Типы дыхания бактерий

Дыхание - биологическое окисление различных органических соединений, мин веществ. В итоге образуется энергия, необходимая для обмена веществ, передвижения и существования. Избыток энергии бактерии накапливают в мезосомах, которые располагаются вблизи ЦПМ.

По типу дыхания бактерии подразделяют на группы:

· Аэробныемикроорганизмы, они имеют аэробное дыхание, которое может быть полным и неполным.

При полном субстрат (глюкоза) окисляется под влиянием О₂: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ à 6СО₂ + 6Н₂О + 2874кДж

Бактерии, имеющие полное аэробное дыхание и активно выделяющие энергию в виде тепла, называют термофильными. Они обитатели почвы, много их в навозе. Они вызывают нагревание влажных субстратов и кормов до обугливания и даже до воспламенения. Термофильные бактерии обитают в теплых минеральных источниках, поддерживая их температуру.

При неполном окислении субстрата происходит образование органических кислот, при этом выделяется в 4-5 раз меньше энергии. Существует много видов микробов,  способных осуществлять неполное аэробное дыхание. Их используют в качестве продуцентов уксусной, лимонной, яблочной, щавелевой, янтарной кислот. Большое значение имеет получение уксусной кислоты продуцентами уксуснокислыми бактериями, которые окисляют этиловый спирт до уксусной кислоты и воды и 473кДж энергии. Но возможно и полное аэробное окисление спирта с образованием СО₂ и Н₂О и 1400кДж энергии.

· Анаэробноедыхание - без доступа молекулярного О₂. Различают:

Собственно анаэробное дыхание, когда акцептором кислорода являются нитраты или сульфалы, а субстратом

Если при участии акцептора нитрата, то оно называется нитратным.

Если при участии K₂SO₄, то сульфатным.

Разновидностью анаэробного дыхания является брожение - расщепление углеродосодержащих веществ

В зависимости от того, какой продукт преобладает, различают несколько типов брожения: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое, ацетоно-бутиловое.

· Факультативноедыхание, когда микроорганизмы имеют широкий набор ферментов, позволяющих им существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Однако они тяготеют (предпочитают) определенные условия. Например, E. colli лучше размножается в аэробных условиях, а Bac. antrocis - в анаэробных.

· Микроаэрофильноедыхание, когда размножение идет при низком давлении воздуха и незначительном количестве О₂. Возбудитель рожи свиней, возбудитель бруцеллеза КРС.

 

Брожение - расщепление органических соединений в анаэробных условиях с образованием большого количества промежуточных продуктов. В зависимости от того, какой продукт преобладает, различают несколько типов брожения: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, масляное, ацетоно-бутиловое.

СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ происходит на углеводном субстрате при участии хлебных дрожжей Saccharomyces cerevisia и их рас: S. vini и S. globulis. Различают два типа спиртового брожения: верховое (при температуре +18+30), идет бурно: С₆Н₁₂О₆ à 2 СН₃СН₂ОН + 2СО₂, и низовое брожение (при температуре не выше 10⁰), идет медленно. Низовое брожение используют для приготовления пива, а верховое - для производства спирта.

Спиртовое брожение идет при кислом рН 4,0-5,0 (меньше 5,0). В промышленности субстратом для продуцентов может быть полисахариды зерна, картофеля, древесных опилок. При спиртовом брожении образуются ещё побочные продукты, они ядовитые и токсичные, имеют маслянистую консистенцию и их называют сивушные масла. Спирт требует очистки. Существует несколько технологий очистки. Качество спирта зависит от его очистки. Много токсических продуктов в техническом спирте. При рН 8 и более продуценты преобразуют субстрат по типу гидролиза до уксусной кислоты, глицерина и углекислого газа.

2 С₆Н₁₂О₆ à СН₃СООН + СН₃СН₂ОН + СН₂ОНСНОНСНОН + 2 СО₂. Спиртовое брожение на фоне гидролиза используют для производства глицерина.

МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ проводят молочнокислые бактерии. Они могут дисахарить лактозу и образовывать глюкозу, а затем окислять молочную кислоту. В природе существует большое разнообразие молочнокислых бактерий. Среди них есть мезофильные (активно размножаются при t⁰ +20 +40), психрофильные (0 +10), термофильные (+40 +60).

