Современная биотехнология опирается на многие науки: генетику, микробиологию, биохимию, естествознание. Основным объектом их изучения являются бактерии и микроорганизмы. Многие проблемы в биотехнологиях решает именно применение бактерий. Сегодня область их использования в жизни человека настолько широка и разнообразна, что вносит неоценимый вклад в развитие таких отраслей, как:
- медицина и здравоохранение;
- животноводство;
- растениеводство;
- рыбная отрасль;
- пищевая промышленность;
- добыча полезных ископаемых и энергетика;
- тяжелая и легкая промышленности;
- септик;
- экология.
Область применения бактерий в фармакологии и медицине настолько широка и значима, что их роль в лечении у человека многих заболеваний просто неоценима. В нашей жизни они необходимы при создании кровезаменителей, антибиотиков, аминокислот, ферментов, противовирусных и противораковых препаратов, пробы ДНК для диагностики, гормональных препаратов.
Неоценимый вклад в медицину сделали ученые, выявив ген, отвечающий за гормон инсулина. Вживив его в бактерию коли, получили выработку инсулина, спасая жизни многим больным. Японские ученые обнаружили бактерии, выделяющие вещество, уничтожающее зубной налет, тем самым предотвращая появление кариеса у человека.
Из бактерий-термофилов выводят ген, кодирующий ферменты, имеющие ценность в научных исследованиях, так как они нечувствительны к высоким температурам. При производстве витаминов в медицине используют микроорганизм Clostridium, получая при этом рибофлавин, выполняющий важную роль в здоровье человека.
Свойство бактерий вырабатывать антибактериальные вещества было применено при создании антибиотиков, решив проблему лечения многих инфекционных заболеваний, тем самым спасло жизнь не одному человеку.
В фармакологии создание лекарственных препаратов и синтетических вакцин, куда входят иммунорегуляторы, алкалоиды, нуклеотиды и ферменты, также невозможно без микроорганизмов.
Животноводство
Для возрастания привесов и увеличения скорости роста молодых особей применяют белково-витаминные добавки, ферменты, их продуцентами являются фотосинтезирующие бактерии. Снижая таким способом расход кормов и повышая производительность. При производстве силоса применяют E.coli commune, Lactis aerogenes, являющиеся молочнокислыми микроорганизмами. Незаменимую аминокислоту лизин, используемую в качестве пищевой добавки в животноводстве, продуцируют из таких бактерий, как Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium sp и Escherichia coli.
Применение бактерий распространено при создании высокопродуктивных пород, гормонов роста и пересадке оплодотворенной клетки. Препараты, созданные на основе Bac. subtilis и Bac. Licheniformis, используются в ветеринарии при лечении многих заболеваний.
Сельскохозяйственная отрасль
Использование пестицидов и удобрений в сельскохозяйственной отрасли приводит к негативному воздействию на микрофлору почвы. Для разрушения вредных веществ применяют аэробные и анаэробные бактерии.
Использование бактериальных удобрений способствует повышению урожайности. Из клеток Klebsiella и Chromatium получают бакпрепараты, удерживающие азот. Это дает возможность растениям усваивать азот, содержащийся в воздухе. Из Bacillus megathrtium получают фосфобактерин, повышающий содержание фосфора в почве и азота в зеленой массе. В качестве биозащиты растений от всевозможных вредителей разработаны микробиологические препараты на основе бактерий, которые не наносят вреда человеку.
Рыбная отрасль
Биотехнологии, применяемые в рыбных хозяйствах, позволяют создавать породы рыб, устойчивые ко многим заболеваниям, и породы с высокими темпами прироста. Также из продуцируемых бактерий в рыбной промышленности изготавливают кормовые добавки, ферменты и лекарственные препараты.
Пищевая индустрия
Широко применение биотехнологий в бродильной и пищевой промышленностях. Применение молочнокислых бактерий при изготовлении кефира, кумыса и кисломолочных продуктов способствует улучшению их вкуса и перевариваемости. Это достигается тем, что выделяемые ферменты разлагают молочный сахар на спирт и углекислоту. Для улучшения качества кондитерских изделий и сохранения свежести хлебобулочных в пищевой промышленности применяют ферменты, продуцируемые из Bac.subtilis.
