Микроорганизмы и биотехнология

Данные по метаболическим профилям некоторых промышленных микроорганизмов.

Культивирование микроорганизмов и клеток различных тканей связано с особенностями ассимиляции, диссимиляции, роста и размножения представителей трех царств живой природы: животных, растений и микроорганизмов. Культуры представителей указанных семейств различны по форме и содержанию. При решении ряда вопросов биотехнологии ветеринарных препаратов обычно имеют дело с культурами микроорганизмов (бактерий, грибов, вирусов), а также с культурами тканевых клеток, полученных из органов или тканей животных или человека. Вce живые организмы на нашей планете образуют разные соединения первичного метаболизма, такие, как углеводы, белки, липиды, витамины и другие вещества, необходимые для роста и развития. Их содержание и состав зависят от генетических характеристик объектов, стадии онтогенеза и условий произрастания. Помимо первичных метаболитов, у некоторых организмов (преимущественно растений) осуществляется синтез называемых вторичных метаболитов, к которым относятся алкалоиды, терпеноиды, стероиды, фенольные соединения, цианогенные гликозиды и др. Эти низкомолекулярные вещества во многих случаях характерны для отдельных видов растений, а их синтез в значительно шей степени видоспецифичен, чем синтез первичных метаболитов.

Рис. 1. Основные пути синтеза вторичных соединений и их связь с первичным обменом.

 

В зависимости от продуктов метаболизма выделяется два его вида:

1. Энергетический катаболизм или реакция разрушения. Фактически этот вид метаболизма обеспечивается за счет окислительного дыхания. В процессе дыхания организуется приток в организм элементов-окислителей, окисляющих уже присутствующие в этом организме определенные химические соединения с выделением энергии АТФ. Эта энергия присутствует в клетке в виде фосфатных связей.

2. Конструктивный анаболизм или реакции созидания. Это процесс биосинтеза органических молекул, которые необходимы для поддержания жизни в клетке. Протекает в виде химических реакций, в которые вступают поступающие в клетку вещества и собственные внутриклеточные продукты катаболизма (амфиболиты). Эти реакции обеспечиваются энергией за счет потребления накопленного в АТФ энергетического запаса.

Наличие строгой градации не подразумевает того, что где-то в организме бактериальной клетки отдельно синтезируется энергия, а отдельно строится органическая материя с потреблением уже наработанной энергии.

Подавляющее большинство метаболических процессов протекают в прокариотической клетке одновременно и представляют собой замкнутый цикл. Так, в процессе катаболизма образуются продукты, которые сразу же подхватываются клеточными структурами, и запускается реакция биосинтеза определенных ферментов, которые, в свою очередь, регулируют процессы энергетического синтеза.

По отношению к субстрату метаболизм у бактерий делится на несколько этапов:

1. Периферический – обработка субстрата ферментами, выработанными бактерией.

2. Промежуточный – синтез в клетке промежуточных продуктов.

3. Заключительный – выделение конечных продуктов в окружающую среду.

Энергетический метаболизм у представителей царства бактерий может осуществляться двумя разными биологическими путями:

· хемотрофный (получение энергии в результате протекания химических реакций);

· фототрофный (энергия фотосинтеза).

Хемотрофное дыхание (перенос электрона с субстрата на внутриклеточные вещества) у бактерий происходит тремя способами:

· кислородное окисление (аэробное дыхание);

· бескислородное (анаэробное дыхание);

· брожение.

Использование энергии АТФ для построения клеточного материала является не чем иным, как реакциями биосинтеза по созданию:

· аминокислот;

· нуклеотидов;

· липидов;

· углеводов.

Реакции протекают в несколько этапов. В результате начальных стадий из продуктов разложения глюкозы (пентозофосфаты, пирувата, ацетила КоА и т.д.) образуются белковые молекулы-мономеры, которые на следующих этапах собираются в макромолекулы.

Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине XIX в.

