Роль микроорганизмов в круговороте углерода в природе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«Кузбасский государственный  технический университет»

 

 

Кафедра технологии основного  органического синтеза

 

МИКРОБИОЛОГИЯ

 

Контрольная работа № 1

 

 

Тема: «Роль микроорганизмов  в круговороте углерода в природе.»

 

 

 

 

Выполнил: студент группы ХОз09

                                                                                               Епанешников А.С.

 

 

 

                                                                          Проверил: ____________________

 

 

                                                                         Замечания: ____________________

                                                                         ______________________________

                                                                         ______________________________

                                                                         ______________________________

 

                                                                         Дата:

 

 

 

 

 

 

 

Кемерово, 2012

 

Содержание:

Введение……………………………………………………………….........3

1. Спиртовое брожение…………………………………………………….4

2. Молочнокислое брожение………………………………………………7

3. Пропионовокислое брожение………………………………………….14

4. Маслянокислое брожение……………………………………………...15

5. Брожение клетчатки……………………………………………………16

6. Брожение пектиновых веществ………………………………………..18

7. Уксуснокислое окисление……………………………………………..18

Заключение………………………………………………………………..19

Список используемой литературы………………………………………21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Микроорганизмы играют неоценимую роль в природе: они разрушают  различные мертвые органические остатки растений, животных, в том  числе пчел и шелкопрядов, и их продуктов — хитина, воска, шелка, коконов. Они возвращают связанные мертвые органические соединения и восстанавливают общий баланс веществ в круговороте природы. Особо важную роль в круговороте веществ играет круговорот азота и углерода. Свободный азот воздуха могут усваивать с помощью фотосинтеза зеленые растения и с помощью хемосинтеза — азотфиксирующие клубеньковые бактерии. Животные используют готовые органические соединения азота. Они получают его из растений и микроорганизмов в виде аминокислот и других азотистых соединений. Микроорганизмы разрушают трупы животных. Процесс разложения белков и других азотистых соединений носит название гниения. Белковая молекула под действием протеолитических ферментов гнилостных микроорганизмов распадается до альбумоз и пептонов, другие бактерии, усваивающие альбумозы и пептоны, расщепляют их до аминокислот и далее новые микробы — до аммиака, сероводорода, углекислого газа, воды и водорода.

Круговорот углерода также совершается с участием микроорганизмов. Синтезированные растениями из углекислоты сложные органические соединения (углеводы) расщепляются до простых соединений под действием микроорганизмов. Глубокий процесс расщепления углеводов в анаэробных условиях носит название брожения.

Различают брожения спиртовое, уксуснокислое, молочнокислое, маслянокислое, в зависимости от того, какие образуются конечные продукты. В каждом виде брожения принимают участие определенные микроорганизмы. По окончании одного вида брожения создаются благоприятные условия для развития другого вида брожения. В конечном счете, при аэробном и анаэробном процессе микроорганизмы превращают углеводы в воду и углекислоту.

1. Спиртовое брожение.

Спиртовым брожением  называется процесс превращения  микроорганизмами сахара в этиловый спирт и углекислый газ:

 

Возбудители спиртового брожения являются дрожжи. Спиртовое брожение могут  вызвать некоторые мицелиальные грибы, однако при этом образуется значительно  меньше спирта (5-7%). Брожение с образованием спирта и углекислого газа вызывают и некоторые бактерии, но по количественному соотношению между конечными и побочными продуктами, а также характеру побочных продуктов бактериальное спиртовое брожение отличается от брожения, вызываемого дрожжами.

Связь спиртового брожения с жизнедеятельностью дрожжей была отмечена еще в начале XIX в., но окончательно установлена Л. Пастером в 1857г.

Большое значения в изучении спиртового брожения имело открытие "бесклеточного" брожения – соком из дрожжей, не содержащим дрожжевых клеток. На основании этого был сделан вывод, что в дрожжевом соке содержится какое-то активное вещество – фермент, которое еще Бухнер предложил назвать зимазой. Дальнейшие исследования показали, что зимаза является комплексом ферментов.

Приведенное выше уравнение спиртового брожения выражает его лишь в общем суммарном виде. Спиртовое брожение для дрожжей является процессом получения энергии в анаэробных условиях.