Различают три типа молочнокислого брожения:

1) Гомоферментативное брожение, когда глюкоза превращается в две молекулы молочной кислоты: С₆Н₁₂О₆ à 2 СН₃СНОНСООН. Гомоферментативное брожение проводят Str. lactis, Str. thermophilus, Str. cremoris и палочки – лактобациллы (на самом деле это не бациллы, а бактерии, их первооткрыватель – Бейринк): Lactobac. lactis, Lactobac. acidophilus, Lactobac. bulgaricus, Lactobact. Phlantarum.

2) Гетероферментативное брожение, когда глюкоза превращается в молочную кислоту, спирт и углекислый газ: С₆Н₁₂О₆ à СН₃СНОНСООН + СН₃СН₂ОН + СО₂. Гетероферментативное брожение проводят молочнокислые дрожжи: Saccaromyces lactis, Lactobac. Fermentum, Lactobac. Brevis.

3) Бифидоброжение, когда глюкоза преобразуется в две молекулы молочной кислоты и три молекулы уксусной кислоты: 2 С₆Н₁₂О₆ à 2 СН₃СНОНСООН + 3 СН₃СООН.

Продуценты молочнокислого брожения используют в качестве заквасок для приготовления кисломолочных продуктов, для приготовления бактериальных препаратов для силосования, если погодные условия не позволяют выдержать технологию.

Бифидобактерии, ацедофильную палочку используют для приготовления пробиотиков – препаратов, содержащих живые полезные бактерии, и диетических молочных продуктов.

ПРОПИОНОВОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ проводят пропионовокислые бактерии (пропионибактерии). Они – обитатели почвы, всегда на поверхности растений. Они в анаэробных условиях три молекулы глюкозы превращают в четыре молекулы пропионовой кислоты, две молекулы уксусной кислоты, е молекулы углекислого газа и две молекулы воды: 3 С₆Н₁₂О₆ à 4 СН₃СН₂СООН + 2 СН₃СООН + 2 СО₂ + 2 Н₂О.

Активными продуцентами пропионовой кислоты являются Propionibact. acnes, Propionibact. acidipropionici. Пропионибактерии могут в качестве субстрата использовать молочную кислоту, преобразуя её в пропионовую и уксусную, что значительно понижает рН силосной массы. Препарат ПКБ используют для предотвращения закисления силосной массы, содержит пропионибактерии. Пропионибактерии обитают в рубце жвачных и там преобразуют глюкозу в пропионовую и уксусную кислоты, которые относят к ЛЖК летучим жирным кислотам). Пропионобактерии – продуценты витаминов группы В, активно их образуют в рубце жвачных и в толстом отделе кишечника. Пропионовокислое брожение всегда идёт при силосовании.

 

МАСЛЯНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ ведут сапрофитные микробы: Cl. pasterianum, Cl. butyricum, а также возбудители злокачественного отека, эмкара, столбняка, ботулизма. Маслянокислые клостридии обитают в почве, являются строгими анаэробами. Четыре молекулы глюкозы они превращают в три молекулы масляной кислоты, две молекулы уксусной кислоты, восемь молекул углекислого газа и восемь молекул водорода: 4 С₆Н₁₂О₆ à 3 СН₃СН₂СН₂СООН + 2 СН₃СООН + 8 СО₂ + 8 Н₂. В промышленности производят масляную кислоту (бутират), продуцент бутирата – Cl. butyricum. Маслянокислое брожение вызывает порчу молочнокислых продуктов и сыров. Проходит маслянокислое брожение и в рубце, где уксусная и масляная кислоты переходят в ЛЖК, а углекислый газ и водород – для отрыжки.

АЦЕТОНОБУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ имеет большое практическое значение. Происходит на субстрате кукурузной муки. Продуцент – Cl. acetobitylicum, которая преобразует субстрат до бутилового, изопропилового, этилового спиртов и ацетона. При этом образуются водород и углекислый газ, которые идут на синтез метилового спирта СН₃СООН.

Микробам свойственна наследственность (преемственность) поколений и изменчивость. Материальной основой наследственности у микроорганизмов является одна хромосома, в её составе 5 тысяч нуклеотидов. У некоторых видов есть дополнительная плазмидная ДНК. Различают два типа изменчивости микроорганизмов:

1) Фенотипическая, наследуемая. Маркером этой изменчивости является изменение культуральных свойств микробов. Такой феномен называется диссоциацией. Культуры с признаками диссоциации не подлежат изучению.

2) Генотипическая, наследственная. Она происходит под действием сильных стрессовых факторов, а появляющиеся новые свойства наследуются. Генотипическая изменчивость происходит в результате мутации или комбинации.