Роль микробов в превращении веществ в при­роде

Жизнедеятельность микроорганизмов обусловливает различ­ные превращения веществ в природе. К ним относят гниение, тление, нитрификацию, денитрификацию, брожение.

Превращение азота. Азот входит в состав всех белковых со­единений и является важной составной частью воздуха. Однако животные и растения для своего питания не могут усваивать азот воздуха. Для жизни растений необходимы азотсодержащие со­единения. Растения усваивают азот в виде растворов солей азот­ной кислоты. Пополнение запасов этих солей в почве идет за счет жизнедеятельности микробов, одни из которых расщепляют белки погибших животных и растений, другие фиксируют атмо­сферный азот.

Разложение мертвого белка — гниение — происходит в ре­зультате деятельности гнилостных микроорганизмов, которые обусловливают гидролитический распад белка с образованием ряда промежуточных соединений (альбуминов, пептонов, амино- и амидокислот) и дурно пахнущих веществ (индола, скатола, сероводорода, летучих жирных кислот). Конечным продуктом дезаминирования является аммиак. Так осуществляется в приро­де превращение органического азота в аммиачный, т.е. аммо­нификация белковых веществ.

Степень распада белка зависит от микробов, участвующих в этом процессе, и условий. При обильном доступе кислорода происходит глубокий распад белка с полным окислением образу­ющихся продуктов. Этот процесс называется тлением. В от­личие от него гниение протекает, как правило, в анаэробных условиях, и поэтому полного окисления некоторых продуктов (жирных кислот) не происходит. Гнилостные микробы разлагают белок с помощью выделяемых ими протеолитических ферментов. К ним принадлежат анаэробы Clostridium sporogenes, Cl. putrificus, Cl. septique — постоянные обитатели кишечника животных и навоза. Другую группу гнилостных микробов составляют аэро­бы В. cloacae, Proteus vulgaris, В. prodigiosum, Вас. subtilis, Вас. mycoides, Вас. mesentericus, Вас. megaterium, плесени и др. Гнилостные процессы замедляются или прекращаются при низ­кой температуре, кислом рН, в гипертонической среде, в высу­шенных материалах, под воздействием дезинфицирующих ве­ществ. Эти особенности используются человеком для сохранения скоропортящихся продуктов.

В процессе белкового обмена в организме животных и чело­века накапливается мочевина, которая выводится во внешнюю среду с мочой. Уробактерии сбраживают мочевину с образовани­ем аммиака, углекислоты и воды. Таким образом, органический азот мочевины, которая выделяется животными и людьми в гро­мадных количествах (более 50 млн т мочевины в год), становит­ся доступным для усвоения растениями.

Аммиачные соли, образующиеся при распаде белков или рас­щеплении мочевины, окисляются в азотнокислые соли, которые усваиваются растениями. Этот процесс именуется нитрифи­кацией. Она протекает в две фазы: 1)окисление аммиачных солей до солей азотистой кислоты, осуществляемое нитрозобактериями, которые были открыты русским ученым С.Н. Виноградским; 2) окисление солей азотистой кислоты (нитритов) в соли азотной кислоты (нитраты), происходящее под влиянием нитробактерий.

Процессы, обратные нитрификации, — денитрификация, осуществляются микроорганизмами, восстанавливающими соли азотной кислоты в соли азотистой кислоты. В результате этого образуется азот, который улетучивается в атмосферу. Почва при этом обедняется, и плодородие ее снижается. Частым перепахи­ванием и рыхлением создают условия усиленной аэрации почвы, чем уменьшают или прекращают денитрификацию. Процессы денитрификации компенсируются деятельностью азотусваивающих или азотфиксирующих бактерий, которые усваивают атмо­сферный азот и переводят его в соединения, доступные для питания растений. К ним относят некоторые свободноживущие почвенные бактерии, азотобактер, а также клубеньковые бакте­рии, которые живут на корнях бобовых растений, находясь с последними в симбиотических отношениях.

Для удобрения почвы применяют бактериальные препараты: нитрагин — чистую культуру клубеньковых бактерий в стерили­зованной почве и азотобактерин — культуру азотобактера на ней­тральном торфе.