Любое брожение протекает как бы в две стадии: первая - окислительная  – включает превращение глюкозы до пировиноградной кислоты с образование двух молекул восстановленного НАД  - промежуточного акцептора водорода:

 

А во второй стадии – восстановительной -  передает водород конечному акцептору, который превращается в основной конечный продукт брожения.

Дрожжи обладают ферментом пируватдекарбоксилазой, который катализирует реакцию декарбоксилирования  пировиноградной кислоты с отщеплением   и образованием уксусного альдегида:

 

Углекислый газ является одним из конечных продуктов спиртового брожения. Уксусный альдегид играет роль конечного акцептора водорода. Вступая во взаимодействие с , он при участии фермента алкогольдегидрогеназы восстанавливается в этиловый спирт, а  регенерируется (окисляется) в НАД:

 

Реакция восстановления уксусного альдегида в этиловый спирт завершает спиртовое брожение.

Наряду с главными продуктами брожения в большом количестве образуются побочные продукты: глицерин(1-3%), уксусный альдегид, сивушные масла  – смесь высших спиртов (изоамилового, изобутилового, амилового и др.) и некоторые другие вещества.

Образование дрожжами высших спиртов связано с азотным  и углеводным обменами дрожжевых  клеток. Высшие спирты участвуют в  формировании аромата и вкуса  напитков спиртового брожения.

Общие условия спиртового брожения. На развитие дрожжей и ход брожения влияют многие факторы: химический состав среды, ее концентрация и кислотность, температура и др.

Не все сахара сбраживаются дрожжами. Большинство дрожжей способны сбраживать моносахариды, а из дисахаридов  – сахарозу и мальтозу.

Наиболее благоприятная  концентрация сахара в среде для  большинства дрожжей то 10 до 15%. При  повышении концентрации сахара энергия  брожения снижается, а при 30-35% брожение обычно почти прекращается.

Хорошим источником азота  являются аммонийные соли; используются также аминокислоты и пептиды.

Наибольшая скорость брожения наблюдается при температуре  около 30°С, а при 40-45°С оно прекращается, так как дрожжи отмирают. При снижении температуры брожение замедляется, но не прекращается.

По характеру брожения дрожжи делят на верховые и низовые. Брожение, вызываемое верховыми дрожжами, протекает бурно и быстро при температуре 20-28°С. На поверхности бродящей жидкости образуется пена, и под действием выделяющегося углекислого газа дрожжи выносятся в верхние слои субстрата. По окончании брожения дрожжи оседают на дно рыхлым слоем. Брожение, вызываемое низовыми дрожжами, протекает спокойнее и медленнее, особенно при сравнительно низких температурах – 4-10°С. Газ выделяется постепенно, пены меньше, дрожжи не выносятся на поверхность и быстро оседают на дно. Спиртовое брожение протекает нормально в анаэробных условиях, при этом дрожжи почти не размножаются. В среде, богатой кислородом, дрожжи ведут себя как аэробные организмы и активно размножаются.

2. Молочнокислое брожение.

Молочнокислое брожение – превращение сахара молочнокислыми бактериями в молочную кислоту. Наряду с этим основным продуктом брожения в большем или меньшем количестве образуются побочные продукты.

По характеру брожения различают две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные. Гомоферментативные бактерии образуют в основном молочную кислоту и очень мало побочных продуктов. Этот тип можно представить следующим уравнением:

 

Гетероферментативные бактерии –  менее активные кислотообразователи. Наряду с молочной кислотой они образуют значительное количество других веществ  – этиловый спирт, углекислый газ, некоторые  еще уксусную кислоту, есть и такие, которые, кроме того, продуцируют четырехуглеродные соединения – ацетоин и диацетил, обладающий своеобразным приятным запахом.