В XX в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты, изготавливают пиво, вино, ферментированные пищевые продукты.

Продукты метаболизма

После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.

Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах. В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.

Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответствующих веществ. В этой области достигнуты значительные успехи: например, удалось получить микроорганизмы, которые синтезируют аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения – организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).

В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи – ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты. Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества. В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов:

- циклоспорин – иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов;

- имипенем (одна из модификаций карбапенема) – вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков;

- ловастатин – препарат, снижающий уровень холестерина в крови;

- ивермектин – антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии.

Дрожжи

Saccharomyces cerevisiae Этанол, глицерин

Kluyveromyces flagilis Этанол

Kl.Laktis Этанол

Schizosaccharomycts pombe Этанол

Clostridium acetobutylicum Этанол, уксусная,

Cl. Thermosaccharolynicum Глюкоза, ксилоза, этанол

Cl. Thermohydrosulfuricum Этанол, уксусная кислота

Cl. Auranticum Ацетон, бутанол, изопропанол

Cl. Thermoacticum Уксусная кислота

Cl. Propionicum Пропионовая, акриловые кислоты

Xanthomonas campestris Полисахариды

Zymjmjnas mobilis Сорбит, Леван, глюконовая кислота

Thermoanaerobacter ethanolicus Этанол, уксусная, молочная кислоты

Dunaliella sp. Глицерин

Aerobakter aerogenes 2,3 – бутандиол

Bacillus polumuxa 2,3 – бутандиол

Lactobacillus deldrueckii Молочная кислота

Acetobakter curvum Уксусная кислота

Бактерии

Из более чем 100 000 известных видов микроорганизмов в промышленности используют относительно мало – около 100 видов, к которым принадлежат несколько тысяч штаммов.

Промышленно важные продукты жизнедеятельности микроорганизмов по их природе и значению для самой микробной клетки делят на три основные группы:

1) крупные молекулы (ферменты, полисахариды с молекулярной массой от 10 тыс. до нескольких миллионов);

2) первичные метаболиты (соединения, необходимые микроорганизмам для роста: аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды, витамины);

3) вторичные метаболиты (соединения, ненужные микроорганизмам для роста: антибиотики, токсины, алкалоиды, факторы роста растений).

Первичные и вторичные метаболиты микробного происхождения обычно имеют довольно низкую по сравнению с ферментами молекулярную массу – менее 1,5 тыс.

Биологическую активность эти вещества проявляют различно: удовлетворяют потребности человека и животных, взаимодействуют с микроорганизмами, участвуют в разложении различных органических субстратов. Кроме того, некоторые аминокислоты могут служить сырьем для дальнейших превращений на основе химического синтеза.

Многие антибиотики, ферменты, биологически активные изомеры ряда аминокислот, пуриновые нуклеотиды, токсины, факторы роста растений в настоящее время возможно или, по крайней мере, гораздо проще получать с помощью микроорганизмов из доступного и дешевого сырья, чем осуществлять сложный, многоэтапный химический синтез или даже 1-2 этапа ферментативного синтеза, но на основе сложного и часто малодоступного сырья.

Однако природные штаммы микроорганизмов, как правило, не обладают способностью выделять и накапливать в питательной среде, т.е. продуцировать, такое количество нужного продукта, которое обеспечило бы достаточно низкую его стоимость и требуемый народному хозяйству или медицине объем производства. Природные штаммы некоторых групп микроорганизмов (несовершенные грибы, актиномицеты, бациллы) способны выделять в окружающую среду сравнительно небольшие количества антибиотиков, токсинов или гидролитических ферментов. Первичные метаболиты, как правило, микроорганизмами не выделяются в значительном количестве (синтезируемое количество этих веществ строго ограничено и рассчитано на потребности самой клетки). Исключение из этого правила – выделение глутаминовой кислоты природными штаммами (так называемой группы глутаматпродуцирующих коринебактерий) - не распространяется на подавляющее большинство других аминокислот.

