Фиксация молекулярного азота

Запасы молекулярного азота в атмосфере огромны, но им не могут воспользоваться ни растения, ни животные.

Однако существуют микроорганизмы (некоторые бак­терии, актиномицеты, цианобактерии), способные фикси­ровать свободный атмосферный азот, т. е. переводить его в связанное состояние. Они восстанавливают азот до аммиа­ка; часть его используют для синтеза веществ клетки, часть

выделяют в окружающую среду.

В качестве источника азота азотфиксирующие микро­организмы могут использовать также соли аммония, нитриты, нитраты, аминокислоты.

Одни азотфиксирующие бактерии живут свободно в почве и в воде, другие в симбиозе с высшими растениями, в частности с бобовыми, поселяясь в бородавчатых вздутиях (клубеньках) корней этих растений. Отсюда произошло и название этих бактерий — клубеньковые. Величина и форма клубеньковых бактерий подвержены значительным измене­ниям в зависимости от их возраста и условий жизни.

Среди свободно живущих азотфикснрующнх бактерий наибольшее значение имеют:

Аэробные бактерии рода азотобактер (Аzotobacter), открытые М. Бейеринком.

Анаэробные бактерии Clostridium putrificum, открытые С. Н. Виноградским, — подвижные спорообразующне палочки, способные сбраживать углеводы по типу масляно-кислого брожения.

Азотфиксирующие бактерии имеют большое значение. В результате их деятельности почва обогащается доступной для растений формой азотистого питания.

В практике сельского хозяйства для повышения урожайности растений используют препарат нитрагин (из куль­тур клубеньковых бактерий) и землеудобрительный препарат азотобактерин (из культур азотобактера).

Патенты. В последние годы в различных странах мира осуществляется патентование микроорганизмов и различных объектов и процессов, с ними связанных. Объектами авторс­кого права являются: новые виды бактерий, дрожжей и мицелиальных грибов, их композиции, эффективные для практических целей; продукты жизнедеятельности отдельных и нескольких видов микроорганизмов; технология выращивания микроорганизмов и получения биопродукции;

новые питательные среды и ряд других процессов и объектов.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА МИКРООРГАНИЗМЫ

Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов, как и других живых существ, тесно взаимосвязана со средой их обитания.

Происходящие в окружающей среде изменения так или иначе отражаются на микроорганизмах. Они могут способ­ствовать развитию микробов, подавлять их жизнедеятель­ность и даже вызывать гибель. Может произойти изменение свойств микроорганизмов и направленности вызываемых ими биохимических процессов. Микроорганизмы, развиваясь, в свою очередь изменяют среду: в нее выделяются продукты их жизнедеятельности, из нее микроорганизмы берут необходимые для жизни вещества.

Если не добавлять питательные вещества и не удалять конечные продукты обмена, то при попадании (или посеве) микроорганизмов на питательный субстрат развитие их во времени подчиняется определенной закономерности. Отме­чается несколько сменяющих друг друга в определенной последовательности стадий (фаз) развития, в течение ко­торых изменяются скорость размножения, морфологические, физиологические и биохимические свойства микроорганиз­мов.

В начальной стадии (рис. 28, участок кривой а) — фазе задержки роста (лаг-фаза[8]) — бактерии, попав в новую сре­ду, некоторое время не размножаются, как бы приспосаб­ливаясь к ней. Клетки увеличиваются в размере, возрастает содержание в них белка и РНК.

время

Рис. 28. Кривая роста бактерий в периодической культуре:

а — лаг-фаза; б — логарифмическая фаза; в — стационарная фаза; г — фаза отмирания

По мере приспособления бактерии начинают размно­жаться со всевозрастающей скоростью. Затем в течение оп­ределенного периода деление клеток идет с максимальной и характерной для каждого вида и данной среды постоянной скоростью. Этот период (рис. 28, участок кривой б) называется логарифмической или экспоненциальной фазой роста. Большинство клеток молодые, активные; в среде накапливается большое количество Продуктов их жизнедеятельнос­ти. Показателем скорости размножения бактерий в этой ста­дии развития принята продолжительность генерации (§), т. е. время, за которое число клеток удваивается. Время ге­нерации является величиной, характерной для данного вида и конкретных условий: оно может быть выражено уравне­нием

где В — начальное количество бактерий в единице объема (массы) субстрата; b — число бактерий чере.ч нрс-мя (.