Превращение углерода. В превращениях веществ в природе большое значение имеют процессы брожения — расщепления безазотистых органических соединений.

Спиртовое брожение. Расщепление сахара на спирт и углекислоту зависит от жизнедеятельности дрожжевых клеток, которые выделяют фермент — зимазу. Спиртовое брожение нашло широкое применение в пищевой промышленности. Вы­зывают спиртовое брожение дрожжи: пивные или хлебные (Saccharomyces cerevisiae), винные (Saccharomyces ellipsoides) и ке­фирные (Torula Kephiri).

Уксуснокислое брожение — процесс окисления спирта в уксусную кислоту. Под действием уксуснокислых бакте­рий скисают виноградные вина и пиво. Этиловый спирт превра­щается в уксусный альдегид, а затем в уксусную кислоту. Уксус­нокислые бактерии объединяются в род Acetobacter.

Маслянокислое брожение — расщепление углево­дов, жиров и белков на масляную кислоту, углекислоту и водо­род. Его вызывают анаэробные спорообразующие микробы из группы Cl. butiricum.

Молочнокислое брожение — процесс расщепления сахара на две частицы молочной кислоты. Обусловливают молоч­нокислое брожение микробы Streptococcus lactis, В. acidophilus, В. bulgaricum, В. casei. Их применяют при изготовлении молоч­нокислых продуктов (кефир, ацидофилин, кумыс), сливочного масла, сыра, кислого хлебного теста, квашеной капусты и огур­цов, силоса. Все они обеспечивают типичное молочнокислое брожение. Известны также микроорганизмы, вызывающие нети­пичное молочнокислое брожение, в результате которого молоч­ная кислота накапливается в небольших количествах и образуют­ся побочные продукты брожения (уксусная и пропионовая кис­лоты, этиловый спирт и др.). Для профилактики и лечения болезней молодняка животных применяют препараты, содержа­щие бактерии, которые вызывают типичное молочнокислое бро­жение и являются антагонистами гнилостных микробов. Среди таких препаратов наиболее известны лактобациллин, ацидофи­лин, ацидофильная бульонная культура (АБК) и пропионово-ацидофильная бульонная культура (ПАБК).

Брожение клетчатки — расщепление целлюлозы рас­тений с освобождением углерода, осуществляемое аэробными и анаэробными бактериями, а также грибами. Анаэробное броже­ние клетчатки, как установил В.Л. Омелянский, происходит под действием двух бактерий-целлюлозоразрушителей: Cl. cellulosae methanicus и Cl. cellulosae hidrogenicus. В зависимости от вида микроорганизмов, участвующих в этих процессах, конечным продуктом распада бывает метан или водород. Аэробное броже­ние клетчатки осуществляют три группы бактерий: Cytophaga, Cellvibrio, Cellfacicula. Их открыл С. Н. Виноградский.

Брожение клетчатки играет большую роль в пищеварении тра­воядных, так как бактерии, разлагая клетчатку, способствуют усвоению кормов. Если этот процесс нарушается, происходит накопление газов (метана и водорода) в рубце жвачных и возни­кает тимпания.

Процессы брожения нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. Их используют в пищевой, цел­люлозно-бумажной, химической промышленности, при обработ­ке льна, кож. Брожение происходит при силосовании кормов в анаэробных условиях, для чего зеленую массу плотно утрамбовы­вают. В таких условиях обильно размножаются молочнокислые бактерии, а роста гнилостной микрофлоры не происходит. В доброкачественном силосе количество молочной кислоты дости­гает 1,5-2% к массе силоса, рН 4,0-4,2.

Широко применяется дрожжевание кормов, в результате чего корма обогащаются витаминами и белками.

Контрольные вопросы. 1. Какие признаки и свойства микробов могут изме­няться? 2. Какое значение имеет изменение биологических свойств болезнетвор­ных микроорганизмов? 3. Как происходит превращение азота и углерода в при­роде? 4. Какие типы брожения вы знаете и какова их краткая характеристика?