Добыча и переработка полезных ископаемых
Применение биотехнологий в добывающей промышленности позволяет существенно сократить расходы и энергетические затраты. Так, применение литотрофных бактерий (Thiobacillus ferrooxidous), с их способностью окислять железо, используется в гидрометаллургии. За счет бактериального выщелачивания из низкосодержащих пород добывают драгоценные металлы. Для увеличения добычи нефти применяют метансодержащие бактерии. При добыче нефти обычным способом из недр извлекается не более половины природных запасов, а с помощью микроорганизмов происходит более эффективное освобождение запасов.
Легкая и тяжелая индустрия
Микробиологическое выщелачивание используют в старых шахтах для получения цинка, никеля, меди, кобальта. В горнодобывающей промышленности для восстановительных реакций в старых шахтах применяют сульфаты бактерий, так как остатки серной кислоты несут разрушающие воздействия на опоры, материалы и окружающую среду. Анаэробные микроорганизмы способствуют основательному разложению органических веществ. Это свойство применяется для очистки воды в металлургической промышленности.
Человек использует бактерии при производстве шерсти, искусственной кожи, текстильного сырья, в парфюмерно-косметических целях.
Очистка стоков и водоемов
Бактерии, участвующие в разложении, применяют для очистки септиков. Основа этого метода заключается в том, что питаются микроорганизмы сточными водами. Этим способом обеспечивается удаление запаха и обеззараживание стоков. Микроорганизмы, применяемые в септиках, выращиваются в лабораториях. Результат их действия обуславливается распадом органики на простейшие вещества, безвредные для экологии. В зависимости от вида септика подбираются анаэробные либо аэробные микроорганизмы. Аэробные микроорганизмы, помимо септиков, применяют в биофильтрах.
Для поддержания качества воды в водоемах и стоках, очистки загрязненной поверхности морей и океанов от нефтепродуктов также необходимы микроорганизмы.
С развитием биотехнологий в нашей жизни человечество шагнуло вперед практически во всех отраслях своей деятельности.
Среди бактерий промышленное применение с давних времён имеют молочно-кислые бактерии родов Lactobacillus, Streptococcus при получении кисломолочных продуктов. Кокки имеют круглую, овальную форму диаметром 0,5-1,5 мкм, располагаются попарно или цепочками разной длины. Размеры палочковидных бактерий или объединённые в цепочки.
Молочно-кислый стрептококк Streptococcus lactis имеет попарно соединённые клетки или короткие цепочки, свёртывает молоко через 10-12 ч, некоторые расы образуют антибиотик низин.
C 6 H 12 O 6 → 2CH 3 CHOHCOOH
Сливочный стрептококк S. cremoris образует из сферических клеток длинные цепочки, неактивный кислотообразователь, используют при сквашивании сливок в производстве сметаны.
Ацидофильная палочка Lactobacillus acidophilus образуют длинные цепочки из палочковидных клеток, при сквашивании накапливает до 2,2% молочной кислоты и антибиотические вещества, активные в отношении возбудителей кишечных заболеваний. На основе их готовят медицинские биопрепараты для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний с/х животных.
Молочно-кислая палочки L. plantatum имеют сцеплённые попарно или в цепочки клетки. Возбудители брожения при квашении овощей и силосовании кормов. L. brevis сбраживают сахара при квашении капусты, огурцов, образуя кислоты, этанол, CO 2 .
Бесспоровые, неподвижные, грам+ палочки рода Propionibacterium семейства Propionibacteriaceae – возбудители пропионовокислого брожения, вызывают превращение сахара или молочной кислоты и её солей в пропионовую и уксусную кислоту.
3C 6 H 12 O 6 →4CH 3 CH 2 COOH+2CH 3 COOH+2CO 2 +2H 2 O
Пропионово-кислое брожение лежит в основе созревания сычужных сыров. Некоторые виды пропионово-кислых бактерий используют для получения витамина B 12 .
Спорообразующие бактерии семейства Bacilloceae рода Clostridium являются возбудителями масляно-кислого брожения, превращая сахара в масляную кислоту
C 6 H 12 O 6 → CH 3 (CH 2)COOH+2CO 2 +2H 2
Масляная кислота
Места обитания – почва, илистые отложения водоёмов, скопления разлагающихся органических остатков, пищевые продукты.
Эти м/о применяют при производстве масляной кислоты, обладающей неприятным запахом, в отличии от её эфиров:
Метиловый эфир – яблочный запах;
Этиловый – грушевый;
Амиловый – ананасовый.
Их используют как ароматизаторы.
