Использование свойств микроорганизмов в деятельности человека

В основе промышленной микробиологии лежат закономерности жизнедеятельности прокариотных и эукариотных микроорганизмов, как основных объектов технологий. Промышленная микробиология, объединяющая фундаментальную науку (получение новых генно-инженерных штаммов сверхпродуцентов) и технологию (крупномасштабное выращивание микроорганизмов), исследует микроорганизмы и процессы, приводящие к образованию полезных веществ или продуктов с их помощью. К задачам промышленной микробиологии можно также отнести разработку принципов использования микроорганизмов для организации технологических процессов пищевых производств (хлеба, пива, вина, молочнокислых продуктов и т.д.), для очистки окружающей среды от различных антропогенных загрязнений, в биометаллургии.

Промышленная микробиология является частью общей науки биотехнологии. Термин биотехнология включает составляющие «bios», «technos», «logos» греческого происхождения (от греч. «биос» – жизнь, «техне» – искусство, мастерство, умение и «логос» – понятие, учение) и является более широким понятием. Биотехнология (biotechnology) – наука, изучающая возможности использования организмов, биологических процессов и систем в производстве, включая превращение различных видов сырья в высококачественные продукты. В основе современной биотехнологии лежит перенос единиц наследственности (генов) из одного организма в другой, осуществляемый методами генной и клеточной инженерий в сочетании с микробиологическим синтезом и широким набором методов биохимии, биоорганической химии и биопроцессорной инженерии. Целью переноса генов из одного организма в другой является создание нового продукта или получение уже известного продукта в промышленных масштабах. Биотехнология на самом деле не что иное, как название, данное набору технических приемов (подходов) и процессов, основанных на использовании для этих целей биологических объектов. Современная биотехнология основана главным образом на культивировании микроорганизмов (бактерий и микроскопических грибов), животных и растительных клеток.

Использование свойств микроорганизмов, важных для человеческой практики, не является чем-то новым, ранее не известным, и представляет собой набор технологических приемов, корни которых появились тысячи лет тому назад.

Практика применения механизмов микробного метаболизма включает многие традиционные процессы, давно известные и используемые человеком. К одним из самых древних областей человеческой деятельности относятся хлебопечение, виноделие и пивоварение, которые в основе своей имеют не что иное, как жизнедеятельность микроорганизмов – хлебопекарных и винных дрожжей. Сюда же можно отнести разнообразные способы утилизации отходов, получение кисломолочных продуктов, сыров с помощью молочнокислых бактерий, пищевого уксуса с помощью уксуснокислых бактерий, а также различных органических кислот и растворителей, производство которых долгое время осуществлялось только помощи бактерий и не имело дублера в химической промышленности. Все перечисленные процессы на протяжении многих лет использовались и совершенствовались эмпирически без достаточных теоретических знаний о них.

Работы великого французского ученого Луи Пастера (1822–1895) заложили фундамент практического использования достижений микробиологии и биохимии в традиционных биотехнологиях (пивоварение, виноделие, производство уксуса) и ознаменовали начало нового, научного периода применения микроорганизмов. Для этого этапа характерно развитие промышленной микробиологии, в особенности ферментационных процессов в промышленных масштабах. Были разработаны процессы производства ацетона, глицерина путем ферментации. Интенсивно изучались основные группы микроорганизмов – возбудителей процессов брожения, исследовались биохимические особенности данных процессов.

Развитие современной биологии, внедрение в нее других естественнонаучных дисциплин, таких как физика, химия и математика, сделали возможным описание жизненных процессов на новом качественном уровне – на уровне клетки и молекулярных взаимодействий.

Именно существенные успехи в фундаментальных исследованиях в области биохимии, молекулярной генетики и молекулярной биологии, достигнутые во второй половине прошлого столетия, создали реальные предпосылки управления различными механизмами жизнедеятельности клетки. Сложившаяся благоприятная ситуация в биологии явилась мощным толчком в формировании современной промышленной микробиологии и биотехнологии, весьма важных областей практического приложения результатов фундаментальных наук.

Бурное развитие технологий практического применения свойств микроорганизмов связано, прежде всего, с эрой антибиотиков, которая наступила в 40-50-е годы прошлого столетия. Производство антибиотиков оказалось чрезвычайно наукоемкой отраслью, которая потребовала интеграции усилий микробиологов, биохимиков, генетиков, а также привлечения всех передовых достижений соответствующих отраслей науки. В тот период были созданы микробиологические производства, оснащенные современным оборудованием, разработаны прогрессивные биотехнологии, проведена широкая селекция микроорганизмов – продуцентов антибиотиков и получены мутантные штаммы с гиперпродукцией этих веществ. Расширение знаний об антибиотиках, равно как и развитие антибиотической промышленности, стало отличной школой биотехнологии и привело к существенному повышению культуры микробиологических производств.

1.Клеточная стенка бактерий, ее функции. Особенности строения клеточной стенки грамположительных и грамотрицательных бактерий. Техника окраски по методу Грама. Сущность окраски мазка по Граму и его значение в систематике бактерий

Клеточная стенка - присуща большинству бактерий (кроме микоплазм, ахолеплазм и некоторых других не имеющих истинной клеточной стенки микроорганизмов). Она обладает рядом функций, прежде всего обеспечивает механическую защиту и постоянную форму клеток, с ее наличием в значительной степени связаны антигенные свойства бактерий. В составе - два основных слоя, из которых наружный- более пластичный, внутренний- ригидный.

Основное химическое соединение клеточной стенки, которое специфично только для бактерий- пептидогликан (муреиновые кислоты). От структуры и химического состава клеточной стенки бактерий зависит важный для систематики признак бактерий- отношение к окраске по Граму. В соответствии с ним выделяют две большие группы- грамположительные (“грам+”) и грамотрицательные (“грам - “) бактерии. Стенка грамположительных бактерий после окраски по Граму сохраняет комплекс йода с генциановым фиолетовым (окрашены в сине- фиолетовый цвет), грамотрицательные бактерии теряют этот комплекс и соответствующий цвет после обработки и окрашены в розовый цвет за счет докрашивания фуксином.

Мощная, толстая, несложно организованная клеточная стенка, в составе которой преобладают пептидогликан и тейхоевые кислоты, нет липополисахаридов (ЛПС), часто нет диаминопимелиновой кислоты.

Клеточная стенка бактерий выполняет следующие функции:
• механическую защиту клетки от воздействий факторов окружающей среды;
• обеспечивает поддержание формы бактериальной клетки;
• дает возможность клетке существовать в гипотонических растворах;
• осуществляет транспорт веществ и ионов (характерно для грамотрицательных бактерий, имеющих наружную мембрану, которая является дополнительным барьером для их поступления; основным барьером служит цитоплазматическая мембрана);

• препятствует проникновению в клетку токсических веществ (также более характерно для грамотрицательных бактерий, имеющих наружную мембрану);

1. Экологическая биотехнология: Пер. с англ./Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. - Л.: Химия, 1990. - Пер. изд.: Великобритания, 2018. - 384 с.: ил. ISBN 5 - 7245 - 0418 - 9

2. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. - М.: КолосС, 2021. - 296 с.: ил. - (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).

3. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издательский центр «Академия», 2022. - 272 с.

4. Биотехнология / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 2021. - 252 с.

5. Свергузова С.В., Тарасова Г.И. Основы микробиологии и биотехнологии: Учебное пособие. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2019. - Ч.2. - 96с.

6. Основы микробиологии и биотехнологии: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 280201 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / сост. Е. Н. Гончарова. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2019. - 28 с.