Термофильные микроорганизмы

Большинство термофильных организмов приобретали термоустойчивость, развиваясь от близких к ним мезофильных видов. Соответственно термоадаптировались ферменты гликолитического пути ЦТК и другие ферменты.

В живой клетке температура определяет не только скорость ферментативных реакций, но также и состояние активных структур важнейших биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, липидных мембран) и воды. Большинство организмов приспособлены к средней температуре окружающей их среды - около 12°С.

Однако есть большая группа организмов, приспособленных к обитанию в местах с повышенной температурой среды (табл. 25). Это так называемые термофильные микроорганизмы, довольно широко распространенные в горячих источниках, водоемах, биологических са- моразогревающихся системах (компосты, навоз и др.).

Установлено, что в условиях повышенной температуры обитания могут существовать лишь некоторые типы организмов, причем при температурах выше 60-70°С находятся только прокариотические формы, оптимально адаптированные к экстремальным условиям. Пропорционально повышению температуры окружающей среды уменьшается число видов, способных жить в этих условиях. В почве - это спорообразующие аэробные и микроаэрофилы рода Bacillus stearotermophilus (50-80°С, хемогетеротроф), анаэробные формы рода Clostridium thermocellum (60-70°С, хемогетеротроф); в навозе - аэробные микроаэрофилы рода Lactobacillus thennophilus (50-65°С), Streptococcus thermophilus (40-50°С), хемогетеротрофы.

Таблица 25

Предельно высокие температуры, лимитирующие рост различных организмов

Организмы

Температура, °С

Рыбы

35-40

Насекомые

45-50

Растения

45

Мхи

50

Микроорганизмы (эукариоты): простейшие

50-55

водоросли

55-60

грибы

55-60

Микроорганизмы (прокариоты): цианобактерии

70-75

фотосинтезирующие бактерии

70-75

хемолитотрофные бактерии

80

гетеротрофные бактерии

90

Среди умеренно термофильных форм основное место занимают бактерии рода Bacillus. Эта группа включает также клостридии, молочнокислые бактерии, метанобразующие и фототрофные бактерии. Сюда же можно отнести хемолитотрофные термофилы родов Thiobacillus thiooxydans, Sulfolobus acidocaldorius.

В сообществах, обитающих в горячих почвах и саморазогреваю- щихся биологических системах (сено, навоз, опавшая листва, растительные остатки и др.), наблюдается особо большое разнообразие форм. Среди облигатно-термофильных форм в этом случае чаще всего обнаруживаются палочкообразные спорообразующие роды Bacillus, Clostridium, Thermoactiomyces. Термогенез характеризуется короткими пищевыми цепями и ограниченным числом участвующих в них видов. Это неоднократно проявлялось при микробиологическом анализе термоферментируемых отходов животноводства (Сидоренко, 2001). Кроме высокой температуры (65-75°С), на видовое разнообразие оказывают влияние следующие факторы: pH, ОВП, доступность источников энергии, концентрация агрессивных газов СН4, H,S и др.

При повышении температуры уменьшается растворимость кислорода в среде, увеличивается содержание жирных кислот с разветвленной цепью углеродных атомов. С изменением температуры на клетку микроорганизма действует целый комплекс новых условий в среде, меняется состав и структура компонентов клетки. Соответственно могут изменяться и свойства термофильных микроорганизмов.

Не следует думать, что вышеописанными микроорганизмами ограничивается микробное сообщество биоконверсионного сырья. Присутствуют также грамположительные, грамотрицательные, споровые и неспоровые, аэробные и анаэробные, сульфатредуцирующие и нитратредуцирующие, а также бактерии разнообразных форм: спиралевидные, цилиндрические или палочковидные, сферические или кокковидные. Однако при температуре выше 70-75°С не найдено фо- тотрофных и метанобразующих бактерий. По-видимому, эти группы требуют высокой организации мембран клетки, что связано с особенностями их энергетического метаболизма и, соответственно, с физиологическим ограничением (Leikus, 1979).

Специфическая скорость роста термофильных бактерий сильно варьирует в зависимости от субстрата. В условиях лимитирования роста субстратом скорость бактериального роста является функцией скорости поглощения субстрата и эффективности его использования. Термодинамическая эффективность использования энергии термофилами составляет обычно 50%. То есть в процессе катаболизма образуется значительное количество тепла. Таким образом, основываясь на общих закономерностях роста микроорганизмов, можно ожидать от термофилов высоких скоростей метаболизма в процессе ферментации в сочетании с низкими затратами на нагревание, что и наблюдается при переработке углеродсодержащих отходов микробиологическими технологиями.

Важную роль в определении реакционной способности, безусловно, играет наличие нецеллюлозных примесей (главным образом лигнина и гемицеллюлозы). Так, необработанная рисовая солома, имеющая наименьшую кристалличность (40%), проявляет меньшую реакционную способность по сравнению с бумагой, картоном и др. Размер частиц субстрата также влияет на эффективность ферментного гидролиза клетчатки. Естественно, более мелкие частицы были бы предпочтительны для гидролиза, поскольку они характеризуются большей удельной поверхностью.

В настоящее время ставится задача не только научиться ферментировать биомассы и вторичные продукты до желаемых конечных продуктов, но и делать это с применением лучших микроорганизмов в оптимальных условиях, экологично и экономично. Термоферментация сильно влияет на субстраты, конечные продукты минерализации, их физические и химические свойства.

