Файл: Технология гидролизных производств учебник..pdf

емостью к условиям жизни и устойчивостью. Некоторые из них живут без кислорода, в горячих источниках, среди полярных льдов.

Микроорганизмы участвуют в разнообразных процессах превра­ щения и круговорота веществ в природе.

Жизнедеятельность микробов широко используется в промыш­ ленности для получения органических кислот, высших спиртов, ацетона, аминокислот, ферментов, витаминов, гормонов, стимуля­ торов роста, бактериальных удобрений. Микробы являются ис­ точником получения антибиотиков.

На использовании дрожжевых грибов основано производство кормовых и пекарских дрожжей, пищевого и технического спирта, винокурение, пивоварение, хлебопечение.

Многие из перечисленных продуктов в настоящее время могут быть получены только микробиологическим путем.

Микроорганизмы оказались удобными и ценными объектами для биохимических и особенно генетических исследований, так как у них необычайно быстро сменяются поколения, они интенсивно растут и образуют большие количества продуктов обмена.

Распространенность и разнообразная деятельность микроорга­ низмов связывают микробиологию с такими науками, как почво­ ведение, агрономия, геология, генетика, молекулярная биология, биохимия, биофизика, медицина, и с рядом технических наук.

Микробиология как наука возникла во второй половине XVII в. Впервые мельчайшие живые организмы наблюдал Афанасий Кирхер. Ранний период развития микробиологии характеризуется изучением и описанием многочисленных форм микроорганизмов. Многие из них открыл и описал голландский ученый А. Левенгук (1632— 1723).

При изучении микробов русский ученый М. М. Тереховский (1740— 1796) впервые применил экспериментальный метод иссле­ дования и тем самым создал основу для дальнейшего развития микробиологии и использования микроорганизмов в практической деятельности.

Во второй половине XIX в. работами крупного французского ученого Л. Пастера (1822— 1895) начинается период изучения деятельности микроорганизмов, их роли и значения в природе и тех­ нике. Исследователи изучают физиологические функции микроор­ ганизмов, происхождение, природу и биохимические процессы, связанные с их жизнедеятельностью. С именем Пастера связано возникновение технической микробиологии.

Работы немецкого ученого Р. Коха (1843— 1910), разработав­ шего методику получения чистых культур микроорганизмов, име­ ли большое значение для их систематики.

В развитии микробиологии и биохимии большую роль сыграли русские ученые. Научная деятельность основателя микробиологии в России Л. С. Ценковского (1822— 1877) была посвящена иссле­ дованию низших организмов. Большое значение для развития тех­ нической микробиологии имели труды С. П. Костычева, С. Н. Ви­ ноградского, В. Л. Омелянского, В. Н. Шапошникова и др.

160

В. Н. Шапошников организовал и усовершенствовал ряд бродиль­ ных производств в СССР: производство молочной, масляной, ук­ сусной кислот, ацетона и бутилового спирта.

На развитие микробиологии большое влияние оказали дости­ жения химии, физики, математики.

Биохимическое направление в развитии микробиологии сейчас достигло своего расцвета. В настоящее время микробиология ох­ ватывает все области жизни, играет важную роль в развитии мно­ гих отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, космонавтики. В связи с освоением космоса возникла космическая микробиология, изучающая вопросы биологической эффективности космической радиации, а также проблему жизни в космосе и на других планетах. На уровне микробиологии решаются проблемы синтеза белка, происхождения и развития жизни.

Характерная особенность современной технической микробиоло­ гии— широкое практическое применение различных микроорганиз­ мов, в результате чего возникают новые биохимические производ­ ства, новые отрасли промышленности.

На основании исследований отечественных ученых в 30-е годы нашего века в Советском Союзе начало развиваться производство этилового спирта и кормовых дрожжей из непищевого раститель­ ного сырья, в последние годы начали получать белково-витамин­ ный корм из углеводородов нефти.

Общая характеристика микроорганизмов

К микроорганизмам относят организмы, большинство из которых можно видеть под микроскопом. Объединение их в одну группу обусловливается близостью размеров, форм и строения, общностью методов культивирования и исследования, элементами генетиче­ ской связи и изменениями, происходящими в среде в результате их жизнедеятельности.

Основные группы микроорганизмов следующие:

1.Бактерии. Они представляют собой простейшие, в основном одноклеточные, организмы, размножающиеся делением.

2.Дрожжи. К ним относятся одноклеточные бесхлорофилловые грибы; для них необходимы безазотистые источники углеродистого питания (в основном сахара); они вызывают спиртовое брожение

иобразуют внутри клетки споры.

3.Дрожжеподобные грибы. Они подобны дрожжам, но не обра­ зуют споры; используются для выращивания кормовых дрожжей.

4.Плесневые, или мукоровые, грибы (мукор означает плесень). Тело этих грибов представляет собой сплетение тонких .нитей

(гиф), образующих грибницу — мицелий. От некоторых гифов ми­ целия поднимаются более толстые нити — спорангиеносцы, на ко­ торых находятся спорангии с образующимися в них спорами — ор­ ганами размножения. Большинство плесневых грибов — многокле­ точные организмы.

5. Актиномицеты (греч. mykes — гриб, actis — луч), или лучи­ стые грибки. Это одноклеточные микроорганизмы, имеют нитча­ тое ветвистое строение, относятся к переходным формам между бактериями и плесневыми грибами. Многие из них образуют ан­ тибиотики.