Камнем преткновения часто является неполное знание биохимических путей синтеза того или иного соединения и недостаточная разработанность генетики многих промышленных штаммов. Именно поэтому до сих пор не создан указанным методом ни один штамм – продуцент антибиотиков, очень ограничено число штаммов – продуцентов первичных и вторичных метаболитов.

Изучение метаболома отдельных микробиологических культур, создание метаболических профилей, а также детальное изучение метаболитов микроорганизмов на разных стадиях роста расширит возможности микробиологического синтеза.

Синтез антибиотиков

Антибиотик аурантин является продуктом биосинтеза Act. aurantiacus. Аурантин относится к многочисленной группе антибиотиков, известной под названием актиномицинов.

В настоящее время известно около 30 антибиотиков — представителей этой группы. Интерес к актиномицинам связан с их противоопухолевым действием, хотя имеющийся экспериментальный материал крайне противоречив. Молекулы их состоят из двух частей — гетероциклической и полипептидной. Гетероциклическая (хромофорная) часть является одинаковой у всех актиномицетов.

Аурантин не является индивидуальным веществом, а состоит по крайней мере из 4 компонентов, которые условно названы A1, А2, А3, А4. Отличаются они друг от друга последовательностью расположения и составом аминокислот в полипептидной цепи. Как отмечалось выше, актиномицины отличаются друг от друга по составу или расположению аминокислот пептидной цепочки. Состав и строение образующегося антибиотика зависит не только от специфических особенностей организма-продуцента, но и от условий, в которых происходит его культивирование. Например, состав образующейся смеси антибиотиков зависит от продолжительности ферментации. Изменить аминокислотный состав антибиотика могут присутствующие в среде аминокислоты. Применение в качестве ингредиентов среды аминокислот, которые не входят в молекулу, несколько угнетает общий синтез антибиотика и, кроме того, вызывает изменение в его составе. Большинство аминокислот не включается в молекулу антибиотика, оказывая косвенное влияние на ее структуру, вызывая изменения в соотношении фракций A1 и А2, т. е. влияют на интенсивность включения в молекулу изолейцина или валина.

Антибиотик флоримицин, известный также в литературе под названием биомицина, представляет собой полипептид основного характера. Наиболее широкое клиническое применение имеет сульфат флоримицина.

Механизм биосинтеза молекулы антибиотика неизвестен. Из испытанных источников углерода положительное влияние на синтез оказывали глюкоза, гидрол и крахмал. Сахароза и лактоза не использовались культурой. Глицерин и кашалотовый жир снижали уровень активности антибиотика в среде.

Весьма характерной особенностью продуцента флоримицина (штамм Act. floridae № 469) оказалось различное отношение к источникам азота в зависимости от источника углерода, присутствующего в среде, что в конечном итоге сказывается на содержании флоримицина в культуральной жидкости.

Из различных бактериальных культур получено несколько близких по строению антибиотиков, являющихся полипептидами.

В частности, к их числу относятся тироцидин и выделенный в 1942 г. советскими учеными Г. Ф. Гаузе и М. Г. Бражниковой из культуры Вас. brevis грамицидин С. Определение молекулярного веса антибиотика и изучение его химической структуры позволили сделать вывод о том, что грамицидин С представляет собой декапептид, в состав которого в определенной последовательности входят пять аминокислот, одна из которых — фенилаланин является D-изомером.

Большое влияние на рост и образование антибиотика Вас. brevis оказывает возраст посевного материала. Использование для заражения среды лишь молодой, находящейся в стадии логарифмического роста культуры, обеспечивает интенсивный синтез грамицидина.

В связи с механизмом биосинтеза полипептидных антибиотиков необходимо отметить факт возможной замены в молекуле тироцидина, близкого по строению к грамицидину, фенилаланина триптофаном и наоборот. Замена оказывается возможной, если создать в среде определенные соотношения между аминокислотами. Этот факт показывает, что последовательность аминокислот в полипептидах не находится под абсолютным и непосредственным генетическим контролем. Подобный характер замены аминокислот может свидетельствовать о низкой специфичности энзимов, участвующих в распознавании и включении аминокислот в определенные места полипептида тироцидина. Структурно родственные аминокислоты, такие, как фенилаланин, триптофан, тирозин, включаются на конкурентных условиях в зависимости от их доступности.

Среди антибиотиков, выделенных из актиномицетов, большую группу составляют полиеновые антибиотики.

Они слабо действуют на бактерии и обладают, как правило, значительной антибиотической активностью относительно грибов. Некоторые из полиеновых антибиотиков: нистатин, амфотерицин В, леворин, трихомицин, кандицидин — используются для лечения ряда заболеваний, вызванных дрожжами и грибами.

Все полиеновые антибиотики характеризуются наличием в молекулах сопряженных двойных связей и в зависимости от количества их разделяются по спектрам поглощения в ультрафиолетовой области. Антибиотики-тетраены содержат четыре сопряженные двойные связи, пентаены — пять, гексаены — шесть, гептаены — семь.

Выяснение структуры некоторых полиеновых антибиотиков (пимарицина, филиппина) показало, что они являются макроциклическими лактонами, к которым глюкозидной связью присоединены остатки аминосахаров.

Характерной особенностью полиеновых антибиотиков является их преимущественная внутриклеточная локализация. Содержание полиеновых антибиотиков в среде крайне незначительно. Поэтому при получении полиеновых антибиотиков их экстрагируют из мицелия.

Из полиеновых антибиотиков наибольшее распространение в СССР получили нистатин (фунгицидин) и леворин. Продуцентом нистатина является бактерии рода стремицеты - Streptomyces noursei.

Кроме нистатина, важное практическое значение имеет другой полиеновый антибиотик — леворин (26/1). Продуцентом его является бактерии рода актиномицеты - Actinomyces levoris.

Олеандомицин характеризуется наличием макроциклического лактонного кольца, а по своему химическому строению является гликозидом, обладающим основными свойствами. Олеандомицин состоит из двух сахаров — L-олеандрозы и аминосахара дезозамина, гликозидно связанных с лактоном олеандолидом. В молекуле олеандомицина содержится также эпоксидная группировка. Продуцентом антибиотика является культура Actinomyces antibioticus.

Эритромицин представляет собой продукт жизнедеятельности Act. erythreus. По химической природе он относится к группе антибиотиков, называемых макролидами. В настоящее время выделено три эритромицина А, В и С. В отличие от эритромицина А у эритромицина В у двенадцатого углеродного атома отсутствует гидроксильная группа, у эритромицина С — метоксильная группа кладинозы. По своей активности in vitro эритромицины В и С ниже, чем эритромицин А. Торговый препарат содержит все три типа эритромицина, с преобладанием эритромицина А.

Новобиоцин — антибиотик, относящийся к группе кислородсодержащих гетероциклических соединений. Продуцентами являются культуры Act. spheroides, Act. niveus.

Образование новобиоцина происходит при развитии актиномицета как на сложных средах неопределенного состава, где в качестве компонентов применяются соевая мука, кукурузный экстракт, ржаная сечка, барда, дрожжевой автолизат или другие вещества, так и на относительно простых по составу синтетических средах. В зависимости от разнообразных факторов среды актиномицет может синтезировать как биологически активное вещество (новобиоцин), так и биологически неактивные соединения (изоновобиоцин и дескарбамилновобиоцин), очень близкие по строению к новобиоцину. Механизм биогенеза антибиотика не установлен. Однако известно, что входящие в состав молекулы аминокумарин и производное пара-оксибензойной кислоты образуются из L-тирозина.