Вторичные продукты, содержащие в большом количестве углеводные компоненты, могут быть использованы в качестве сырья для производства этанола и органических кислот. Для производства этанола методом анаэробной ферментации можно использовать любую сельскохозяйственную культуру с высоким содержанием крахмала или сахаров, целлюлозные материалы (древесину, солому, бумагу), навоз, помет и др.

Для уменьшения времени осахаривания ферментами лигноцел- люлозное сырье, как уже отмечалось, зачастую предварительно подвергают кислотному предгидролизу или паровому взрыву с целью его делигнификации и разрыхления.

Предобработка крахмалсодержащих и целлюлозных материалов амило- и целлюлозолитическими микроорганизмами или выделенными из них ферментами с последующим сбраживанием глюкозных единиц дрожжами также служит экономичным способом получения этанола. На сегодняшний день с помощью различных модификаций данного метода достигают 50%-го превращения сырья в низкомолекулярные сахара, особенно в глюкозу.

Главными преимуществами ферментативного гидролиза перед кислотным являются отсутствие побочных реакций и возможность проведения процесса в более мягких диапазонах температур и pH. Хорошим источником ферментирующихся сахаров для производства этанола могут быть шелуха риса, обрезки деревьев, бумага, вторичные продукты пищевой и перерабатывающей промышленности, а также бытовой мусор.

Заключая рассмотрение основных процессов и агентов микробиологической трансформации целлюлозосодержащих вторичных продуктов растениеводства, предлагаем вниманию читателя общую схему биоконверсии растительного сырья (рис. 35).

При минерализации нерастворимых органических веществ важное значение имеет физический контакт с ними организмов-деструкторов, представленных слизистыми формами бактерий, мицелиальных микроорганизмов. Здесь может иметь место взаимодействие поверхностных структур бактерий с окисляемым субстратом (сорбция, адгезия).

Опосредованную роль играют зоотрофные организмы, способные захватывать и измельчать твердые частицы и осуществлять биотурбацию.

Схема биоконверсим растительного сырья

Рис. 35. Схема биоконверсим растительного сырья

Микроорганизмы относятся к той категории «частиц» (1-10 мкм), которые могут быть подвержены наиболее сильной адгезии. При этом действует сложный комплекс сил: химические связи между взаимодействующими поверхностями, образование ионных пар и ионных триплетов (NHr..,- ООС и - СОО - Са... - ООС - ...); силы,

вызванные флуктуацией зарядов взаимодействующих тел, электростатическое притяжение, силы Ван-дер-Ваальса и т.д. В целом вопрос об адгезии сводится к проблеме взаимодействия макромолекул, которое весьма разнообразно, а комбинация сил, действующих при адгезии, представляется довольно сложной.

Способность сцепления между приведенными в контакт поверхностями двух разнородных тел возникает как результат действия межмолекулярных сил или сил химического взаимодействия. Процесс прикрепления бактериальных клеток к поверхности связан также с биологической активностью.

Выделяют две группы механизмов адгезии: неспецифическис и специфические. Неспецифическая адгезия, как правило, обратима. Для этого типа иногда используется термин «docking» (постановка в док). Для описания специфической адгезии, которую считают необратимой, используют термин «anchoring» - заякоривание. Для установления адгезивного контакта бактериальные клетки должны преодолеть электростатическое отталкивание, так как их поверхностные молекулы в норме несут отрицательный заряд. Сахаролитические бактерии, например, обладают необходимым ферментным аппаратом для отщепления отрицательно заряженных фрагментов.

Адгезия микроорганизмов может осуществляться и при помощи фимбрий, упорядоченно расположенных нитевидных выростов на поверхности бактериальных клеток. Молекулярный механизм бактериальной адгезии является универсальным для всех комменсалов (от лат. «сот» - с, вместе и «mensa» - стол, трапеза) и патогенов.

Прикрепление к субстрату, как правило, обеспечивает более выгодные условия доступа к питательным веществам. Прикрепленные бактерии гораздо легче образуют кооперативные структуры с другими видами, а также микроколонии и/или пленки, обеспечивая им более выгодные условия существования. В прикрепленных бактериальных сообществах больше возможностей для обмена генетическим материалом (плазмидами), путь, по которому распространяется в том числе информация о детерминантах резистентности. На прикрепленные бактерии в меньшей степени воздействуют токсические соединения, так как они диффундируют только с одной стороны и нейтрализуются всем микробным сообществом, а не одиночной клеткой. Для анаэробных форм выгодно расположение их в глубоких слоях колонизации. Поэтому для описания свойств организма недостаточна их физиология, необходима морфология, подвижность, способность к прикреплению, образованию гликокаликса, мицелиального роста. Ряд морфологических признаков определяет нахождение организма внутри сообщества с его определенной архитектоникой, как в биопленках.

Биоценоз ферментируемой массы - высокоспециализированное сообщество гетеротрофных организмов, обладающих устойчивыми и термостабильными целлюлазами. Особенно высоким уровнем ми- нерализационной активности обладают микроорганизмы во второй фазе - термофильной, хотя круг их значительно сужается.

По мере повышения температуры до 55-65°С начинают преобладать термофильные бактерии родов Thermoactinomyces, Thermomonospora, Bacillus и др. При более высокой температуре развиваются Bacillus subtilis, В. licheniformis, Clostridium thermocellum, представители рода Thermits. Высокая температура способствует гибели патогенных бактерий и грибов, простейших, паразитов, яиц гельминтов и семян сорняков. При снижении температуры наступает стадия, благоприятствующая активному росту и развитию мезофильных микроорганизмов. Таким образом, термоферментация вторичных продуктов гарантирует обеззараживание и обогащение микробной массой, т. е. белком.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >