиоза нескольких видов микроорганизмов: молочнокислых стрептококков и палочек, уксуснокислых бактерий и дрожжей
11 Ряженка §Ря́женка кисломолочный напиток, получаемый из коровьего топлёного молока совместным молочнокислым и спиртовым брожением. Заквашивание производится термофильными молочнокислыми стрептококками и чистыми культурами болгарской палочки, сквашивается в течение 36 часов. Имеет желтовато- буроватый оттенок и традиционный кисломолочный вкус. Фактически является одной из разновидностей йогурта без вкусовых добавок.
12 Варенец §Варенец. Топленое молоко, приготавливаемое медленным вытапливанием (выпариванием) молока в глиняных крынках в русской печи так, чтобы оно убавилось минимум на треть своего объема и приобрело красноватый оттенок. Для этого молоко ставят в печь после хлебов на несколько часов, в течение которых оно «усыхает», но не кипит. Затем топленое молоко заправляется (заквашивается) сметаной (из расчета 200 г на литр) и выдерживается в закрытом виде 34 часа в теплом помещении.
13 Каймак §Каймак - густые, толстые, как блины, уваренные пенки, приготавливаемые из жирного топленого молока. Молоко для каймака кипятят на слабом огне в плоской посуде и по мере уплотнения пенок снимают их и наслаивают одну на другую, давая затем возможность в течение суток- двух слегка закиснуть. Каймак обладает также и особой микрофлорой, создающейся в нем в результате кислого брожения, что превращает его не только в приятный, вкусный, питательный, но и в полезный продукт, особенно для тех, кто трудно переносит обычные жиры.
Целлюлоза является главной составной частью всякого растительного материала, и синтез ее по своим масштабам превосходит синтез всех других природных соединений. Сохраняющиеся в почве и возвращаю-щиеся в нее растительные остатки на 40-70% состоят из целлюлозы. Столь большое количество целлюлозы в природе обусловливает важ-ную роль разлагающих ее микроорганизмов в процессах минерализа-ции и в круговороте углерода (разд. 1.3).
Целлюлоза состоит из цепочек p-D-глюкозы со степенью полимеризации около 14000 (разд. 2.2.3). Физические свойства целлюлозных фибрилл (особенно их механическая прочность и нерастворимость) зависят не от структуры от-дельных цепочек. Цепочки должны быть связаны между собой таким образом, чтобы гидрофильные группы были скрыты (это повышает стабильность). По данным рентгеноструктурного анализа, участки, имеющие кристаллическое строение, чередуются в целлюлозе с некристаллическими участками. Целлю-лозные волокна представляют собой пучки фибрилл, одетые общей оболочкой, которая содержит воск и пектин.
Ферментативное расщепление целлюлозы осуществляется под воздей-ствием целлюлазы. В экспериментах на грибах было показано, что в си-стему целлюлазы входят по меньшей мере три фермента: 1) эндо-(3-1,4-глюканаза одновременно разрывает различные (3-1,4-связи внутри макромолекулы, что ведет к образованию больших фрагментов со сво-бодными концами; 2) экзо-р-1,4-глюканаза отщепляет от конца цепочки дисахарид целлобиозу; 3) (3-глюкозидаза осуществляет гидролиз целло-биозы с образованием глюкозы.
В условиях лабораторной культуры микроорганизмы обычно синте-зируют эти ферменты лишь в том случае, если целлюлоза-един-ственный имеющийся субстрат. Их синтез подавляют как другие суб-страты, так и продукт расщепления целлюлозы-целлобиоза.
Разложение целлюлозы в аэробных условиях. В хорошо аэрируемых почвах целлюлозу разлагают и используют аэробные микроорганизмы (грибы, миксобактерии и другие эубактерии), а в анаэробных усло-виях-в основном клостридии.
В аэробных условиях значительная роль в разложении целлюлозы принадлежит грибам. Они в этом отношении эффективнее бактерий, особенно в кислых почвах и при разложении целлюлозы, инкрустиро-ванной лигнином (древесины). Большую роль играют в этом процессе представители двух родов - Fusarium и Chaetomium . Целлюлозу расще-пляют также Aspergillus fumigatus , A . nidulans , Botrytis cinerea , Rhizoctonia solani , Trichoderma viride , Chaetomium globosum и Myrothecium verrucaria . Три последних вида служат тест-организмами для выявления распада целлюлозы, а также при испытании средств, применяемых для пропитки различных материалов с целью предохранить их от действия микроор-ганизмов, разлагающих целлюлозу. Грибы образуют целлюлазы, ко-торые можно выделить из мицелия и из питательной среды.
