Mlečnokislinske bakterije se pogosto uporabljajo za proizvodnjo kislega mleka, kefirja, acidofilusa, kumisa, kisle smetane, kvasa, sirov, pa tudi pri peki, kisanju zelenjave, siliranju krme, obdelavi krznenih kož in pri proizvodnji mlečne kisline.
propionska kislinska fermentacija. To vrsto fermentacije povzročajo anaerobne bakterije propionske kisline, ki so kratke, nepremične, po Gramu pozitivne paličice brez spor. Optimalna temperatura za "njihov razvoj je 30-35 ° C. Te bakterije zlahka fermentirajo sladkor in mlečno kislino ter jih spremenijo v propionsko in ocetno kislino s sproščanjem ogljikovega dioksida in vode:
ZS 6 H 12 O 6 \u003d 4CH3CH 2 COOH + 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 2H 2 O.
Tipičen predstavnik te skupine bakterij Slab. acidi propionici se razvije v mleku in trdih sirih. Nekatere bakterije propionske kisline se uporabljajo za proizvodnjo vitamina B 12 v industrijskem obsegu.
Maslena fermentacija. To je proces pretvorbe ogljikovih hidratov (sladkorji, škrob, dekstrin, pektin) in alkoholov (manitol, glicerin) s pomočjo bakterij v anaerobnih pogojih s tvorbo maslene kisline, ogljikovega dioksida in vodika:
C 6 H, 2O 6 \u003d CH 3 CH 2 CH 2 COOH + 2CO 2 + 2H 2 +100 800 J.
Vir dušika za maslene bakterije so peptoni, aminokisline, amonijeve soli in celo molekularni atmosferski dušik. Poleg glavnih produktov fermentacije nastanejo butilni in etilni alkoholi, aceton in ocetna kislina.
Opisanih je 25 vrst povzročiteljev maslene fermentacije. Vsi so premične velike palice dolžine od 4-5 do 7-12 mikronov, ko nastanejo spore, postanejo vretenaste, gram-pozitivne, anaerobi. Pogosto jih najdemo v zemlji, gnoju, onesnaženi vodi itd. Najbolj znani med njimi so naslednji:
1. Clostridium pasteurianum - tipična maslenokislinska bakterija, tvori masleno kislino, ogljikov dioksid in vodik (slika 11).
riž. enajst. Clostridium pasteurianum
2. C. felsineum - fermentira pektinske snovi.
3. C. acetobutylicum - fermentira ogljikove hidrate s tvorbo butilnega alkohola.
4. C. saharobutiricum - pretvarja ogljikove hidrate v masleno kislino in druge produkte.
Temperaturni optimum za razvoj maslenokislinskih bakterij je 30-40 °C. Maslena fermentacija poteka dobro z nevtralno reakcijo. Če gre v kislo okolje, se kopičita butilni alkohol in aceton. Maslena kislina daje proizvodu neprijeten okus in vonj po žarkem olju.
Maslenokislinske bakterije so občutljive na kislo okolje, zato lahko povzročijo kvarjenje silaže in fermentirane zelenjave, če se mlečna kislina kopiči prepočasi.
Maslena kislina se pogosto uporablja v inženirstvu. Njegovi estri imajo prijeten vonj in se uporabljajo kot aromatične snovi v slaščičarski in parfumski industriji, na primer metil eter z vonjem po jabolku, etilni ester z vonjem po hruškah, amil eter z vonjem po ananasu.
Aceton butilna fermentacija. Pri njegovem procesu nastane veliko več butilnega alkohola in acetona kot pri masleni fermentaciji. Monosaharidi, disaharidi in škrob so podvrženi fermentaciji. Povzročitelj acetonobutilne fermentacije Clostridium acetobutylicum - mobilna palica velikosti 3,5-5,0 mikronov, anaerobna, tvori spore, pogosto so njene celice povezane v parih ali v dolgih verigah (slika 12).
riž. 12. Clostridium acetobutylicum
V proizvodnji se acetonobutilna fermentacija izvaja na čisti kulturi bakterij pri temperaturi 37–38 ° C v kislem okolju. Postopek traja 36-40 ur.
Aceton in butilni alkohol se pogosto uporabljata v kemični industriji in industriji barv, pa tudi pri proizvodnji sintetičnega kavčuka.
