Контрольная работа по "Микробиологии"

Окисление Fe²⁺ с последующим отложением нерастворимых окислов вокруг бактериальных клеток может быть результатом взаимодействия ионов железа с продуктами бактериального метаболизма, в частности с H₂O₂, образующейся в процессе окисления органических веществ при переносе электронов по дыхательной цепи. Перекись водорода, возникшая в качестве промежуточного или конечного продукта окисления, выделяется из клеток и накапливается в окружающих их структурах. В нейтральной или слабокислой среде окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ происходит в результате непосредственного взаимодействия с H₂O₂:

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ ® 2Fe³⁺ + 2H₂O.

Этот  процесс протекает в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности клеточной стенки, в которых концентрируются все компоненты реакции: восстановленные формы железа, перекись водорода, каталаза. Физиологический смысл процоссов окисления Fe²⁺ с участием H₂O₂ – детоксикация вредного продукта метаболизма. В этом случае окисление железа не приводит к получению бактериями энергии.

Среди железобактерий есть организмы, у которых  окисление Fe²⁺ связано с получением энергии. В этом случае отложение окислов железа служит показателем активности энергетических процессов.

На  основании морфологических характеристик  все железобактерии могут быть разделены  на две группы: нитчатые и одноклеточные.

К первой группе относятся грамотрицательные  нитчатые бактерии, окруженные чехлом. Наиболее широко распространены представители родов Leptothrix и Sphaerotilus. Нити неподвижные или передвигающиеся скольжением. В чехлах, окружающих нити, накапливаются окислы железа и марганца (Leptothrix) или только железа (Sphaerotilus).

Железобактерии  этой группы – облигатные аэробы, но могут удовлетворительно расти при низком содержании O₂ в среде. Оптимальный pH для роста – 6 – 8. единственно возможный способ существования – хемоорганогетеротрофия, при этом представители рода Sphaerotilus  предпочитают условия с относительно высоким содержанием органических веществ, а многие штаммы Leptothrix – среды с низким уровнем органики.

Окисление железа и отложение его оксидов  в чехлах этих бактерий не связано  с получением ими энергии. К окислению  Fe²⁺ при pH 6 – 8 могут приводить процессы как химической, так и биологической природы. Окисление связано с действием перекиси водорода, количество которой в среде в определенных условиях может достигать 10 – 20 мг/л. процесс локализован в чехлах, где концентрируются продукты метаболизма и внеклеточные ферменты. У мутантов, лишенных чехлов, накопления окислов железа не происходило.

Таким образом, с помощью  восстановленных форм железа обеспечивается удаление H₂O₂ – токсического продукта клеточного метаболизма.

Помимо  бесцветных к нитчатым железобактериям относятся и некоторые фотосинтезирующие эубактерии из группы цианобактерий и скользящих зеленых бактерий.

Вторая  группа железобактерий включает одноклеточные  организмы из разных таксонов. Она  представлена эубактериями с грамположительным и грамотрицательным строением клеточной стенки или без нее, размножающимися поперечным делением или почкованием. Клетки разной формы и размеров (форма может меняться в зависимости от стадии и условий роста), одиночные или формирующие скопления, окруженные капсулами, в которых откладываются окислы железа. Принадлежащие к этой группе железобактерии распадаются на две подгруппы, различающиеся типом метаболизма и отношением к кислотности среды.

Первая  группа объединяет железобактерии, растущие в нейтральной или слабощелочной среде и характеризующиеся хемоорганогетеротрофным типом метаболизма. Представители подгруппы – свободноживущие микоплазмы, объединенные в роды Metllogenium,Gallionella, Siderococcus. Им свойственен типичный для микоплазм полиморфизм: кокковидные клетки, от которых могут отходить тонкие нити, пучки переплетенных тонких нитей и т. д. На поверхности нитей откладываются окислы железа (Gallionella, Siderococcus) или железа и марганца (Metllogenium). Растут в нейтральной или кислой среде. Некоторые из них олиготрфы. Все – аэробы или микроаэрофилы. Отложение окислов железа и марганца – результат химических реакций или функционирования перекисного пути и не имеет отношения к получению клетками энергии.

Вторую  подгруппу составляют в большинстве  аэробные ацидофильные формы. Оптимальный pH их роста лежит ниже 4,5 (2 – 3). В этих условиях Fe²⁺ в присутствии O₂устойчиво к химическому окислению. Для ацидофильных железобактерий установлена способность получать энергию в результате окисления двухвалентного железа.

Основным  представителем бактерий с энергетическим метаболизмом хемолитотрофного типа является Thiobacillus ferrooxidans, относящийся к группе тионовых бактерий и обладающий способностью получать энергию также в результате окисления различных восстановленных соединений серы. Окислять закисное железо с получением клеткой энергии способна и облигатно ацидофильная бактерия Leptospirillum ferooxidans, близкая по ряду свойств к T. ferooxidans, но в отличии от последнего не окисляющая соединения серы.

Leptospirillum ferooxidans и большинство изученных штаммов T. ferooxidansпринадлежат к облигатным хемолитоавтотрофам, использующим энергию окисления железа для ассимиляции CO₂, служащей основным или единственным источником углерода. Некоторые штаммы T. ferooxidans оказались способными расти на средах с органическими соединениями, являясь, таким образом, факультативными хемолитотрофами. Наконец, описаны термофильные бактерии, получающие энергию в результате окисления Fe²⁺ и нуждающиеся для роста в органических соединениях, т. е. осуществляющие метаболизм хемолитотрофного типа.

Окисление железа, приводящее к получению энергии, происходит в соответствии с уравнением

2Fe²⁺ + 1/2O₂ + 2H⁺ ® 2Fe³⁺ + H₂O,

что сопровождается незначительным изменением уровня свободной  энергии (DG^?_o при pH=2 равно – 33 кДж/моль). Поэтому для обеспечения энергией клетке необходимо «переработать» большие количества железа.

Механизм  окисления Fe²⁺ в дыхательной цепи изучен у T. ferooxidans. Дыхательная цепь этой бактерии содержит все типы переносчиков, характерные для дыхательной системы аэробных хемоорганотрофных эубактерий, но участок цепи, связанный с получением энергии, очень короток. 

Окисление Fe²⁺ происходит на внешней стороне цитоплазматической мембраны; в цитозоль через мембрану железо не проникает. Электроны с Fe²⁺ акцептируются особым медьсодержащим белком – рустицианином, находящимся в периплазматическом пространстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Роль микробиологического фактора в самосогревании зерна. Участие и роль микроорганизмов в этом процессе

В зерне при хранении протекают физиологические и  биохимические процессы.

Физиологические процессы - это дыхание, послеуборочное дозревание и самосогревание зерна. В начальный период хранения зерновая масса активно дышит, поглощая кислород и выделяя диоксид углерода, воду и теплоту.

ДЫХАНИЕ ЗЕРНА:

-  аэробное – С6Н12О6 → 6СО2 + 6Н2О + 1184 кДж

-  анаэробное – С6Н12О6 → С2Н5ОН + СО2 + 84 кДж

Для того, чтобы замедлить процесс дыхания, зерновую массу сохраняют в охлажденном состоянии, тогда жизнедеятельность зерна уменьшается, чтобы зерно имело влажность до 14 %.

Выделяющаяся при дыхании  свободная тепловая энергия используется в дальнейшем на физиолого-биохимические внутренние процессы, а также удаляется в значительных количествах. В процессе дыхания расходуются углеводы зерна, потеря которых может быть весьма значительной, что вредно отражается на жизнедеятельности зародыша, приводит к самосогреванию и порче зерна.

Интенсивность дыхания  характеризуется количеством выделившегося  диоксида углерода и поглощенного кислорода  и зависит от многих факторов —  сорта зерна, его физиологического состояния, условий и способов хранения.

Интенсивность дыхания  зерна можно активно регулировать, изменяя влажность, температуру и доступ воздуха. На интенсивность дыхания зерновой массы влияет также его выравненность, условия транспортирования, очистки и др.

При недостатке или отсутствии в зерновой массе кислорода возникает  анаэробное дыхание, конечными продуктами которого являются этиловый спирт и диоксид углерода, а также альдегиды, органические кислоты и эфиры. Анаэробное дыхание приводит к снижению жизнедеятельности зародыша, что вредно отражается на технологических свойствах зерна, поэтому при хранении ячменя широко применяют интенсивную обработку его воздухом.

При снижении влажности  зерна интенсивно замедляется процесс  дыхания. Так, зерно, содержащее 10… 12% воды, выделяет в сутки при 20 °С на 1 кг сухого вещества 0,3… 0,4 кг СО2. При дальнейшем повышении влажности зерна до З0…33% концентрация диоксида углерода увеличивается до 2000 мг.

Резкое увеличение интенсивности  дыхания при повышении влажности  зерна указывает на присутствие  в нем так называемой свободной  влаги, т. е. влаги, свободно перемещающейся в клетках зерна, так как крахмал и белок не могут ее удержать. Влажность, при которой усиливаются биохимические и физиологические процессы в зерне, называется критической. Для ячменя критическая влажность 14,5…15,5 %. Следовательно, рационально хранить зерно влажностью ниже критической.

С повышением температуры  зерновой массы от 0 до 30…35 °С Интенсивность дыхания возрастает в 2…2,5 раза на каждые 10 °С повышения температуры. При достижении температуры 45.. .55 °С в результате усиления деятельности ферментов дыхание достигает максимума, а затем быстро уменьшается, что указывает на разрушение органических веществ, отмирание клеток тканей и, как следствие, понижение или полное прекращение дыхания. При низкой температуре интенсивность дыхания зерна снижается, а при температуре, равной 0 °С и ниже (до —5 °С), практически прекращается. Благоприятной для хранения ячменя следует считать температуру 0…15°С.

Таким образом, низкие температуры  — физический фактор, способный  до определенной степени регулировать жизнедеятельность зерна.

К физиологическим процессам, происходящим в зерне при хранении относится послеуборочное дозревание.

Процесс самосогревания. Самосогреванием зерновой массы называется явление повышения ее температуры вследствие протекающих в ней физиологических процессов и плохой теплопроводности. До температуры 55-65 оС и происходит в 3 стадии:

I стадия – температура  поднимается до 24-30о С на поверхности  зерна происходит отпотевание  влаги. При этом в партии  сырого зерна чувствуется явно выраженный амбарный запах, появляются отдельные потемневшие зерна.

II стадия – температура  поднимается до 34-37о С, длится 3-7 суток, сыпучесть зерна уменьшается,  в зерне появляется солодовый  запах.

III стадия – температура  увеличивается до 50о С и выше, в зерне появляется гнилостный, затхлый и плесневый запах. Цвет зерен становится темно-коричневым.

В результате этих процессов  резко снижается сыпучесть зерна, отдельные зерна оказываются  проплесневевшими или прогнившими, от зерна исходит затхлый или  гнилостный запах. Процесс самосогревания завершается обугливанием зерна и потерей полной сыпучести зерновой массы. Если своевременно не принять меры для локализации самосогревания, зерновая масса приходит в полную непригодность.

Биохимические процессы, протекающие при хранении зерна, обусловлены дыханием и дозреванием зерна. Процесс дыхания осуществляется комплексом ферментных систем — оксидазами (активирующими атмосферный кислород) и дегидразами (отнимающими водород от окисляемых продуктов).

При дыхании происходят потери крахмала, являющегося основным пивоваренным сырьем. Активность амилолитических ферментов в зерне предопределяет гидролиз части крахмала до олигосахаридов и моносахаридов. Гидролитическое расщепление сложных белков до простых в процессе дыхания обусловлено активностью протеолитических ферментов.

Активность гидролитических  и дыхательных ферментов возрастает при появлении в зерне свободной  влаги. В процессе дозревания зерна  интенсивность дыхания постепенно снижается, что приводит к понижению  активности ферментов. В зерне протекают процессы синтеза крахмала из Сахаров, белков из аминокислот, жира из глицерина и жирных кислот.

При хранении физиологически зрелого ячменя в оптимальных  условиях считают, что зерно находится  в состоянии покоя. Процессы конденсации в нем полностью закончены, а активность содержащихся в нем ферментов низкая.

Способы и режимы хранения зерна. На заводах зерно хранят в элеваторах, механизированных зернохранилищах и амбарных хранилищах.

Наиболее распространены силосные зернохранилища. Они состоят из рабочей башни, в которой находятся транспортные средства, ленточные транспортеры или пневмотранспорт, автоматические весы, бункера, зерноочистительные машины, сортировальные машины и силоса. Силоса бывают круглой и квадратной формы: Силос сухим зерном заполняется полностью, а влажным на ¾ . Диаметр силоса 3-6 метров, высота – 30 метров.

Современный зерновой элеватор состоит из отделения для приемки  ячменя, рабочей башни, в которой  установлено оборудование для взвешивания, очистки и сортирования зерна, бункеров для хранения ячменя 1 и II сортов и зерновых отходов, силосного корпуса для хранения зерна. Кроме того, предусматривается помещение для сушки зерна.