Cytophaga и Sporocytophaga - аэробные бактерии, разлагающие цел-люлозу. Их легче всего выделить обычным методом накопительной культуры в жидких средах. Эти два рода, близкие к миксобактериям, включают много видов. Об использовании целлюлозы миксобактериями и об их первичном воздействии на нее мало что известно. У них не удалось обнаружить ни внеклеточной целлюлазы, ни каких-либо про-дуктов расщепления целлюлозы. Клетки этих бактерий тесно прилегают к волокнам целлюлозы, располагаясь параллельно оси волокна. По-ви-димому, они гидролизуют целлюлозу лишь при тесном контакте с во-локном, и продукты гидролиза тотчас же поглощаются. На агаре с цел-люлозой колонии Cytophaga никогда не бывают окружены прозрачной зоной, в которой находились бы продукты ферментативного расщепле-ния целлюлозы.
Кроме видов Cytophaga на целлюлозе могут расти миксо бактерии родов Polyangium , Sporangium и Archangium , образующие плодовые тела.
Использовать целлюлозу как субстрат для роста могут и многие из тех аэробных бактерий, которые можно было бы назвать «всеядными». Некоторые из них используют целлюлозу, видимо, только в тех слу-чаях, когда нет других источников углерода; синтез и выделение целлю-лаз у таких бактерий регулируются по типу катаболитной репрессии. Некоторые формы, сходные с Pseudomonas , раньше объединяли в группу Cellvibrio . Сейчас их описывают как Pseudomonas fluorescens var. cellulosa . Из коринеформных бактерий следует упомянуть Cellulomonas ; эту бакте-рию предполагали даже использовать для получения белка из целлю-лозы.
Среди актиномицетов описано лишь немного целлюлозоразлагаю-щих видов: Micromonospora chalcea , Streptomyces cellulosae , Strepto - sporangium .
Разложение целлюлозы в анаэробных условиях. В анаэробных усло-виях целлюлозу расщепляют чаще всего мезофильные и термофильные клостридии. Термофильный вид Clostridium thermocellum растет на про-стых синтетических средах, используя в качестве субстрата целлюлозу или целлобиозу, а в качестве источника азота-соли аммония; глюкозу и многие другие сахара эта бактерия не утилизирует. Продуктами сбра-живания целлюлозы являются этанол, уксусная, муравьиная и молочная кислоты, молекулярный водород и С0 2 . Вне клеток целлюлоза расще-пляется, вероятно, только до целлобиозы. К сходным продуктам приво-дит сбраживание целлюлозы мезофильным видом Clostridium cellobioparum . Длинная палочка Bacillus dissolvens ведет себя подобно упомянутым выше видам Cytophaga : клетки этой бактерии тесно приле-гают к волокнам целлюлозы и не выделяют в среду целлюлазы.
Микробиологические процессы в рубце жвачных животных. В рубце жвачных целлюлозу тоже расщепляют главным образом бактерии. Ос-новными источниками углеводов для жвачных служат сено, солома и трава. В сухой траве примерно половину углеводов составляют фрук-тозаны и ксиланы и приблизительно столько же приходится на долю целлюлозы. Целлюлозные компоненты кормов были бы недоступны для использования, если бы у жвачных в процессе эволюции не возни-кли симбиотические отношения с микробами, способными расщеплять целлюлозу (рис. 14.1).
Два первых отдела желудка жвачных - рубец и сетка-это как бы большая бродильная камера (емкостью от 100 до 250 л), в которой существуют идеальные условия для роста многочисленных микроорганизмов; им обеспечены здесь постоянная температура (37-39°С), непрерывная подача минерального рас-твора (около 100-200 л слюны в сутки), хорошо забуференного бикарбонатом и фосфатом (рН 5,8-7,3), периодическое поступление питательных веществ в виде хорошо размельченного, богатого целлюлозой корма и, наконец, механическое перемешивание в результате движений рубца. Таким образом, рубец напоминает систему для полунепрерывного культивирования микроорганизмов.
Среди обитателей рубца преобладают простейшие и бактерии. В 1 мл
содержимого рубца находится несколько миллионов простейших-главным образом инфузорий, относящихся к родам Diplodinium и Entodinium . Это специфические для рубца, мало распространенные в других местах виды. По массе они составляют от 6 до 10% содержи-мого рубца, причем часть этой массы приходится на долю запасенных ими полисахаридов. Однако простейшие, возможно, не играют в рубце жизненно важной роли. Неясно, участвуют ли они в разложении целлюлозы.
С функциональной точки зрения наиболее важными обитателями рубца являются бактерии. В 1 мл рубцовой жидкости содержится от 10 9 до 10 10 бактериальных клеток. На их долю приходится 5-10% сухой массы содержимого рубца. Специфические для рубца бактерии - строгие анаэробы. Дрожжи и другие грибы присутствуют здесь лишь в неболь-шом количестве.
Бактерии перерабатывают полимерные углеводы кормов в простые соединения, такие как жирные кислоты и спирты. Из целлюлозы, крах-мала, фруктозана и ксилана образуются в основном жирные кислоты. По имеющимся данным, разложению подвергается около 90° 0 (по весу) всей поступающей с кормом целлюлозы. При этом образуются боль-шие количества кислот, главным образом уксусной (50-70 об. %), про-пионовой (17-21 об. %) и масляной (14-20 об. %), а также немного вале-риановой и муравьиной. Кроме того, ежедневно образуется до 900 л газа примерно следующего состава (по объему): 65% С0 2 , 27% метана, 7% N 2 , 0,18% Н 2 и следовые количества сероводорода. Сравнительно недавно из содержимого рубца были выделены бактерии, которые и в лабораторных условиях сбраживали целлюлозу до тех же кислот и в тех же соотношениях, что и в рубце. Поэтому можно предполагать, что органические кислоты в рубце образуются в результате разложения целлюлозы бактериями.
Расщеплять целлюлозу в рубце способны Ruminococcus albus и R . flavefaciens - грам-отрицательные кокки; Bacteroides succinoqenes - грам-отрицательная неподвижная палочка, образующая главным образом ук-сусную и янтарную кислоты; Butyrivibrio fibrisolvens ; Clostridium cellobioparum .
Отсутствие в рубце молочной кислоты следует приписать активно-сти бактерии Veillonella alcalescens (Micrococcus lactilyticus ), сбраживаю-щей лактат с образованием пропионата, ацетата, молекулярного водо-рода и СО 2 - Метан не является прямым продуктом разложения целлюлозы: он имеет вторичное происхождение и образуется из жирных кислот, а также молекулярного водорода и С0 2 (разд. 9.4). Образование сероводорода в рубце связано с восстановлением сульфата бактерией Desulfotomaculum ruminis . Selenomonas ruminantium (рис. 2.36,Б) сбраживает глюкозу в молочную, уксусную и пропионовую кислоты.
В местах естественного обитания жвачных-в саваннах и степях-их корм очень беден азотом и белками. Синтез белка обеспечивает симбиотическая мик-рофлора рубца. Дело в том, что у жвачных сформировался весьма эффективный «желудочно-печеночный цикл». Мочевина, образующаяся в печени в процессе обезвреживания аммиака, лишь частично выводится с мочой; вся остальная мо-чевина поступает через слюнные железы и стенку рубца в первые отделы желуд-ка и может использоваться микроорганизмами рубца для синтеза белка (рис. 14.1). Благодаря симбиотическим взаимоотношениям с микроорганизмами рубца жвачные не зависят от экзогенных источников белка. Было неоднократно показано, что коров можно держать на безбелковом корме.
Бактерии играют в питании жвачных двоякую роль. Кислоты, обра-зующиеся при распаде полисахаридов, всасываются здесь же в рубце. Сами бактерии при переходе содержимого рубца в кишечник перевари-ваются, так что вещество их клеток тоже подвергается разложению и усваивается животным. Поскольку бактерии рубца используют и неорганические источники азота, это существенно увеличивает количество белка, получаемое организмом.
Бактерии рубца подвергают растительные жиры гидрированию. Образующиеся насыщенные жирные кислоты всасываются в кишечнике, а затем включаются в собственные жиры крупного рогатого скота, вхо-дящие в состав мяса, молока и масла. У животных, не имеющих рубца, подобного повышения тугоплавкости жира не происходит. Жиры, нака-пливаемые в организме свиньи или грызунов, имеют поэтому более мягкую консгистенцию (более низкую температуру плавления), чем жиры жвачных; они содержат ненасыщенные жирные кислоты и кис-лоты с более короткой цепью, т. е. те, которые поступают с расти-тельным кормом. Если учесть, что не только жиры изменяются под влиянием бактерий рубца, но и 60-90% (по весу) белков крупного рога-того скота имеет бактериальное происхождение, то можно, поедая говя-жий бифштекс, поистине чувствовать себя в гостях у бактерий, а насла-ждаясь свиным шницелем-в гостях у кормовых растений!
Цель работы: на практике ознакомиться с культуральными и морфологическими признаками выделенных целлюлозоразрушающих микроорганизмов.
Наиболее распространенным углеродным соединением в природе является целлюлоза (клетчатка). Целлюлоза составляет от 15 до 60% массы растений, в хлопке и льне содержание целлюлозы достигает 80-95%.
Разложение целлюлозы микроорганизмами является самым большим по масштабам естественным деструкционным процессом, звеном круговорота углерода, обеспечивающего возврат фиксированного в процессе фотосинтеза углерода в атмосферу в виде СО 2 .
Глобальная роль микроорганизмов в этом процессе определяется тем, что ни животные, ни растения, как правило, не способны разлагать целлюлозу. Трансформация целлюлозосодержащих соединений в природе происходит в разных условиях аэрации, температуры, рН среды.
В природе разложение целлюлозы - это сложный, комплексный процесс, происходящий при участии сообщества микроорганизмов, в состав которого входят микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, и микроорганизмы спутники, использующие продукты её распада.
Громадное количество клетчатки в виде растительных остатков и отходов попадает в почву и водоемы, где подвергаются биологическому расщеплению под действием ферментов анаэробных микроорганизмов.
Процесс этот происходит постепенно. Сначала клетчатка гидролизуется с образованием промежуточных продуктов целлобиозы и глюкозы. Конечными же продуктами анаэробного разложения клетчатки являются масляная, уксусная, янтарная, молочная и муравьиная кислоты, водород, углекислый газ, иногда спирт.
Возбудителями анаэробного разложения клетчатки являются микроорганизмы, относящиеся в своем большинстве к роду Clostridium. Clostridium cellulosae Omeljanskii – длинные, подвижные, грамотрицательные палочки. Расположены поодиночке или соединены в нити. Споры крупные, шаровидные, формируются на конце клетки. Гранулезу не образют.
Целлюлозолитические анаэробные микроорганизмы распространены повсеместно. Они всегда обнаруживаются в почвах, в воде, в иле прудов, а также в рубце жвачных животных. Целлюлозолитические микробы в рубце (Ruminococcus flavefaciens, Ruminobacter parvum, Bacteroides succinogenes и др.) расщепляют клетчатку до усвояемых животными форм (летучих жирных кислот). Кроме того, они синтезируют белок и витамины.
В отличие от процесса анаэробного разложения целлюлозы, который осуществляется только бактериями, в аэробных условиях клетчатку разлагают многие микроорганизмы разных систематических групп: бактерии, миксобактерии, актиномицеты, грибы.
В кислых лесных почвах главная роль в превращении целлюлозы принадлежит грибам (p. Trichoderma, p. Aspergillus, Penicillium и др., базидиальные грибы).
В почвах под травянистой растительностью, в степных и луговых ландшафтах вразложении целлюлозы помимо грибов участвуют миксобактерии, актиномицеты, вибрионы p. Cellvibrio.
Процесс аэробного разложения клетчатки – один из этапов превращения углерода в природе, а именно, процесс его минерализации и возвращения в атмосферу в виде углекислого газа.
Быстрота разложения целлюлозной части растительных остатков зависит от степени обеспечения почвы усвояемыми формами азота.
Схема аэробного разложения клетчатки
Общая схема аэробного разложения клетчатки такова: под влиянием комплекса ферментов происходит гидролиз целлюлозы до целлобиозы, которая под действием других ферментов переходит в глюкозу. Последняя при наличии кислорода окисляется в оксикислоты, которые окисляются уже до конечных продуктов с выделением свободной энергии. Образующиеся сахара и оксикислоты служат энергетическим материалом для группы азотфиксирующих микроорганизмов. При аэробном окислении клетчаки могут также образовываться уроновые кислоты, которые, соединяясь с белком, принимают непосредственное участие в образовании гумуса.
Пугающие фото с запечатленными на них разлагающимися трупами высших организмов воспринимаются человеком как бедствие, катастрофа и одно из проявлений вселенского зла. Но после первых реакций, вызванных эмоциями, на выручку приходит здравый смысл и понимание того, что разложение органики – обязательный процесс, без которого невозможен круговорот веществ, и что за каждым гниением видны признаки зарождающейся жизни. Удивление скорее вызывает тот факт, что, как ни богата по своим формам органическая жизнь, единственными на планете Земля организмами, ответственными за ее разложение, являются бактерии.
Что такое разложение
Сама суть процесса разложения заложена в названии. Однако в связи с наличием определенных характерных только для разложения органики признаков, этот вид разложения носит еще одно название – гниение.
То, что в процессе гниения сложная материя разлагается на более простые составляющие, естествоиспытатели установили давно. Но этапы протекания разложения, его продукты и потенциальная опасность для устанавливались микробиологами в течение нескольких десятков лет в процессе сложных исследований.
На современном этапе научное представление о разложении органики до простых неорганических соединений с участием следующим образом:
- Существуют бактерии, метаболизм которых предусматривает химическую возможность разрывать связи в молекулах органических соединений с содержанием азота. Они в процессе питания захватывают органические молекулы белка и аминокислот.
- Вырабатываемые бактериями ферменты протеазы в процессе гидролиза разрывают пептидные связи в белках и в несколько этапов расщепления высвобождают из белковых молекул аммиак, сероводород и некоторые группы аминов.
- Продукты, которые поступили внутрь бактерии в результате предыдущих химических превращений, используются ею для получения АТФ (энергии).
Микроорганизмы, освобождающие аммиак
Бактерии, которые участвуют в круговороте азота, – одна из самых распространенных групп прокариотических микроорганизмов. В естественных экосистемах они являются микроорганизмами-редуцентами и играют ключевую роль в минерализации почв.
Основными представителями аммонифицирующих бактерий (именно так называют микроорганизмы, способные высвобождать азот из органических соединений) являются некоторые виды спорообразующих клостридий, бацилл и .
Так, одна из самых распространенных бактерий – (Bacillus subtilis) – наиболее изученный человеком аммонификатор, наряду с кишечной палочкой Escherichia coli.
Сенная палочка живет в основном в грунте и дышит кислородом. Это достаточно крупный живой организм, состоящий из одной безъядерной клетки. Конечно, обычным фотоаппаратом фото этого микроорганизма не получишь, но изображения именно сенной палочки получить совсем несложно с использованием увеличительных технологий. Для получения жизненной энергии сенная палочка вырабатывает катализирующие ферменты – протеазы, которые находятся на внешней поверхности клеточной стенки бактерии.
Протеазы – белки, которые отвечают за разрушение пептидных связей между аминокислотами в белках (как известно, белок – это связка аминокислот). Находясь на поверхности бактериальной клетки, протеаза вступает в реакцию гидролиза с оказавшейся поблизости азотсодержащей молекулой белка, разрушает пептидную связь между отдельными аминокислотами захваченного белка, высвобождая аминогруппу.
Высвобождение может происходить в несколько этапов с образованием сначала крупных полипептидов, потом все меньше и меньше. Длится это до тех пор, пока вся молекула белка достигает состояния, при котором благодаря транспортным белковым группам самой бактерии необходимые для вещества попадают в цитоплазму клетки и с их участием синтезируется АТФ.
Этот процесс получения бактериями питательных веществ из органических соединений и называется гниением. Чем гниение отличается от других метаболических бактериальных процессов с антропогенной (человеческой) точки зрения? В процессе гниения бактериями образовываются токсичные для человека соединения.
Ядовитые продукты
Человек, зараженный продуктами гниения, нуждается в срочной медицинской помощи. Накапливание в организме токсичного аммиака, одного из продуктов гидролиза аммонификации азотсодержащих белков, инициируется как некоторыми видами клостридий, так и некоторыми энтеробактериями, в том числе и кишечной палочкой Escherichia coli.
