Физиологический период развития микробиологии

     Контрольная  Микробиология 

1. Физиологический период развития микробиологии. Открытия Л. Пастера

     Микробиология (от греч. micros – малый, bios – жизнь, logos – наука) – наука о микроскопически малых существах, называемых микроорганизмами. Микробиология изучает морфологию, физиологию, биохимию, систематику, генетику и экологию микроорганизмов, их роль и значение в круговороте веществ, патологии человека, животных и растений, в экономике.

     К микроорганизмам относятся преимущественно  одноклеточные организмы – бактерии, микроскопические грибы и водоросли, простейшие, а также организмы с неклеточной организацией – вирусы. Предметом изучения микробиологии традиционно служат в основном бактерии, а также в общем плане организации рассматриваются вирусы.

     Микробиология прошла длительный путь развития, исчисляющийся многими тысячелетиями. Уже в V.VI тысячелетии до н.э. человек пользовался плодами деятельности микроорганизмов, не зная об их существовании. Виноделие, хлебопечение, сыроделие, выделка кож . не что иное, как процессы, проходящие с участием микроорганизмов. Тогда же, в древности, ученые и мыслители предполагали, что многие болезни вызываются какими-то посторонними невидимыми причинами, имеющими живую природу.

     Следовательно, микробиология зародилась задолго  до нашей эры. В своем развитии она прошла несколько этапов, не столько связанных хронологически, сколько обусловленных основными достижениями и открытиями.

     Историю развития микробиологии можно 'разделить  на пять этапов: эвристический, морфологический, физиологический, иммунологический и молекулярно-генетический.

     Открытие  новых микроорганизмов сопровождалось изучением не только их строения, но и жизнедеятельности. Поэтому XIX в., особенно его вторую половину, принято  называть физиологическим   периодом в развитии микробиологии. Этот этап связан с именем Л. Пастера, который стал основоположником медицинской микробиологии, а также иммунологии и биотехнологии.

     Начало  изучению физиологии и биохимии микроорганизмов, выяснению их роли в природе и жизни человека положил французский ученый Луи Пастер (1822– 1895). С его работ начался физиологический период микробиологии. Л.

     Пастер  впервые в противоположность  мнению химиков показал, что процессы брожения и гниения обусловливаются  жизнедеятельностью ми-кроорганизмов, специфических для каждого вида брожения. Он установил, что эти процессы могут осуществляться без доступа молекулярного кислорода в анаэробных условиях. Таким образом, Пастер открыл принципиально новое биологическое явление – анаэробиоз. Благодаря своим исследованиям Пастер смог установить природу «болезней» вина и пива, показав, что их скисание и прогоркание также являются результатом жизнедеятельности микроорганизмов. Он предложил способ предохранения вина и пива от скисания и прогоркания (способ борьбы с контаминацией пищевых продуктов): их кратковременный прогрев до температуры 70–80 °С, названный впоследствии пастеризацией.

     К области теоретических открытий Пастера относятся его работы о невозможности самозарождения жизни. Оппоненты Пастера утверждали, что в субстратах, подвергающихся брожению или гниению, их возбудители самозарождаются. Безупречными экспериментами Пастер показал, что в сосудах со стерильным бульоном, закрытых ватными пробками во избежание контакта с воздухом, самозарождение микроорганизмов невозможно. Рост микроорганизмов наблюдается тогда, когда в сосуд с питательной средой попадает воздух, содержащий микроорганизмы, или питательная среда подвергается недостаточной термической обработке, при которой устойчивые к температуре споры бактерий не погибают.

     Неоценимый  вклад внес Пастер в медицинскую  микробиологию. В процессе исследований он установил, что не только брожение, болезни пива и вина, шелковичных  червей обусловлены жизнедеятельностью микроорганизмов, но и многие болезни  человека и животных также вызываются микроорганизмами. Они, подобно возбудителям брожения, очень специфичны: каждый вид патогенных микроорганизмов вызвает строго определенное заболевание. Пастер доказал микробную природу таких заболеваний человека и животных, как сибирская язва, куриная холера, бешенство. Кроме того, он разработал способ борьбы с возбудителями этих заболеваний с помощью вакцин – культур патогенных микроорганизмов с ослабленными вирулентными свойствами.

     Л. Пастер с полным основанием может  считаться основоположником общей, промышленной, медицинской и ветеринарной микробиологии. 
 

2. Процесс денитрификации. Химизм. Возбудители. Особенности  энергетического  обмена у них. Значение этого процесса в  объединении почвы  азотом, методы регулирования  агротехническими приемами.

   Денитрификация [от лат. de - приставка, означающая здесь завершение действия, nitr(ogenium) - азот и facio - делаю], широко распространённый в природе процесс восстановления нитратов до молекулярного азота, вызываемый бактериями. Денитрификация протекает с образованием нитритов и закиси азота по схеме: 
 2HNO₃→2HNO₂→N₂O→N₂.

   Энергию, необходимую для восстановления нитратов, бактерии получают в результате окисления органических веществ (углеводы, спирты, органические кислоты), а кислород нитратов является акцептором электрона и водорода. Денитрификация, происходящая при окислении глюкозы, может быть выражена уравнением: 
 5C₆H₁₂O₆+24KNO₃→24КНСО₃+6CO₂+12N₂+18H₂O.

   Существуют  также особые виды денитрифицирующих  бактерий, восстанавливающие нитраты  при окислении серы или молекулярного водорода. Денитрификация сильно угнетается и прекращается полностью в присутствии молекулярного кислорода. С денитрификацией не следует смешивать восстановление нитратов до аммиака, связанное с ассимиляцией микроорганизмами нитратов как источника азота. Такой способностью обладают многие бактерии, а также актиномицеты и грибы, которые вообще не способны вызывать денитрификацию. От денитрификации следует отличать ложную денитрификацию, при которой в культуре бактерий или в природе происходит чисто химическое взаимодействие нитритов с аммонийными солями, аминами или амидами, сопровождаемое выделением молекулярного азота. Например, NH₄CI + HNO₂ →N₂ + HCl + 2H₂O. В 1 г почвы содержатся десятки и сотни тысяч денитрифицирующих бактерий. Однако денитрификация в почве может протекать энергично только при определённых условиях: достаточном количестве нитратов и легко разлагаемого микроорганизмами безазотистого органического вещества, оптимальной реакции (pH 7,0-8,2) и температуре (25-30°С), а главное при анаэробных условиях. Именно поэтому денитрификация протекает весьма интенсивно во влажных, плохо аэрируемых почвах. При денитрификация содержание азота в почве падает в результате выделения молекулярного азота и следов закиси азота, что влечёт за собой снижение урожайности почвы. После внесения в глинистую почву нитратов и растительных остатков за 10 дней 75% азота нитратов улетучивается из почвы в виде молекулярного азота. Хорошая аэрация почвы (обработка), уменьшение влажности почвы в определённые периоды (дренаж), создание условий для лучшего потребления нитратов почвы культурными растениями - всё это может понизить денитрификацию в почве.

   Процесс денитрификации в почвах.

   Процессы  денитрификации в почве нежелательны, так как они приводят к обеднению почвы азотом. Плохая аэрация, высокая влажность и щелочная реакция почвы (рН 7,0— 8,2) способствуют развитию денитрифицирующих бактерий, а рыхление почвы угнетает их. В окультуренных почвах Д. не приносит большого ущерба, так как в них обеспечена аэрация, а растворимых органических веществ содержится немного. Поэтому повышение окуль-туренности почвы — лучший метод борьбы с Д. В связи с этим для сохранения большего количества азота в почве прудов необходимо ее ежегодно во время осушения прудов рыхлить (верхний слой толщиной 20— 30 см разрыхляют, но не перевертывают, как при вспашке почвы).

   В земной коре общие запасы азота составляют десятки миллиардов тонн. В основном он присутствует в виде органических соединений. В почвах Нечерноземной зоны в среднем содержится общего азота: в супесчаной — 0,05-0,07%, в суглинистой — 0,1- 0,2%, в глинистой — 0,1-0,23%, в торфянистой — 0,6-1%. Общий запас азота в супесчаной дерново-подзолистой почве — 1,5 т/га, а в черноземной-15 т/га. Это валовое содержание азота, а в минеральных соединениях его около 1% от общего. Скорость минерализации азота имеет важное значение.

   Разложение  органических азотистых веществ  в почве происходит следующим путем: белки, гуминовые вещества — аминокислоты, амиды — аммиак — нитриты — нитраты. В результате процесса аммонификации образуются органические кислоты, спирты, углекислота и аммиак. Органические кислоты и спирты разлагаются до углекислого газа, водорода, воды, метана. Аммиак с кислотами образует соли, аммоний поглощается почвенными коллоидами и глинистыми минералами. Процесс аммонификации идет в аэробных и анаэробных условиях, но в анаэробных условиях при сильнокислой и щелочной реакциях замедляется. В аэробных условиях соли аммония окисляются до нитратов, образуется азотная кислота, которая нейтрализуется бикарбонатом кальция и поглощенными основаниями почвы. При влажности почвы 60-70%, 25-32 °С и рН 6,2-8,2 нитрификация идет интенсивно. Содержание нитратов (обычно 2-20 мг/кг почвы) зависит от состояния почвы. Например, под паром или под какой-либо культурой содержание нитратов может различаться в десятки раз.

   В дерново-подзолистой почве при кислой реакции, избыточной влажности, плохой аэрации и низкой температуре процесс минерализации останавливается на стадии образования аммиака. Нитрификация подавляется осенью и ранней весной, летом этот процесс протекает интенсивно. Улучшение аэрации в результате обработки почвы усиливает нитрификацию; известкование также улучшает протекание данного процесса. Внесение органических и минеральных удобрений обогащает почву элементами питания, усиливая минерализацию.

   В паровых полях происходит не только обогащение почвы нитратами; велики также потери. Чтобы избежать больших потерь азота при поливах, необходимо рассчитать количество поливной воды таким образом, чтобы почвенные воды не смыкались с грунтовыми. Большие потери азота происходят в результате процесса денитрификации — восстановления нитратов до газообразного азота. Особенно интенсивна денитрификация при анаэробных условиях, в щелочной среде и большом количестве органического вещества. Бактерии-денитрификаторы наиболее интенсивно окисляют органическое вещество, используя кислород нитратов, при температуре 28-30 °С и рН 7,0-7,5. Процесс денитрификации идет и в обычных условиях, поскольку всегда внутри агрегатов почвы могут создаваться анаэробные условия. Часть азота почвы и внесенных удобрений теряется в виде аммиака, например, при внесении аммонийных солей в карбонатные почвы или мочевины поверхностно. При внесении аммиака нужна глубокая заделка удобрений. Известкование усиливает потери аммиачного азота из мочевины и солей аммония. Солома или соломистый навоз закрепляют азот (иммобилизация) в телах микроорганизмов. Отношение азота к углероду в телах микроорганизмов 1:5-1:7, а в органических остатках (солома бобовых) 1:20-1:25, (солома злаковых) 1:80-1:100. Микроорганизмы дополнительно используют минеральный азот, содержащийся в почве. После отмирания микроорганизмов азот, закрепленный в их телах, минерализуется и может быть использован растениями.

   Д. Н. Прянишников считал, что «... главным условием, определяющим среднюю высоту урожая в разные эпохи, была степень обеспеченности сельскохозяйственных растений азотом». Без применения удобрений за 30-50 лет запасы гумуса и азота, например, в дерново-подзолистой почве снижаются на 25-50%. 

3. Практическое  использование характера взаимоотношений между микроорганизмами для регулирования их жизнедеятельности при производстве и хранении пищевых продуктов.

     Хранение пищевых продуктов.

     Микробиологические процессы снижают пищевую ценность, делают продукты непригодными к употреблению. К этим процессам относят брожение, гниение и плесневение.

     Брожение - это расщепление безазотистых органических веществ (углеводов, этилового спирта, молочной кислоты) под действием ферментов, выделяемых микроорганизмами. В процессе хранения пищевых продуктов могут возникать спиртовое, молочно-кислое, уксусно-кислое, масляно-кислое брожение и др.