Aerobna razgradnja
Vključuje oksidativne biokemične procese, povezane z dihanjem mikroorganizmov v aerobnih pogojih.
Končni produkt dihanja pogosto nista le ogljikov dioksid in voda, temveč tudi produkti nepopolne ali delne oksidacije organskih snovi (citronska kislina, ocetna kislina itd.). V naravi te snovi uporabljajo druge mikrobe in jih podvržejo nadaljnji oksidaciji v CO 2 in H 2 0. V naravnih razmerah oksidaciji niso izpostavljene samo organske snovi, ampak tudi številne neorganske snovi: vodik, vodikov sulfid, amoniak, peroksidno železo, reducirane spojine. Najenostavnejša vrsta oksidacije je oksidacija molekularnega vodika v vodo:
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + 579600 J.
Oksidacijski procesi imajo pomembno vlogo predvsem v pogojih namakanja, kjer je presežek vode pogosto povezan z anaerobnimi procesi in kopičenjem toksičnih spojin (FeO, FeS, MnO, CH 4). Ukrepi, namenjeni povečanju prezračevanja, bodo prispevali k oksidaciji - prenosu FeO v FeO 3, H 2 S v H 2 SO 4 itd., T.j. v spojine, ki niso strupene za rastline.
Oksidacija etilnega alkohola v ocetno kislino. Ta proces izvaja skupina ocetnokislinskih bakterij v skladu z enačbo.
CH 3 CH 2 OH + O 2 \u003d CH 3 COOH + H 2 O.
Povzročitelji so aerobne bakterije. Med njimi so mobilni in nepokretni. Te vrste Acetobacter opisane so številne najpomembnejše vrste tipičnih ocetnokislinskih bakterij, kot npr Acetobacter aceti (slika 13), Acetobacter pasteurianum, Acetobacter Oreeans Schutzenbachii.
riž. 13. Acetobacter aceti.
Bakterije tega rodu so gramnegativne palice velikosti od 0,5 do 8 mikronov, včasih povezane v verige. Spor se ne oblikuje. Nekatere vrste bakterij se od drugih razlikujejo po velikosti, različni odpornosti na alkohol in sposobnosti kopičenja več ali manj kisline v mediju (od 6 do 11,5%).
Za industrijsko pripravo ocetne kisline se uporablja grozdno vino ali ocetno-alkoholna raztopina (10-12% alkohola in 1% ocetne kisline). Za hranjenje ocetnokislinskih bakterij se substratu dodajo potrebne mineralne soli in vitamini. Optimalna temperatura za razvoj teh bakterij je 20-35 ° C. Mnoge ocetnokislinske bakterije tvorijo značilne močne debele filme na substratu.
Bakterije ocetne kisline so v naravi zelo razširjene, najdemo jih na zrelem sadju, jagodah, vloženi zelenjavi, vinu, pivu in kvasu.
Oksidacija ogljikovih hidratov v citronsko kislino. Citronsko kislino pridobivajo s pomočjo plesni Aspergillus, ki so v naravi zelo razširjeni in jih najdemo v najrazličnejših substratih.
Glavna surovina za proizvodnjo citronske kisline je melasa (črna melasa). Njeno raztopino, ki vsebuje približno 15% sladkorja z dodatkom različnih mineralnih soli, nacepimo s sporami gliv v ploščate odprte kivete. Z dobrim prezračevanjem v posebnih komorah se postopek nadaljuje 6-7 dni pri temperaturi okoli 30°C. Proizvodnja citronske kisline je 50-60% porabljenega sladkorja. Z nezadostno količino sladkorja gobe porabijo samo citronsko kislino.
V zadnjem času se je začela uvajati "globinska" metoda gojenja gliv v posebnih zaprtih posodah (fermentorjih) z intenzivnim prezračevanjem. Ta metoda poveča produktivnost procesa in prepreči kontaminacijo tekočine s tujo mikrofloro.
Citronska kislina se pogosto uporablja v medicini, pa tudi pri izdelavi slaščic, brezalkoholnih pijač in pri kuhanju.