В результате метаболизма аммонификаторов в тканях человеческого организма скапливается аммиак. При нормальной работе всех систем организма аммиак в печени связывается до состояния органической мочевины.
Образование мочевины из ядовитого аммиака происходит следующим путем:
- из аммиака высвобождаются атомы азота (первая стадия образования мочевины);
- образуется цитруллин (аминокислота, названная по наименованию арбуза и присутствующая в составе волос млекопитающих) – первая аминогруппа для мочевины;
- отдельно образуется другая аминогруппа мочевины – аспартат (аспарагиновая кислота, которая, кроме образования мочевины, выполняет функцию нейромедиатора);
- завершающей стадией образования мочевины является аргинин (основная аминокислота, которая обуславливает один из процессов формирования ДНК).
Разложение целлюлозы
Одним из основных процессов получения бактерией глюкозы является разложение целлюлозы. Следует отметить, что больше никакие живые организмы, кроме грибов и бактерий, не в состоянии разложить молекулы органического полимера – целлюлозы. Целлюлозолитическими , содержащие в себе ферменты, позволяющие производить разложение целлюлозы.
Такие бактерии есть и в организме человека. Именно они отвечают за переваривание растительной пищи. Ведь клеточные стенки растений по большей части состоят из целлюлозы.
Разложение целлюлозы может осуществляться как кислорододышащими бактериями (аэробами), так и анаэробами. При этом процесс разложения целлюлозы в первом и во втором случае существенно отличается:
- аэробы окисляют молекулы целлюлозы до углекислого газа и воды;
- анаэробы в процессе гидролиза разлагают молекулы целлюлозы до органических кислот, этанола, углекислого газа и водорода.
Среди микроорганизмов, которые участвуют в анаэробном разложении целлюлозы. В рубце (желудке) жвачных животных насчитывается около 200 видов бактерий, отвечающих за различные биохимические процессы.
Бактерии. Всегда ли они приносят человеку вред?
При хранении мяса с признаками ослизнения происходит дальнейшая его порча - гниение. Его вызывают различные аэробные и факультативно-анаэробные неспорообразующие бактерии, а также спорообразующие аэробные и анаэробные бактерии.
При температуре хранения около 0 ºС гниение в основном обусловливается жизнедеятельностью психрофильных бактерий, чаще всего рода псевдомонас. При повышенных температурах хранения гниение мяса вызывают мезофильные гнилостные микроорганизмы: неспорообразующие бактерии - палочка обыкновенного протея (Proteus vulgaris) и чудесная палочка (Serratia marcescens), сенная палочка (Вас. subtilis), картофельная палочка (Вас. mesentericus), грибовидная палочка (Вас. mycoides) и другие аэробные бациллы; анаэробные клостридии - палочка споро-генес (Cl. sporogenes), палочка путрификус (Cl. putrificus) и палочка перфрингенс (Cl. perfringens).
Гниение может происходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. В процессе гниения под влиянием протеолитических ферментов гнилостных бактерий осуществляется постепенный распад белков мяса с образованием неорганических конечных продуктов - аммиака, сероводорода, диоксида углерода, воды и гипофосфатов (при аэробном процессе) - или, кроме того, с накоплением большого количества органических веществ, образующихся в результате неполного окисления продуктов дезаминирования аминокислот - индола, скатола, масляной и других органических кислот, спиртов, аминов (при анаэробном процессе). Многие из продуктов распада белков (индол, скатол, сероводород, аммиак, масляная кислота) придают мясу неприятный, гнилостный запах.
Гниение, вызываемое аэробными и факультативно-анаэробными бактериями, попавшими на мясо при экзогенном обсеменении после убоя, разделки и хранения мяса, начинается с поверхности мясных туш. Вначале на ней вырастают микроскопические микробные колонии. Видимых органолептических изменений мяса в это время не отмечается. Затем колонии разрастаются, их количество увеличивается. Поверхность мяса приобретает серую или серовато-зеленую окраску, размягчается. Понижается упругость мышечной ткани, изменяется запах мяса. В дальнейшем гнилостные бактерии проникают в толщу мяса и вызывают распад мышечной ткани. Реакция мяса постепенно переходит из слабокислой в щелочную вследствие образования аммиака и других соединений.