Масляно-кислые бактерии могут вызывать порчу продовольственного сырья и продуктов: вспучивание сыров, прогоркание молока, масла, бомбаж консервов, гибель картофеля и овощей. Образующаяся масляная кислота придаёт острый прогорклый вкус, резкий неприятный запах.
Уксусно-кислые бактерии – бесспоровые грам- палочки с полярными жгутиками, относятся к роду Gluconobacter (Acetomonas) ; образуют из этанола уксусную кислоту
CH 3 CH 2 OH+O 2 →CH 3 COOH+H 2 O
Палочки рода Acetobacter – перитрихи, способны окислять уксусную кислоту до CO 2 и H 2 O.
Уксусно-кислым бактериям присуща изменчивость формы, в неблагоприятных условиях приобретают форму толстых длинных нитей, иногда раздутых. Уксусно-кислые бактерии широко распространены на поверхности растений, их плодах, в квашеных овощах.
Процесс окисления этанола до уксусной кислоты лежит в основе получения уксуса. Самопроизвольное развитие уксусно-кислых бактерий в вине, пиве, квасе приводит к их порче – прокисанию, помутнению. Эти бактерии на поверхности жидкостей образуют сухие морщинистые пленки, островки или кольцо у стенок сосуда.
Распространённый вид порчи – гниение – процесс глубокого разложения белковых веществ микроорганизмами. Наиболее активными возбудителями гнилостных процессов являются бактерии.
Сенная и картофельная палочка Bacillus subtilis - аэробная грам+ спорообразующая палочка. Споры термоустойчивые овальные. Клетки чувствительны к кислой среде и повышенному содержанию NaCl.
Бактерии рода Pseudomonus – аэробные подвижные палочки с полярными жгутиками, не образуют спор, грам-. Некоторые виды синтезируют пигменты, их называют флуоресцирующие псевдомонасы, есть холодоустойчивые, вызывают порчу белковых продуктов в холодильниках. Возбудители бактериозов культурных растений.
Спорообразующие палочки рода Clostridium разлагают белки с образованием большого количества газа NH 3 , H 2 S, кислоты, особенно опасны для консервов. Тяжёлые пищевые отравления вызывает токсин крупных подвижных грам+ палочек Clostridium botulinum . Споры придают вид ракетки. Экзотоксин этих бактерий поражает центральную нервную и сердечно-сосудистую систему (признаки - расстройство зрения, речи, параличи, дыхательная недостаточность).
Большое значение в почвообразовании играют нитрифицирующие, денитрифицирующие, азотфиксирующиебактерии. В основном это неспоробразующие клетк. Их выращивают в искусственных условиях и вносят в виде землеудобрительных препаратов.
Бактерии используют в производстве гидролитических ферментов, аминокислот для пищевых производств.
Среди бактерий особо надо выделить возбудителей пищевых инфекций и пищевых отравлений . Пищевые инфекции вызывают патогенные бактерии, присутствующие в пище, воде. Кишечные инфекции – холера – холерный вирион;
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Применение микроорганизмов в медицине, сельском хозяйстве; преимущества пробиотиков
Родникова Инна
ВВЕДЕНИЕ
Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин "биотехнология" появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова "промышленная микробиология", "техническая биохимия" и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов.
Из вышеизложенного мы видим, что уже довольно длительное время жизнедеятельность человека неразрывно связана с живыми микроорганизмами. И если столько лет люди успешно, хотя и безсознательно, « сотрудничали» с бактериями, логично будет задать вопрос - а для чего, собственно, нужно расширять свои познания в этой области? Ведь и так вроде бы всё отлично, мы умеем печь хлеб и варить пиво, готовить вино и кефир, чего ещё надо? Зачем нам Биотехнологии? Некоторые ответы можно найти в этом реферате.
МЕДИЦИНА И БАКТЕРИИ
На протяжении всей истории человечества (вплоть до начала двадцатого века) семьи имели много детей т.к. очень часто дети не доживали до зрелого возраста, они погибали от множества заболеваний, даже от легко излечимого в наше время воспаления лёгких, что уж говорить о таких тяжёлых болезнях, как холера, гангрена, чума. Все эти заболевания вызваны болезнетворными микроорганизмами и считались неизлечимыми, но, наконец, учёные медики поняли, что побороть «злые» бактерии под силу другим бактериям, или вытяжкой из их ферментов. Впервые это удалось заметить Александру Флемингу на примере элементарной плесени.
Оказалось, что некоторые виды бактерий прекрасно уживаются с плесенью, но стрептококки и стафилококки в присутствии плесени не развивались. Многочисленные прежде опыты с размножением вредоносных бактерий показали, что некоторые из них способны уничтожать других и не допускают их развития в общей среде. Это явление было названо „антибиозом" от греческого „анти" -- против и „биос" -- жизнь. Работая над нахождением действенного противомикробного средства, Флеминг об этом прекрасно знал. У него не было никаких сомнений, что на чашке с таинственной плесенью он встретился с явлением антибиоза. Он начал тщательно исследовать плесень. Спустя некоторое время ему удалось даже выделить из плесени противомикробное вещество. Поскольку плесень, с которой он имел дело, носила видовое латинское название Penicilium notatum полученное вещество он назвал пенициллином. Таким образом, в 1929 году, в лаборатории лондонской больницы св. Марии родился хорошо известный нам пенициллин.
Предварительные испытания вещества на подопытных животных показали, что даже при инъекции в кровь оно не приносит вреда, и одновременно в слабых растворах прекрасно подавляет стрептококки и стафилококки. Ассистент Флеминга, доктор Стюарт Греддок, заболевший гнойным воспалением так называемой гайморовой полости, был первым человеком, который решился принять вытяжку пенициллина. Ему ввели в полость небольшое количество вытяжки из плесени, и уже через три часа можно было убедиться, что состояние его здоровья значительно улучшилось.
Таким образом, было положено начало эпохи антибиотиков, которые спасли миллионы жизней, как в мирное время, так и во времена войны, когда раненые умирали не от тяжести ранения, а от заражений, связанных с ними. В дальнейшем велись разработки новых антибиотиков, на базе пенициллина, способов их получения для широкого применения.
БИОТЕХНОЛОГИИ И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
Следствием прорыва в медицине, стал быстрый демографический подъём. Население резко увеличивалось, а значит, требовалось больше пищи, а в связи с ухудшением экологии из-за ядерных испытаний, развития промышленности, истощения гумуса обрабатываемой земли, появилось множество заболеваний растений и скота.
Сначала, люди лечили животных и растения антибиотиками и это приносило свои результаты. Рассмотрим эти результаты. Да, если обрабатывать овощи, фрукты, зелень и др. в период вегетации сильными фунгицидами, то это поможет подавить развитие некоторых болезнетворных микроорганизмов (не всех и не полностью), но, во-первых, это приводит к накоплению в плодах ядов и токсинов, а значит, снижаются полезные качества плода, во-вторых, вредные микробы быстро вырабатывают иммунитет к травящим их веществам и последующие обработки должны проводится всё более и более сильными антибиотиками.
То же явление наблюдается и в животном мире, и, к сожалению, у человека. К тому же, в организме теплокровных антибиотики вызывают ещё ряд негативных последствий, таких как дисбактериоз, деформации плода у беременных, и др.
Как же быть? Сама природа даёт ответ на этот вопрос! И этот ответ - ПРОБИОТИКИ!
В ведущий институтах биотехнологий и генной инженерии давно занимаются выводом новых и селекцией известных микроорганизмов, которые обладают удивительной жизнестойкостью и способностью «побеждать» в борьбе с другими микробами. Эти элитные штаммы такие как «bacillus subtilis» и «Licheniformis» широко применяются для лечения людей, животных, растений невероятно эффективно и совершенно безопасно. Как такое возможно? А вот как: в организме людей и животных обязательно содержится множество необходимых бактерий. Они участвуют в процессах пищеварения, образования ферментов и составляют почти 70% иммунной системы человека. Если по какой-либо причине (приём антибиотиков, неправильное питание) у человека нарушен бактериальный баланс, то он оказывается незащищённым от новых вредоносных микробов и в 95% случаев заболеет снова. То же относится и к животным. А элитные штаммы, попадая в организм, начинают активно размножаться и уничтожать патогенную флору, т.к. уже говорилось выше, они обладают большей жизнеспособностью. Таким образом, с помощью штаммов элитных микроорганизмов, можно поддерживать макро организм в здоровье без антибиотиков и в гармонии с природой, т. к. сами по себе, находясь в организме, данные штаммы приносят только пользу и никакого вреда.
Они лучше, чем антибиотики ещё и потому, что:
ответ микромира на введение в деловую практику суперантибиотиков очевиден и следует из уже имеющегося в распоряжении ученых экспериментального материала - рождение супермикроба.
Микробы удивительно совершенные саморазвивающиеся и самообучающиеся биологические машины, способные запоминать в генетической памяти созданные ими механизмы защиты от губительного для них воздействия антибиотиков и передавать информацию потомкам.
Бактерии представляют собой своего рода «биореактор», в котором производятся ферменты, аминокислоты, витамины и бактериоцины, которые также как и антибиотики нейтрализуют болезнетворные микроорганизмы. Однако при этом не возникает ни привыкания к ним, ни побочных действий, типичных при применении химических антибиотиков. Наоборот, они способны, очистить стенки кишечника, повысить их проницаемость для необходимых питательных веществ, восстановить биологический баланс кишечной микрофлоры и стимулировать всю иммунную систему
Ученые воспользовались естественным для природы путем поддержания здоровья макро организма, а именно - из природной среды выделили бактерии - сапрофиты, обладающие свойством подавлять рост и развитие патогенной микрофлоры, в том числе и в желудочно-кишечном тракте теплокровных.
Миллионы лет эволюции живого на планете создали столь замечательные и совершенные механизмы подавления патогенной микрофлоры непатогенной, что сомневаться в успехе такого подхода не приходится. Непатогенная микрофлора в конкурентной борьбе побеждает в бесспорном большинстве случаев и, если бы это было не так - нас с вами не было бы сегодня на нашей планете.
На основании вышеизложенного, учёные, производящие удобрения и фунгициды для применения в сельском хозяйстве, тоже постарались перейти с химического на биологический взгляд. И результаты не замедлили себя проявить! Выяснилось, что те же самые bacillus subtilis успешно борются аж с семьюдесятью разновидностей патогенных представителей, вызывающих такие заболевания садово-огородных культур, как бактериальный рак, фузариозное увядание, корневая и прикорневая гниль и др., ранее считавшиеся неизлечимыми болезнями растений, с которыми не мог справиться НИ ОДИН ФУНГИЦИД! Кроме того, эти бактерии оказывают явно положительное влияние на вегетацию растения: сокращается срок налива и созревания плодов, увеличиваются полезные качества плодов, снижается содержание в них нитратов и др. токсичных веществ, а главное - значительно уменьшается потребность в минеральных удобрениях!
Препараты, содержащие штаммы элитных бактерий, уже занимают первые места на российских и международных выставках, они завоёвывают медали за эффективность и экологичность. Уже начали их активное использование мелкие и крупные сельхозпроизводители, а фунгициды и антибиотики постепенно уходят в прошлое.
Подукция компании «Био-Бан» это препараты «Флора-С» и «Фитоп-Флора-С» предлагает сухие торфо-гуминовые удобрения, содержащие концентрированные гуминовые кислоты (а насыщенный гумус - залог отличного урожая) и штамм бактерий «bacillus subtilis» для борьбы с болезнями. Благодаря этим препаратам, можно в короткие сроки восстановить истощённую землю, увеличить урожайность земли, защитить свой урожай от болезней, а главное, возможно получать отличные урожаи в зонах рискового земледелия!
Я считаю, приведённых аргументов достаточно, что бы оценить преимущества пробиотиков и понять, почему же учёные утверждают, что двадцатый век - век антибиотиков, а двадцать первый - век пробиотиков!
Подобные документы
Понятие и значение селекции как науки о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. Оценка роли и значения микроорганизмов в биосфере, и особенности их использования. Формы молочнокислых бактерий.
презентация , добавлен 17.03.2015
контрольная работа , добавлен 12.05.2009
Оснвные способы получения генетически модифицированных растений и животных. Трансгенные микроорганизмы в медицине, химической промышленности, сельском хозяйстве. Неблагоприятные эффекты генно-инженерных организмов: токсичность, аллергия, онкология.
курсовая работа , добавлен 11.11.2014
Отличия животных от растений. Особенности отбора животных для селекции. Что такое гибридизация, ее классификация. Современные разновидности селекции животных. Сферы использования микроорганизмов, их полезные свойства, методы и особенности селекции.
презентация , добавлен 26.05.2010
Изучение предмета, основных задач и истории развития медицинской микробиологии. Систематика и классификация микроорганизмов. Основы морфологии бактерий. Исследование особенностей строения бактериальной клетки. Значение микроорганизмов в жизни человека.
лекция , добавлен 12.10.2013
Пробиотики как непатогенные для человека бактерии, обладающие антагонистической активностью в отношении патогенных микроорганизмов. Знакомство с особенностями пробиотических лактобацилл. Анализ кисломолочных продуктов с пробиотическими свойствами.
реферат , добавлен 17.04.2017
Гипотезы о зарождении жизни на Земле. Изучение биохимической деятельности микроорганизмов, их роли в природе, жизни человека и животных в работах Л. Пастера. Генетические исследования бактерий и вирусов, их фенотипическая и генотипическая изменчивость.
реферат , добавлен 26.12.2013
Производство продуктов микробного синтеза первой и второй фазы, аминокислот, органических кислот, витаминов. Крупномасштабное производство антибиотиков. Производство спиртов и полиолов. Основные типы биопроцессов. Метаболическая инженерия растений.
курсовая работа , добавлен 22.12.2013
Влияние пробиотиков на здоровье человека. Иммуностимулирующие, антимутагеные свойства пропионовокислых бактерий. Влияние йода на биохимические свойства бактерий-пробиотиков. Качественная характеристика йодированных препаратов, биохимические показатели.
Методы определения суммарной биохимической активности почвенной микрофлоры
Характеристика микробов клеточной организации
Роль микроорганизмов в природе и сельском хозяйстве
Широкое распространение микроорганизмов свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии происходит разложение различных органических веществ в почвах и водоемах, они обусловливают круговорот веществ и энергии в природе; от их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти, многих других полезных ископаемых. Микроорганизмы участвуют в выветривании горных пород и прочих природных процессах.
Многие микроорганизмы используют в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Так, хлебопечение, изготовление кисломолочных продуктов, виноделие, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов. Особенно важно использование микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве. От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микробных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и веществ микробного происхождения для кормления животных.
Микроорганизмы оказывают положительное влияние на процессы разложения веществ неприродного происхождения - ксенобиотиков, искусственно синтезированных, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их.
Наряду с полезными микроорганизмами существует большая группа так называемых болезнетворных, или патогенных, микроорганизмов, вызывающих разнообразные болезни сельскохозяйственных животных, растений, насекомых и человека. В результате их жизнедеятельности возникают эпидемии заразных болезней человека и животных, что сказывается на развитии экономики и производительных сил общества.
Последние научные данные не только существенно расширили представления о почвенных микроорганизмах и процессах, вызываемых ими в окружающей среде, но и позволили создать новые отрасли в промышленности и сельскохозяйственном производстве. Например, открыты антибиотики, выделяемые почвенными микроорганизмами, и показана возможность их использования для лечения человека, животных и растений, а также при хранении сельскохозяйственных продуктов. Обнаружена способность почвенных микроорганизмов образовывать биологически активные вещества: витамины, аминокислоты, стимуляторы роста растений - ростовые вещества и т.д. Найдены пути использования белка микроорганизмов для кормления сельскохозяйственных животных. Выделены микробные препараты, усиливающие поступление в почву азота из воздуха.
Открытие новых методов получения наследственно измененных форм полезных микроорганизмов позволило шире применять микроорганизмы в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Особенно перспективно развитие генной, или генетической, инженерии. Ее достижения обеспечили развитие биотехнологии, появление высокопродуктивных микроорганизмов, синтезирующих белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие, необходимые для животноводства и растениеводства продукты.
С микроорганизмами человечество соприкасалось всегда, тысячелетия даже не догадываясь об этом. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания, в том числе эпидемические. Свидетельством последнего в библейских книгах служит указание о повальной болезни (вероятно, чуме) с рекомендациями сжигать трупы и делать омовения.
В соответствии с принятой сейчас классификацией микроорганизмы по типу питания разделяют на ряд групп в зависимости от источников потребления энергии и углерода. Так, выделяют фототрофы, пользующиеся энергией солнечного света, и хемотрофы, энергетическим материалом для которых служат разнообразные органические и неорганические вещества.
В зависимости от того, в какой форме микроорганизмы получают из окружающей среды углерод, их подразделяют на две группы: автотрофные ("сами себя питающие"), использующие в качестве единственного источника углерода диоксид углерода, и гетеротрофные ("питающиеся за счет других"), получающие углерод в составе довольно сложных восстановленных органических соединений.