Oksidacija maščobinmaščobne kisline. Maščobe, ki pridejo v tla skupaj z živalskimi in rastlinskimi ostanki, popolnoma uničijo (hidrolizirajo) različni mikroorganizmi. Pri tem nastajajo glicerol in maščobne kisline. Proces poteka pod delovanjem encima lipaze pri običajni temperaturi v prisotnosti vode. Mikrobov, ki izločajo ta encim, je kar nekaj. Med aerobnimi bakterijami se nahaja v Ba- cteria coli, Proteus vulgaris, bacil mikoidi, ti.jaz- gaterij, Salmonela, kot tudi pri stafilokokih, pnevmokokih in streptokokih. Nekatere pigmentne in fluorescentne bakterije najmočneje razgrajujejo maščobe. (Slab. prodigiosum, Slab. pyocyanerum, Slab. fluorescens), aktinomicete in glive. Od gob imajo visoko lipolitično sposobnost Oidium Ictdis, veliko vrst iz rodov Aspergillus in Renicilij.
Hidroliza maščob z mikroorganizmi poteka nenehno in ima pomembno vlogo v splošnem kroženju snovi v naravi.
V procesu hidrolize pridobljeni glicerol in proste maščobne kisline različni mikrobi postopoma oksidirajo v tleh in se spremenijo v humusne kisline, ogljikov dioksid in vodo.
Oksidacijaogljikovodiki. Talni mikroorganizmi uporabljajo te snovi kot vir energije.
Mnoge bakterije oksidirajo benzen, naftalen, kisikove fenole, polifenole in kreosole.
Ksilen, toluen in bencin sodelujejo pri izmenjavi zlasti številnih vrst mikrobov Psevdomo- nas in mikobakterije.
Obstaja velika skupina mikroorganizmov, ki so sposobni razgraditi naftne ogljikovodike. Metan lahko oksidiramo v zemlji s kratko palico Slab. metanisito s tvorbo organskih spojin in CO 2 . Ta sposobnost je tudi Slab. ptjocyaneum, Slab. fluorescens.
Drugi mikroorganizmi, ki so široko razširjeni v tleh v bližini naftnih vrtin, močno oksidirajo etan, propan (Pseudomonas, Propanica), mineralna olja, ki jih vsebuje nafta in parafin (Desulfovibrio).
Ogljikovodike ne razgrajujejo samo bakterije, ampak tudi številne aktinomicete in nekatere glive.
Razgradnja celuloze (vlakna). Med kemičnimi snovmi brez dušika rastlinskih ostankov se pod delovanjem mikroorganizmov sorazmerno počasi razkrajajo celuloza, lignin in pektin.
V naravi se celuloza pod vplivom encima celuloze najprej pretvori v disaharid celobiozo, nato pa se pod delovanjem encima celobiaza pretvori v glukozo. Mikroorganizmi, ki razgrajujejo vlaknine, so najpogostejši v zemlji, najdemo pa jih tudi v blatu, gnoju in celo v prebavnem traktu številnih živali.
Tipičen predstavnik anaerobnih bakterij, ki razgrajujejo celulozo Clostridium cellulosae omelianskii (Slika 14).
riž. 14. Clostridium cellulosae omelianskii: 1 - mlade celice; 2 - "Bobnarske palčke"; 3 - spori.
Prvič jo je izoliral V. L. Omelyansky leta 1902. To je paličasta mobilna bakterija dolžine 4-7 mikronov, ko sporulacija prevzame obliko bobna. V naravi najdemo termofilne bakterije, ki razgrajujejo celulozo: C. termocelija - majhen gram-negativni bacil, ki tvori spore in bacil cellulosae raztopi - palica dolžine 12 mikronov. Optimalna temperatura za njih je 55-56 ° C, reakcija medija je blizu nevtralne.
Od aerobnih bakterij, ki razkrajajo celulozo, bakterije rodu Cytophaga iz razreda Myxobacteriae. To so dolge ukrivljene gramnegativne celice brez membrane.
Od drugih vrst bakterij, ki aktivno razgrajujejo celulozo, lahko omenimo naslednje:
1. Cellvibrio - majhne, rahlo ukrivljene, paličaste bakterije z zaobljenimi konci, velikosti povprečno 1,5 mikrona, pogosteje monotrične ali lofotrične, gram-pozitivne. Pri gojenju na papirju tvorijo rumen pigment. Optimalna temperatura za njihov razvoj je 28-30°C. Cepitev celice poteka bolje z nevtralno ali rahlo alkalno reakcijo.
2. Cellfacicula- palica v obliki srpa s koničastimi konci, premična. Ko raste na filtrirnem papirju, proizvaja zelen pigment.