Анаэробное гниение мяса начинается в глубине мышечной ткани. Оно вызывается анаэробными и факультативно-анаэробными бактериями, чаще всего проникающими в мясо из кишечного тракта эндогенным путем. При анаэробном гниении наблюдаются такие же изменения цвета, консистенции и других органолептических показателей мяса, как при аэробном процессе гнилостного распада, которые сопровождаются еще более неприятным, зловонным запахом, так как при этом образуется значительно большее количество дурно пахнущих веществ. В обычных условиях при гниении мяса чаще всего одновременно происходят как анаэробные, так и аэробные процессы.
Мясо с признаками гниения непригодно для пищевых целей и подлежит технической утилизации, так как содержит много ядовитых веществ.
2.2.1 Гнилостные бактерии широко представлены в природе. Они обнаруживаются в почве, воде, воздухе, в пищевых продуктах, в кишечнике людей и животных. Гнилостные бактерии вызывают распад белков с выделением ядовитых и дурнопахнущих веществ. Среди гнилостных бактерий имеются аэробные и анаэробные палочки, образующие и не образующие спор. Многие из них являются мезофилами, но имеются психрофилы, а также холодоустойчивые и термостойкие виды. Большинство гнилостных бактерий чувствительны к кислотности среды. Наиболее распространенными и активными из гнилостных бактерий являются аэробные споровые палочки: сенная, картофельная, грибовидная, цереус.
2.2.2 Сенная палочка (Bacillus subtilis) – грамположительные короткие палочки с закругленными концами и центрально расположенной спорой. Развиваются в широком диапазоне температур от 5 до 45С, обладают высокой протеолитической и гликолитической активностью.
2.2.3 Грибовидная палочка (Bacillus mycoides) – грамположительная подвижная палочка, образующая спор и капсул. На МПА формирует ветвистые колонии, похожие на мицелий грибов. Развивается при температурах от 10 до 45С.
2.2.4 Палочка цереус (Bacillus cereus) – крупная грамположительная подвижная палочка, спорообразующая, некоторые штаммы формируют капсулу. Эти бактерии растут при температуре от 10 до 48С, могут развиваться при недостатке кислорода, устойчивы к высокой концентрации поваренной соли и сахара, способны продуцировать ядовитые вещества.
2.2.5 К аэробным бесспоровым палочкам относятся бактерии рода Pseudomonas : Ps. рrodigiosum, Ps. fluorescens, Ps. аeruginosa. Все они являются подвижными грамотрицательными палочками, не образующими спор и капсул, строгими аэробами. Оптимальная температура роста 15 - 20С, но многие виды развиваются при температуре –2 - +5С. Псевдомонасы характеризуются высокой протеолитической и липолитической активностью, способны сбраживать углеводы с образованием кислот, продуцировать слизь. Развитие и биохимическая активность этих бактерий затормаживаются при рН ниже 5,5 и при 5 – 6%-ной концентрации поваренной соли. Псевдомонасы являются антагонистами многих бактерий и плесеней, т.к. вырабатывают антибиотические вещества. Некоторые виды этих бактерий способны вызывать заболевания животных и растений.
2.2.6 факультативно анаэробным гнилостным бактериям относятся палочки рода Proteus . Протей представляет собой полиморфные грамотрицательные палочки, спор и капсул не формируют, обладают очень энергичной подвижностью. Это свойство лежит в основе метода выделения протея из пищевых продуктов. Некоторые виды протея продуцируют токсичные для человека вещества. Палочки протея хорошо развиваются в широком температурном диапазоне от 6 до 40С. Протей вызывает гниение с образованием сероводорода.
2.2.7 Анаэробными спорообразующими гнилостными бактериями являются Сl. рutrificum, Сl. sporogenes . Палочка путрификум – это грамположительная длинная подвижная палочка, иногда располагается в цепочках, образует довольно термоустойчивые споры на конце клетки. Эти палочки являются облигатными анаэробами с оптимальной температурой развития 37 - 43С, вызывают энергичный распад белков с обильным газообразование (NH , Н S).
