Культивирование бактерий микробиология, микробиология бактерии лекция, механизмы питания бактерий микробиология

Человечество для своих нужд с давних пор широко использовало многие процессы, не догадываясь об их микробиологической природе. К такой «полезной» деятельности микроорганизмов можно отнести:

1. производство продуктов питания (кваса, пива, вина, спирта, уксуса, хлеба, молочнокислых, квашеных и соленых продуктов, рыбных и мясных продуктов ферментации);
2. производство пищевого и кормового микробного белка, пищевых добавок и кормов для животных;
3. получение индивидуальных химических веществ (растворителей, газов, ферментов, витаминов, органических и аминокислот, нуклеотидов, биополимеров, токсинов и т.д.), причем некоторые продукты вообще не могут быть получены химическим путем или их образование чрезвычайно дорого;
4. получение препаратов для медицины, ветеринарии и сельского хозяйства (вакцин, сывороток, антибиотиков, алкалоидов, стероидов, гормонов, стимуляторов роста растений, микробных удобрений и т.д.);
5. участие микроорганизмов в ряде непищевых производств (биогидрометаллургии, изготовлении льняных волокон и табачных изделий);
6. переработка промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов и очистка окружающей среды от загрязнений;
7. применение различных физиологических групп микроорганизмов (фототрофов, гидролитиков, бродильщиков, метилотрофов, метаногенов и т.д.) для создания замкнутых систем жизнеобеспечения на космических станциях и подводных лодках, находящихся в автономном плавании. В таких системах продукты жизнедеятельности человека служат питательным субстратом для микроорганизмов, производящих пищевой белок и кислород для дыхания;
8. использование микроорганизмов в качестве тест-систем, биосенсоров, моделей и инструментов научных исследований.

«Вредными» микробными процессами являются:

• порча пищевых продуктов;
• микробная коррозия промышленных и бытовых объектов и материалов;
• болезнетворность микроорганизмов для человека, животных и растений.

Следует иметь в виду, что «полезность» и «вредность» здесь рассматриваются именно по отношению к интересам человека, которые часто противоречат «интересам» природы в целом. Например, негативный для человека процесс порчи пищевых продуктов является лишь одной из сторон необходимого природного процесса деструкции органических веществ.

Создание любого микробиологического производства требует проведения предварительных лабораторных исследований. Они заключаются в поиске продуцентов, всестороннем изучении их свойств и оптимизации способов культивирования. Следующим этапом является масштабирование процесса и испытание его в промышленных условиях. При этом происходит постепенный переход от культивирования микроорганизмов в колбах к выращиванию в лабораторных ферментерах и затем – в промышленных установках большого объема. На таком заводе всегда функционирует микробиологическая лаборатория, сотрудники которой постоянно следят за состоянием микроорганизма-продуцента, способного видоизменяться в процессе производства и хранения. Они контролируют отсутствие посторонних микроорганизмов и бактериафагов, создают условия для поддержания высокой активности продуцента, следят за расщеплением продуцента на диссоциативные варианты, проводят периодические рассевы, отбирая высокопродуктивные колонии микроорганизма.

Микробиологические производства постоянно совершенствуются. Одним из путей является применение мутантных и генно-инженерных продуцентов. Например, для получения промежуточных соединений различных циклов (ЦТК) используют регуляторные мутанты, что позволяет накапливать органические и аминокислоты. Путем введения определенных генов в микробную клетку микроорганизмы могут быть превращены в продуцентов, производящих в сверхколичествах уникальные вещества с заданными свойствами (высокотермостабильные ферменты, искусственно сконструированные пептиды и белки, человеческие терапевтические агенты – инсулин, интерферон, эпидермальный фактор роста, поверхностный антиген вируса гепатита В и т.д.).

Для получения новых свойств у ряда продуцентов (дрожжей, плесневых грибов, стрептомицетов, лактококков) применяют метод «слияния протопластов». Для этого ферментативно удаляют клеточную стенку и частично растворяют ЦПМ под действием полиэтиленгликоля, что позволяет протопластам двух штаммов соединиться. В этих условиях их генетический материал подвергается рекомбинации, в результате полученный продуцент после регенерации клеточной стенки будет обладать новыми свойствами. Такие микроорганизмы менее стабильны, чем « дикие», поэтому необходимо применять соответствующие методы сохранения их активности. Из относительно новых способов хранения можно назвать лиофилизацию и хранение под жидким азотом.

Еще один технологический прием – это иммобилизация (закрепление) клеток и/или ферментов на (в) твердом носителе. В зависимости от природы носителя и механизма прикрепления иммобилизация бывает нескольких видов. При иммобилизации не только изменяется пространственное положение продуцента для удобства работы с ним, но и происходят значительные преобразования его жизнедеятельности за счет изменения свойств поверхностных структур клетки (в частности, ЦПМ) и образования новой поверхности раздела фаз. Примеры некоторых производственных процессов, основанных на использовании закрепленных клеток, приведены в таблице.

Таблица.

Производственные процессы, основанные на использовании иммобилизованных клеток.

Для повышения эффективности промышленных микробиологических процессов постоянно ведется работа по совершенствованию аппаратов для культивирования и полной автоматизации и компьютеризации процесса.

↑Приготовление пищевых продуктов с помощью микроорганизмов

Задолго до того, как были раскрыты микробиологические механизмы приготовления ряда продуктов, человек интуитивно научился использовать их в своей жизни. Издавна известны способы выпечки хлеба, приготовления кваса, вина, кисломолочных продуктов, квашеных овощей, некоторых мясных изделий и различных национальных кушаний. Например, у народов Севера с древних времен и до наших дней сохранился способ приготовления китового мяса, позволяющий им восполнять недостаток витаминов и аминокислот: сырое мясо заворачивают в шкуру и кладут под снег для «вызревания», происходит развитие микроорганизмов, образующих витамины, а также частичный гидролиз белка, дающий пептиды и аминокислоты. Некоторые продукты, в приготовлении которых задействован микробный метаболизм, представлены в таблице.

Таблица.

Пищевые продукты, при изготовлении которых используются микроорганизмы.