Размеры бактерий колеблются в пределах от десятых долей ми­ крона до нескольких микронов. Некоторые микроорганизмы мож­ но обнаружить только с помощью ультрамикроскопа или элек­ тронного микроскопа. К ультрамикроскопическим организмам от­ носятся бактериофаги и фильтрующиеся вирусы.

Размеры спиртообразующих дрожжей сахаромицетов состав­ ляют: длина 8— 12 мкм, ширина 4—6 мкм, шизосахаромицетов со­ ответственно 10—25 и 4—5 мкм. Длина дрожжеподобных грибов колеблется в пределах 7— 10 мкм, ширина — в пределах 3—8 мкм. Нити, образующие мицелий актиномицетов, имеют диаметр 0,4— 0,8 мкм и длину 12—25 мкм.

Бактерии по внешней форме делятся на шаровидные и палочко­ видные. Шаровидные встречаются в виде отдельных шариков, сце­ пленных попарно, образующих пакеты по восьми клеток (сарцины) или цепочку. Палочковидные бывают прямыми, изогнутыми, сцепленными по две или по нескольку.

Дрожжи имеют шаровую, палочковидную, овальную и ветви­ стую форму, дрожжеподобные грибы — овальную, вытянутую и ветвистую.

По форме актиномицеты представляют собой тонкие ветвящи­ еся нити, образующие мицелий. Некоторые актиномицеты похожи на длинные палочковидные бактерии, немного искривленные или имеющие боковые выросты (ветви).

На рис. 45 представлены формы микроорганизмов.

Строение микробной клетки. Установить строение микроорга­

низмов, тонкую структуру цитоплазмы возможно только применяя специальные методы, а именно: 1) окрашивание микробных кле­ ток специфическими красителями; 2) электронную и ультрамикро­ скопию; 3) оптические методы: а) флюоресцентную и фазовоконт­ растную микроскопию, дающую возможность получить контраст- ное-изображение структурных элементов живых микробных клеток; б) люминесцентную микроскопию, позволяющую различать мелкие структуры и состояние микробов по характерному свече­ нию, которое появляется под действием ультрафиолетового или си­ не-фиолетового света. С помощью люминесценции, например, наб­ людали свечение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), содер­ жащейся в микробных клетках. Для более глубокого изучения строения и жизнедеятельности микроорганизмов используют так­ же изотопы, хроматографию, спектроскопию и современные ме­ тоды генетики.

Дрожжевая клетка имеет сложное строение. На рис. 46 пред­ ставлена электронная микрофотография среза дрожжевой клет­ ки. Ее основные структурные элементы— цитоплазма и ядро. Клетка окружена наружной оболочкой, которая сохраняет форму

162

клетки, регулирует обменные процессы, поддерживает внутрикле­ точное осмотическое давление и защищает клетку от внешних воз­ действий. Оболочка молодых клеток очень тонка, с возрастом или в неблагоприятных условиях внешней среды она утолщается (0,5— 1,0 мкм).

К внутренней стороне клеточной оболочки прилегает тонкая ци­ топлазматическая мембрана, ограничивающая цитоплазму клетки;

Рис. 45. Формы микроорганизмов:

/ — бактерии: а — шаровидная; б — палочковидная; 2 — дрожжи: а — шаровая; б — палочко­

толщина ее 50—80 Â. Цитоплазматическая мембрана играет важ­ ную роль в обмене веществ между клеткой и окружающей средой. Она обладает избирательной проницаемостью и регулирует по­ ступление веществ в клетку. Главная составная часть мембраны — липоидно-протеиновый комплекс.

Внутри цитоплазматической мембраны находится собственно ци­ топлазма с различными включениями.

В цитоплазме происходят все важнейшие жизненные процессы дрожжевой клетки. Цитоплазма обладает характерными свойст­ вами живой материи и способностью непрерывно обновлять свою внутреннюю структуру, превращая в нее питательные вещества

среды. Цитоплазма имеет слоистую, гранулярную или зернистую структуру.

В центральной части клетки находятся вакуоли. Они обычно ок­ руглой формы, отделены от цитоплазмы липопротеидной оболоч­ кой и заполнены клеточным соком, представляющим собой вод­ ный раствор различных солей — электролитов, от которых зависит физико-химическое состояние клетки. Вакуоли содержат так­ же тонкодиспергированные липоиды, углеводы и ферментные си-

стость обозначается яснее.

Важными структурными образованиями (гранулами) цитоплаз­ мы являются митохондрии и рибосомы.

Митохондрии ■— удлиненные или нитчатые частицы, окруженные полупроницаемой липопротеидной мембраной. Длина их около 15000 А, диаметр около 5000 А.

В митохондриях находятся многие ферменты, в частности дыха­ тельные, поэтому они играют важную роль в окислительно-восста­ новительных процессах клетки, в обмене жиров, углеводов и ами­ нокислот. Особенно велико значение митохондрий в энергетиче­ ском обмене живой клетки, так как в них осуществляются процессы дыхания и происходит синтез аденозинтрифосфорной ки­ слоты (АТФ), являющейся источником энергии, необходимой для поддержания жизни клетки.

Рибосомы дрожжей — ультрамикроскопические образования сферической формы, величина их 150—280 А. На рис. 47 показаны рибосомы дрожжей. В состав рибосом входит рибосомальная ри­

164