2.2.8 Cl. sporogenes - крупная, подвижная грамположительная палочка, образует термостойкие споры, расположенные ближе к концу клетки, в мазках нередко формирует цепочки. Характерной особенностью этих бактерий является быстрое спорообразование в течение первых суток роста. Спорогенная палочка сбраживает углеводы с образованием кислот и газа, обладает высокой протеолитической и липолитической активностью.
2.2.9. Микрококки. Семейство микрококков включает роды Micrococcus, Staphylococcus, Sarcina, широко распространенные в природе. Клетки имеют форму шара, неподвижные. Являются аэробами и факультативными анаэробами. Наряду с сапрофитными существуют и патогенные виды, вызывающие заболевания у людей и животных, а также пищевые отравления.
Род микрококков относится к строгим аэробам. На МПА образуют небольшие круглые колонии белого, желтого и розового цветов. Оптимальная температура развития 20 - 25С, но могут расти и при 5 - 8С.
2.3 Кислое брожение. Иногда мясо подвергается кислому брожению, которое сопровождается появлением неприятного, кислого запаха или зеленовато-серой окраски на разрезе и размягчением мышечной ткани. Возбудителями этого вида порчи являются психрофильные лактобациллы, микробактерии и дрожжи, которые способны развиваться в глубине мышечной ткани, где создается низкая концентрация кислорода. Эти микроорганизмы, размножаясь в продукте, ферментируют углеводы мышечной ткани с выделением органических кислот.
К процессу кислого брожения может присоединиться процесс гниения, поэтому мясо с названными признаками можно использовать на основании результатов лабораторного исследования.
III. Возбудители порчи хлебобулочных изделий.
1. Картофельная болезнь.
Вызывается развитием в хлебе спороносных бактерий - картофельной, или сенной, палочкой (Вас. mesentericus). Эти бактерии, широко распространенные в природе, находятся на поверхности зерна (особенно если зерно произрастало в жарком климате). Споры картофельной палочки при помоле переходят в муку. Термоустойчивые споры сохраняют свою жизнедеятельность и при выпечке хлеба. В процессе хранения хлеба споры при благоприятных условиях образуют бактериальные клетки, которые своими ферментами разлагают мякиш хлеба.
Различают четыре степени заболевания хлеба:
1. первоначальное, при котором образуется легкий посторонний запах и отдельные нити, тянущиеся при разламывании изделия.
2. слабое - запах заметный, нитей становится больше.
3. среднее - наряду запахом и тянущимися нитями возникает липкость мякиша.
4. сильное - мякиш темный и липкий, с неприятным запахом.
Для размножения картофельной палочки оптимальными являются температура 37-40 °С и слабокислая или щелочная реакция среды. Повышение кислотности подавляет жизнедеятельность и размножение возбудителей болезни.
2. Заболевание хлеба, вызываемое бактерией «чудесная палочка». Встречается очень редко. «Чудесная палочка» - бесспоровая бактерия, образующая пигмент красного цвета. Оптимальная температура для ее роста 25-30 °С. «Чудесная палочка» встречается на земле, в воде и на пищевых продуктах. Попадая в хлеб из внешней среды, она окрашивает мякиш в красный цвет, осахаривает крахмал и разлагает белки хлеба. Эта бактерия не образует вредных для человека веществ, однако пораженный ею хлеб теряет товарный вид и негоден к употреблению. При температуре 40 °С этот микроорганизм погибает.
3. Меловая болезнь. Вызывается особыми дрожжеподобными грибами, которые попадают в хлеб с мукой. В результате их развития на корке и в мякише хлеба образуются белые сухие пятна, напоминающие мел. Меловая болезнь встречается очень редко, для здоровья человека она не опасна, однако заболевший ею хлеб не годен для употребления.
4. Плесневение хлеба возникает при длительном хранении хлеба. Оно происходит в результате попадания спор плесени из окружающей среды на выпеченный хлеб. Оптимальные условия для развития плесени - температура 25-35 °С и относительная влажность воздуха 70-80 %. Плесневые грибы сначала поражают корку хлеба, а затем и мякиш. Ферменты плесени разлагают мякиш хлеба, портят его вкус и запах. Некоторые виды плесени вызывают серьезные отравления, хронические заболевания печени. Отравляющие вещества плесени - микотоксины. Наиболее опасными из них являются афлотоксины. Они вызывают раковые заболевания. Чаще всего на хлебе развивается плесень рода: мукор, пеницилл, аспергилл.