Неомицин является антибиотиком, синтезируемым Act. fradiae и некоторыми другими видами актиномицетов.

До недавнего времени неомицин имел в СССР три синонима: колимицин, мицерин и фрамицин. Однако после того как была доказана идентичность данных антибиотиков неомицину, вместо трех препаратов стали выпускать один под названием неомицин. В состав антибиотиков неомицинового комплекса входят: неомицин А (неамин), неомицин В и С. Все три вещества являются оптически активными основаниями. Неомицины В и С имеют аналогичный состав и являются изомерными веществами, отличающимися только пространственной конфигурацией. В состав неомицинов В и С входят: неомицин А (неомин), D-рибоза, диаминогексоза В или С. Act. fradiae в основном образует неомицины В и С, причем 90% составляет неомицин В.

Гризеофульвин синтезируется некоторыми грибами из рода Penicillium. В качестве продуцентов наиболее часто встречаются P. griseofulvum, P. nigricans, P. Janczewskii. Антибиотик имеет характерный спектр действия на различные грибы, в том числе патогенные.

Антибиотики хлортетрациклин и тетрациклин синтезируются одним и тем же продуцентом Act. aureofaciens.

Хлортетрациклин больше известен под торговым названием биомицин (СССР), ауреомицин и дуомицин (за рубежом). Тетрациклин за рубежом носит название тетрацин, стеклин, ахромицин, полициклин и т. д. В последнее время большое внимание привлекает диметил-хлортетрациклин, который получают применяя специальный мутантный штамм или регулируя процесс биосинтеза за счет введения в состав среды некоторых компонентов. Окситетрациклин известен также под названием террамицин. Продуцентом его является Act. rimosus.

Пеницилин синтезируется Penicillium chrysogenum.

Микроорганизмы и биотехнология

Современная биотехнология опирается на достижения естествознания, техники, технологии, биохимии, микробиологии, молекулярной биологии, генетики. Биологические методы используются в борьбе с загрязнением окружающей среды и вредителями растительных и животных организмов. К достижениям биотехнологии можно также отнести применение иммобилизованных ферментов, получение синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном деле.

Широкое распространение получили гибридомы и продуцируемые ими моноклональные антитела, используемые в качестве диагностических и лечебных препаратов.

Бактерии, грибы, водоросли, лишайники, вирусы, простейшие в жизни людей играют значительную роль. С давних времен люди использовали их в процессах хлебопечения, приготовления вина и пива, в различных производствах. В настоящее время в связи с проблемами получения ценных белковых веществ, увеличения плодородия почв, очищения окружающей среды от загрязнителей, получения биопрепаратов и другими целями и задачами диапазон изучения и использования микроорганизмов значительно расширился. Микроорганизмы помогают людям в производстве эффективных питательных белковых веществ и биологического газа. Их используют при применении биотехнических методов очистки воздуха и сточных вод, при использовании биологических методов уничтожения сельскохозяйственных вредителей, при получении лечебных препаратов, при уничтожении утильсырья.

Некоторые виды бактерий используются для регенерации ценных метаболитов и лекарств, их используют с целью решения проблем биологического саморегулирования и биосинтеза, очищения водоемов.

Микроорганизмы, и прежде всего бактерии, - классический объект для решения общих вопросов генетики, биохимии, биофизики, космической биологии. Бактерии широко используются при решении многих проблем биотехнологии.

Микробиологические реакции благодаря своей высокой специфичности широко используются в процессах химических превращений соединений биологически активных природных соединений. Известно около 20 типов химических реакций, которые осуществляются микроорганизмами. Многие из них (гидролиз, восстановление, окисление, синтез и пр.) с успехом используются в фармацевтической химии. При произведении этих реакций применяются разные виды бактерий, актиномицетов, дрожжеподобных грибов и других микроорганизмов.

Создана биотехнологическая промышленность для получения антибиотиков, ферментов, интерферона, органических кислот и других метаболитов, продуцентами которых являются многие микроорганизмы.

Некоторые грибы родов Aspergillus и Fusarium (A.flavus, A.ustus, A.oryzae, F.sporotrichiella) способны гидролизовать сердечные глюкозиды, ксилозиды и рамнозиды, а также гликозиды, содержащие в качестве конечного сахара глюкозу, галактозу или арабинозу. С помощью A.terreus получают никотиновую кислоту.

В фармации микробиологические трансформации применяются с целью получения физиологически более активных веществ или полуфабрикатов, синтез которых чисто химическим путем достигается с большими трудностями или вообще невозможен.

Микробиологические реакции используются при изучении метаболизма лекарственных веществ, механизма их действия, а также для выяснения природы и действия ферментов.

Продуцентами биологически активных веществ являются многие простейшие. В частности, простейшие обитающие в рубце жвачных животных, вырабатывают фермент целлюлазу, способствующий разложению клетчатки (целлюлозы).

Простейшие являются продуцентами не только ферментов, но и гистонов, серотонина, липополисахаридов, липополипептидоглюканов, аминокислот, метаболитов, применяемых в медицине и ветеринарии, пищевой и текстильной промышленностях. Они являются одним из объектов, применяемых в биотехнологии.

Возбудитель южноамериканского трипаносомоза Trypanosoma cruzi является продуцентом противоопухолевого препарата круцина и его аналога – трипанозы. Эти препараты оказывают цитотоксическое действие на клетки злокачественных образований.

Продуцентами антибластомных ингибиторов являются также Trypanosoma lewisi, Crithidia oncopelti и Astasia longa.

Препарат астализид, продуцируемый Astasia longa, обладает не только антибластомным действием, но и антибактериальным (в отношении E.coli и Pseudomonas aeruginosa), а также и антипротозойным (против Leischmania).

Простейшие используются для получения полиненасыщенных жирных кислот, полисахаридов, гистонов, серотонина, ферментов, глюканов для применения в медицине, а также в пищевой и текстильной промышленности.

Herpetomonas sp. И Crithidia fasciculate продуцируют полисахариды, защищающие животных от Trpanosoma cruzi.

Поскольку биомасса простейших содержит до 50% белка, свободноживущие простейшие используются в качестве источника кормового белка для животных.

Ферментные препараты Aspergillus oryzae используются в пивоваренной промышленности, а ферменты A.niger используются при производстве и осветлении плодовоягодных соков и лимонной кислоты. Выпечка хлебобулочных изделий улучшается при использовании ферментов A.oryzae и A.awamori. При производстве лимонной кислоты, уксуса, кормовых и хлебопекарных изделий производственные показатели улучшаются при применении в технологическом процессе Aspergillus niger и актиномицетов. Применение очищенных препаратов пектиназы из мицелия A.niger при получении соков способствует увеличению их выхода, снижению вязкости и увеличению осветления.

Бактериальные ферменты (Bac.subtilis) используются для сохранения свежести кондитерских изделий и там, где нежелателен глубокий распад белковых веществ. Использование ферментных препаратов из Bac.subtilis в кондитерском и хлебобулочном производстве способствует улучшению качества и замедлению процесса червстления изделий. Ферменты

Bac.mesentericus активизируют депелирование кожевенного сырья.

Микроорганизмы широко используются в пищевой и бродильной промышленности.

В молочной промышленности очень широко используются молочные дрожжи. С их помощью приготавливают кумыс, кефир. Ферментами этих микроорганизмов молочный сахар разлагается до спирта и углекислоты, в результате этого улучшается вкус продукта и повышается его усвояемость организмом. При получении молочнокислых продуктов в молочной промышленности широко используются дрожжи, не сбраживающие молочный сахар и не разлагающие белки и жир. Они способствуют сохранению масла и увеличению жизнеспособности молочнокислых бактерий. Пленчатые дрожжи (микодерма) способствуют созреванию молочнокислых сыров.

Грибы Penicillum roqueforti используют при производстве сыра рокфор, а грибы Penicillum camemberi – в процессе созревания закусочного сыра.

В текстильной промышленности широко используется пектиновое брожение, обеспечиваемое ферментной активностью Granulobacter pectinovorum, Pectinobacter amylovorum. Пектиновое брожение лежит в основе начальной обработки волокнистых растений льна, конопли и других растений, используемых для изготовления пряжи и тканей.

Практически все природные соединения разлагаются бактериями, благодаря их биохимической активности, е только в окислительных реакциях с участием кислорода, но и анаэробно с такими акцептора электрона, как нитрат, сульфат, сера, углекислый газ. Бактерии участвуют в циклах всех биологически важных элементов и обеспечивают круговорот веществ в биосфере. Многие ключевые реакции круговорота веществ (например, нитрификация, денитрификация, азотфиксация, окисление и восстановление серы) осуществляются бактериями. Роль бактерий в процессах деструкции является определяющей.

Многие виды и разновидности дрожжей обладают способностью сбраживать различные углеводы с образованием спирта и других продуктов. Они широко используются в пивоваренной, винодельческой промышленности и хлебопечении. Типовыми представителями таких дрожжей являются Saccharomyces cerevisial, S.ellipsoides.

Многие микроорганизмы, в том числе дрожжеподобные и некоторые виды микроскопических грибов, издавна использовались при превращении различных субстратов для получения различных видов пищевых продуктов. Например, использование дрожжей для получения из муки пористого хлеба, использование грибов родов Rhisopus, Aspergillus для ферментации риса и сои, получение молочно – кислых продуктов с помощью молочно – кислых бактерий, дрожжей и др.

Ауксотрофные мутанты Candida guillermondii используются для изучения флавиногенеза. Гифальные грибы хорошо усваивают углероды нефти, парафина, n- гекасдекана, дизельного топлива.

Для разной степени очистки этих веществ используются виды родов Mucorales, Penicillium, Fusarium, Trichoderma.

Для утилизации жирных кислот используются штаммы Penicillium, а жирные вторичные спирты лучше перерабатываются в присутствии штаммов Penicillium и Trichoderma.

Виды грибов Aspergillus, Absidia, Cunningham, Ella, Fusarium, Mortierella, Micor, Penicillium, Trichoderma, Periconia, Spicaria используются при утилизации парафинов, парафинового масла, дизельного топлива, ароматических углеводородов, многоатомных спиртов, жирных кислот.

Penicillium vitale используется для получения очищенного препарата глюкозооксидазы, ингибирующего развитие патогенных дерматомицетов Microsporum lanosum, Achorion gypseum, Trichophyton gypseum, Epidermophyton kaufman.

Промышленное использование микроорганизмов для получения новых пищевых продуктов способствовало созданию таких видов промышленности как хлебопекарская и молочная, производство антибиотиков, витаминов, аминокислот, спиртов, органических кислот и пр.

Использование в пищевой промышленности истинных молочнокислых бактерий (Bact.bulgaricum, Bact.casei, Streptococcus lactis и др.) или их комбинаций с дрожжами позволяет получать не только молочнокислые, но и спипртомолочнокислые и кислоовощные продукты. К ним относятся простокваша, мацони, ряженка, сметана, творог, квашенная капуста, квашенные огурцы и помидоры, сыры, кефир, кислое хлебное тесто, хлебный квас, кумыс и другие продукты. Для приготовления простокваши и творога применяют Str.lactis, Str.diacetilactis, Str.paracitrovorus, Bact.acidophilum.

При приготовлении масла используют ароматизирующие бактерии и молочнокислые стрептококки Str.lactis, Str.cremoris, Str.diacetilactis, Str.citrovorus, Str.paracitrovorus.

Ложные молочнокислые бактерии (E.coli commune, Bact. Lactis aerogenes и др.) участвуют в процессах силосования зеленых кормов.

Среди метаболитов микробной клетки особое место занимают вещества нуклеотидной природы, которые являются промежуточными продуктами в процессе биологического окисления. Эти вещества являются очень важным сырьем для синтеза производных нуклеиновых кислот, ценных лекарственных препаратов антимикробного и антибластомного действия и других биологически активных веществ для микробиологической промышленности и сельского хозяйства.

Микробиологический синтез в основе своей представляет реакции, протекающие в живых клетках. Для осуществления такого синтеза используются бактерии способные осуществлять фосфорилирование пуриновых и пиримидиновых оснований, их нуклеозидов или синтетических аналогов низкомолекулярных компонентов нуклеиновых кислот.

Такими способностями обладают E.coli, S.typhimurium, Brevibacterium liguefaciens, B.ammonia genes, Mycobacterium sp., Corynebacterium flavum, Murisepticum sp., Arthrobacter sp.

Микроорганизмы могут быть использованы и при добыче угля из руд. Литотрофные бактерии (Thiobacillus ferrooxidous) окисляют сернокислое закисное железо до сернокислого окисного железа. Сернокислое окисное железо в свою очередь окисляет четырехвалентный уран, в результате чего уран в виде сульфатных комплексов выпадает в раствор. Из раствора уран извлекается методами гидрометаллургии.

Кроме урана из растворов могут выщелачиваться и другие металлы, в том числе и золото. Бактериальное выщелачивание металлов за счет окисления содержащихся в руде сульфидов позволяет вести добычу металлов из бедных забалансованных руд.

Очень выгодным и энергетически экономичным путем превращения органического вещества в топливо является метаногенез с участием многокомпонентной микробной системой. Метанобразующие бактерии совместно с ацетоногенной микрофлорой осуществляют превращение органических веществ в смесь мета и углекислоты.

Микроорганизмы можно использовать не только для получения газообразного топлива, но и для повышения добычи нефти.

Микроорганизмы могут образовывать поверхностно – активны вещества, снижающие поверхностно натяжение на границе между нефтью и вытесняющей ее водой. Вытесняющие свойства воды усиливаются с увеличением вязкости, что достигается применением бактериальной слизи, состоящей из полисахаридов.

При существующих методах разработки нефтяных месторождений извлекается не более половины геологических запасов нефти. С помощью микроорганизмов можно обеспечить вымывание нефти из пластов и освобождение ее из битуминозных сланцев.

Окисляющие метан бактерии, помещенные в нефтяной слой, разлагают нефть и способствуют образованию газов (метана, водорода, азота) и углекислоты. По мере накопления газов увеличивается их давление на нефть и, кроме того, нефть становится менее вязкой. В результате нефть из скважины начинает бить фонтаном.

Необходимо помнить о том, что применение микроорганизмов в каких бы то ни было условиях, в том числе и в геологических, требует создания благоприятных условий для сложной микробной системы.

Применение микробиологического метода с целью повышения добычи нефти, во многом зависит от геологической обстановки. Развитие восстанавливающих сульфаты бактерий в пласте может привести к избыточному образованию сероводорода и коррозии оборудования, а вместо увеличения пористости возможно заклеивание пор бактериями и их слизью.

Бактерии способствуют выщелачиванию металлов из старых шахт, из которых выбрана руда, и из отвалов. В промышленности используют процессы микробиологического выщелачивания при получении меди, цинка, никеля, кобальта.

В зоне горных выработок за счет окисления микроорганизмами соединений серы в шахтах образуются и накапливаются кислые шахтные воды. Серная кислота оказывает разрушительное действие на материалы, сооружения, окружающую среду, несет с собой металлы. Очистить воду, удалить сульфаты и металлы, сделать реакцию щелочной можно при помощи восстанавливающих сульфаты бактерий.