Процесс превращения  глюкозы до пировиноградной кислоты  у гомоферментативных молочнокислых  бактерий протекает по гликолитическому пути. Далее, ввиду отсутствия у этих бактерий фермента пируватдекарбоксилазы, пировиноградная кислота не подвергается расщеплению. Пировиноградная кислота при участии фермента лактикодегидрогеназы восстанавливается в молочную, а  окисляется в НАД:

 

Превращение глюкозы  гетероферментативными бактериями происходит по-иному, что обуславливается своеобразием комплекса ферментов у этих бактерий. Из-за отсутствия у них фермента альдолазы изменяется начальный путь превращения глюкозы. После фосфорилирования гексоза окисляется и декарбоксилируется, превращаясь в пентозофосфат. Последний расщепляется на фосфоглицериновый альдегид и ацетилфосфат. Фосфоглицериновый альдегид превращается в пировиноградную кислоту, которая затем восстанавливается в молочную. Ацетилфосфат дефосфорилируется и превращается в уксусную кислоту или восстанавливается в этиловый спирт. Таким образом, конечным акцептором водорода в этом типе брожения служат пировиноградная кислота и уксусный альдегид.

Молочнокислые бактерии имеют круглую, слегка овальную или палочковидную  форму. Диаметр коков варьируется у отдельных видов от 0,5 до 1,5 мкм. Кокки располагаются попарно или цепочками (стрептококки) различной длины. Размеры палочковидных бактерий колеблются от 1 до 8 мкм. Клетки одиночные или отделенные в цепочки.

Все молочно кислотные бактерии неподвижны, не образуют спор, грамположительны, не имеют фермента каталазы, являются факультативными анаэробными, есть микроаэрофилы. Палочковидные бактерии в большей степени, чем стрептококки, предпочитают анаэробные условия. Молочнокислые бактерии сбраживают моно- и дисахариды, однако используют не любой дисахарид. Некоторые из них не сбраживают сахарозу, другие – мальтозу, существуют не использующие лактозу. Крахмал и другие полисахариды молочнокислые бактерии не сбраживают. Некоторые, преимущественно гетероферментативные, бактерии используют пентозы и лимонную кислоту.

Различные виды молочнокислых бактерий образуют неодинаковое количество кислоты, что обусловлено различной их кислотоустойчивостью. Преобладающие  большинством гомоферментативных палочковидных бактерий продуцирует кислоты больше (до 2-3,5%), чем стрептококки (около 1%). Поэтому палочковидные молочные бактерии могут развиваться при pH 4,0-3,8; кокковые формы при такой кислотности среды не развиваются. Наилучшая бродильная активность палочковидных бактерий проявляется при pH 5,5-6,0.

Большинство молочнокислых бактерий, особенно гомоферментативные палочковидные, очень требовательны к составу  питательной среды и хорошо развиваются  только при наличии различных  аминокислот или еще более  сложных органических соединений азота. Только редкие могут усваивать соли аммония. Большинство нуждается и в витаминах (в частичности  пантотеновой и фолиевой кислотах). Поэтому выращивают молочнокислые бактерии на сложных питательных средах.

Благодаря высокой чувствительности к отдельным аминокислотам и  витаминам молочнокислые бактерии используют в качестве "живых  реактивов" при определении содержания этих веществ в различных субстратах.

Молочнокислые бактерии обладают протеолитической активностью. У разных видов эта  способность проявляется в неодинаковой степени; более активны палочковидные  формы. Молочнокислые бактерии легко  переносят высушивание, устойчивы  к   и этиловому спирту; многие виды существуют при содержании в среде до 10-15% и более спирта. Некоторые молочнокислые бактерии устойчивы к  выдерживая концентрацию до 7-10%; более того, из мясных рассолов выделены солеустойчивые штаммы, размножающиеся при 20%-ной концентрации

По отношению к температуре  молочнокислые бактерии можно подразделить на мезофильные – с оптимум  роста 25-35°С и термофильные - около 40-45°С. Отдельные молочнокислые бактерии холодоустойчивы и могут развиваться при относительно низких положительных температурах(5°С и ниже). При нагревании до 60-80°С они гибнут в течение 30-10 мин, но имеются и термоустойчивые формы, сохраняющиеся при нагревании до 85°С в течение нескольких минут.

Молочнокислые мезофильные бактерии довольно хорошо переносят замораживание, при этом стрептококки более устойчивы, чем палочковидные формы.

Некоторые молочнокислые бактерии образуют слизь, при их развитии жидкие субстраты становятся тягучими.

Установлено, что проявляемые молочнокислыми бактериями антагонистические по отношению ко многим сапрофитным и болезнетворным бактериям (возбудителем кишечных заболеваний, стафилококкам) свойства обусловлены не только продуцированием кислот, но и выделяемыми ими специфическими антибиотическими веществами.