Pod vplivom aerobnih oblik bakterij se vlakna spremenijo v želatinasto snov, zelo odporno na delovanje mikrobov.
Poleg bakterij lahko vlakna razgradijo tudi nekatere vrste proaktinomicet, aktinomicete. (Streptomyces) in gobe (Trichoderma, Botritis, Aspergillus in itd.).
V kislih tleh celulozo uničujejo predvsem glive.
Humus nastane v tleh med hidrolizo vlaknin s pomočjo mikroorganizmov. V prebavnem traktu rastlinojedih živali do 70 % vlaknin, zaužitih s krmo, razgradijo mikrobi, kar prispeva k boljši prebavljivosti vlaknin.
razpad lignina. Lignin razgradi zelo malo mikroorganizmov, predvsem aktinomicete, glive in nekatere bakterije. Od gliv, ki razgrajujejo lignin v tleh, je mogoče opaziti predstavnike Merulij (slika 15) , Konifora, Fusarium, Mucor.
riž. 15. Merulius lacrymans.
Razgradnja lignina je vedno posledica simbioze ali združenja bakterij. Ker ima ta snov veliko stabilnost, proces njenega uničenja poteka razmeroma počasi. Zato se lignin nagiba k kopičenju v tleh in služi kot osnova za nastanek humusnih kompleksov.
Razgradnja pektinov. Pektinske snovi so kompleksni polisaharidi. Zdi se, da zlepijo celice v rastlinskih tkivih. Njihovo ime izhaja iz sposobnosti, da pri kuhanju dajejo želatinasto maso (grško pectos - brez oblike).
Popolna razgradnja pektina poteka pod vplivom encimov protopektinaze, pektinaze in pektaze na organske kisline, alkohole in plin. Številne anaerobne bakterije, plesni, aktinomicete imajo pektinolitične lastnosti.
Povzročitelji fermentacije pektina v anaerobnih pogojih vključujejo spore, ki tvorijo gibljive po Gramu pozitivne bakterije, velike 10-15 mikronov. Od teh najbolj znanih Clo- stridium pectinovorum in C. felsineus.
Aerobne bakterije, ki lahko razgrajujejo pektinske snovi, vključujejo bacil mesenterctis, Pseudomonas fluo- resces. Med plesnimi glivami so najbolj aktivne Aspergillus Niger, PenicilliuminBotritis cinerea, IN.subtilis (Slika 16).
riž. 16. bacillus subtilis.
Postopek razgradnje pektinskih snovi se pogosto uporablja pri izolaciji vlaken iz stebel ličjakov (lan, konoplja, juta itd.), ki se uporabljajo za proizvodnjo preje. Za uničenje pektinskih snovi ličjakov se uporablja anaerobni vodni meh.
Po uničenju pektina vezi med ličnimi vlakni in celicami drugih tkiv stebla oslabijo in se po sušenju zlahka mehansko ločijo (z drgnjenjem in praskanjem).
9 MIKROORGANIZMI PRETVORBA DUŠIKOVIH SPOJIN
Dušik je skupaj z mineralnimi elementi, kot so žveplo, fosfor, železo, kalij itd., Sestavni del žive snovi. Velika rezerva na našem planetu je atmosferski molekularni dušik. Masni delež prostega dušika v suhem zraku je 0,755 (75,5 %), njegov prostorninski delež pa 0,781 (78,1 %). Nad vsakim hektarjem prsti se dviga zračni steber, v katerem je skoncentriranih 80.000 ton molekularnega dušika. Rastline tega dušika ne morejo asimilirati, vendar imajo nekateri talni mikroorganizmi sposobnost fiksiranja atmosferskega dušika s pomočjo encimov in sintetiziranja beljakovin. Tako je prvi korak pri pretvorbi dušika v naravi njegova fiksacija z mikroorganizmi.
Proteinski dušik mikroorganizmov, pa tudi dušik rastlin in živali, se po njihovi smrti mineralizira v tleh z veliko skupino amonificirajočih bakterij v amoniak. Zato se druga stopnja pretvorbe dušika imenuje amonifikacija.
Na tretji stopnji se amonijev dušik delno oksidira v nitrate z nitrifikacijskimi bakterijami, ta proces se imenuje nitrifikacija.
Nazadnje, na četrti stopnji, nekatere vrste bakterij pod določenimi pogoji delno reducirajo nitratni dušik v molekularni dušik - poteka proces denitrifikacije.