Таким образом, по способу получения энергии и углерода микроорганизмы можно подразделить на фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Внутри группы в зависимости от природы окисляемого субстрата, называемого донором электронов (Н-донором), в свою очередь, выделяют органотрофы, потребляющие энергию при разложении органических веществ, и литотрофы (от греч. lithos - камень), получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. Поэтому в зависимости от используемого микроорганизмами источника энергии и донора электронов следует различать фотоорганотрофы, фотолитотрофы, хемоорганотрофы и хемолитотрофы. Таким образом, выделяют восемь возможных типов питания.
Каждой группе микроорганизмов присущ определенный тип питания. Ниже приведено описание наиболее распространенных типов питания и краткий перечень микроорганизмов, их осуществляющих.
При фототрофии источник энергии - солнечный свет. Фотолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, использующих энергию света для синтеза веществ клетки из С0 2 и неорганических соединений (Н 2 0, Н 2 S, S°), т.е. осуществляющих фотосинтез. К данной группе относят цианобактерий, пурпурных серных бактерий и зеленых серных бактерий.
Цианобактерий (порядок Суаnobасtеriа1еs), как и зеленые растения, восстанавливают С0 2 до органического вещества фотохимическим путем, используя водород воды:
С0 2 + Н 2 0 свет-› (СH 2 O) * + O 2
Пурпурные серные бактерии (семейство Chromatiaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, обусловливающие способность данных микроорганизмов к фотосинтезу, и различные каротиноидные пигменты.
Для восстановления С0 2 в органическое вещество бактерии данной группы используют водород, входящий в состав Н 2 5. При этом в цитоплазме накапливаются гранулы серы, которая затем окисляется до серной кислоты:
С0 2 + 2Н 2 S свет-› (СH 2 O) + Н 2 + 2S
3CO 2 + 2S + 5H 2 O свет-› 3 (СН 2 0) + 2Н 2 S0 4
Пурпурные серные бактерии обычно бывают облигатными анаэробами.
Зеленые серные бактерии (сем. Chlorobiaceae) содержат зеленые бактериохлорофиллы с, и, в небольшом количестве бактериохлорофилла, а также различные каротиноиды. Как и пурпурные серные бактерии, они строгие анаэробы и способны окислять в процессе фотосинтеза сероводород, сульфиды и сульфиты, накапливая серу, которая в большинстве случаев окисляется до 50^" 2 .
Фотоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, которые для получения энергии помимо фотосинтеза могут использовать еще и простые органические соединения. К этой группе относятся пурпурные несерные бактерии.
Пурпурные несерные бактерии (семейство Rhjdospirillaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, а также различные каротиноиды. Они не способны окислять сероводород (Н 2 S), накапливать серу и выделять ее в окружающую среду.
При хемотрофии энергетический источник - неорганические и органические соединения. Хемолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих энергию при окислении неорганических соединений, таких, как Н 2 , NH 4 + , N0 2 - , Fе 2+ , Н 2 S, S°, S0з 2 - , S 2 0з 2- , СО и др. Сам процесс окисления называют хемосинтезом. Углерод для построения всех компонентов клеток хемолитоавтотрофы получают из диоксида углерода.
Хемосинтез у микроорганизмов (железобактерий и нитрифицирующих бактерий) был открыт в 1887-1890 гг. известным русским микробиологом С.Н. Виноградским. Хемолитоавтотрофию осуществляют нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак или нитриты), серные бактерии (окисляют сероводород, элементарную серу и некоторые простые неорганические соединения серы), бактерии, окисляющие водород до воды, железобактерии, способные окислять соединения двухвалентного железа, и т.д.
Представление о количестве энергии, получаемой при процессах хемолитоавтотрофии, вызываемых указанными бактериями, дают следующие реакции:
NH3 + 11/2 0 2 - HN0 2 + Н 2 0 + 2,8 10 5 Дж
HN0 2 + 1/2 0 2 - HN0 3 + 0,7 105 Дж
Н 2 S + 1/2 0 2 - S + Н 2 0 + 1,7 10 5 Дж
S + 11/2 0 2 - Н 2 S0 4 + 5,0 10 5 Дж
Н 2 + 1/ 2 0 2 - Н 2 0 + 2,3 10 5 Дж
2FеС0 3 + 1/2 0 2 + ЗН 2 0 - 2Fе (ОН) 3 + 2С0 2 + 1,7 10 5 Дж
Хемоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих необходимую энергию и углерод из органических соединений. Среди данных микроорганизмов многие аэробные и анаэробные виды, обитающие в почвах и других субстратах.