К концу логарифмической фазы число клеток достигает максимума и наступает максимальная стационарная фаза развития (рис. 28, участок гривой в), когда в течение некоторого времени число живых клеток остается более или менее постоянным. Количество образующихся клеток соответствует примерно количеству отмерших.

Наконец, наступает фаза отмирания (рис. 28, участок кривой г), когда все большее число клеток теряет жизнеспособность и погибает. Это происходит вследствие истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий.

Длительность отдельных фаз развития может значительно колебаться у разных бактерий и у бактерий одного и того же вида в зависимости от условий роста.

Изучение влияния условий среды на микроорганизмы позволяет выявить условия, ограничивающие или исклю­чающие рост возбудителей порчи и отравлений на продуктах питания.

Регулируя условия существования, Можно управлять развитием, подавлять или, наоборот, интенсифицировать биохимическую деятельность микроорганизмов.

При воздействии любого фактора различают три кардинальные точки: минимум — наименьшее значение факто­ра, ниже которого не происходит роста; максимум— наиболее высокое значение фактора, выше которого рост не происходит; оптимум — наиболее благоприятные условия для развития микроорганизма.

Абиотические факторы Влажность среды

Влажность среды оказывает большое влияние на раз­витие микроорганизмов. В клетках большинства микроорганизмов содержится воды до 75-85%; с водой в клетку по­ступают питательные вещества и удаляются из нее продукты жизнедеятельности. Микроорганизмы могут развиваться только в субстратах, имеющих свободную воду, и в количестве не менее определенного уровня. С понижением влаж­ности субстрата (в пределах, допускающих развитие мик-

робов) интенсивность размножения микробов замедляется, а при удалении из субстрата влаги ниже необходимого уровня полностью прекращается (табл. 2), при этом микроорганиз­мы переходят в анабиотическое состояние, а некоторые и погибают.

Таблица 2

Потребность во влаге у различных микроорганизмов колеблется в широких пределах. По величине минимальной потребности во влаге для роста различают следующие груп­пы: гидрофиты — влаголюбивые, мезофиты — средневла-голюбивые и ксерофиты — сухолюбивые. Преобладающее большинство бактерий — гидрофиты. Многие мицелиаль-ные грибы и дрожжи — мезофиты, но имеются гидрофиты и ксерофиты.

Однако для развития микроорганизмов имеет значение не абсолютная величина, а доступность содержащейся в субстрате воды, которую в настоящее время принято обо­значать термином "водная активность", или а_u.

Водная активность показывает отношение давления во­дяных паров раствора (субстрата) Р и чистого растворителя (воды) Р_ при одной и той же температуре:

А = Р/Р„-

Водная активность выражается величинами от 0 до 1' и характеризует относительную влажность субстрата.

Рост микроорганизме» наблюдается при значениях а^, от 0,998 до 0,65-0,61. Оптимальное значение для многих 0,99-0,98; примерно в этих пределах находится а скоропортя­щихся пищевых продуктов (мяса, рыбы, плодов, овощей).

Большинство бактерий не развивается при а субстра­та ниже 0,94-0,90. Для дрожжей предельная величина а, составляет 0,88—0,85, а для мицелиальных грибов — 0,8. Однако некоторые дрожжи и мицелиальные грибы, а также галофильные виды бактерий растут, хотя и медленно, при а, субстрата 0,75-062.

Таким образом, водная активность пищевых продуктов существенно влияет на их устойчивость в хранении. Про­дукты, у которых с, менее 0,7, могут длительно сохранять­ся без микробной порчи. Перспективно с точки зрения уве­личения срока хранения скоропортящихся продуктов искус­ственное снижение в них активности воды, т. е. создание продуктов с "промежуточной влажностью". Снижение а, может быть достигнуто добавлением в продукт способных связывать воду веществ, которые в малых количествах не оказывают побочного влияния на качество продукта.

Издавна применяется хранение различных пищевых продуктов в сухом виде. Однако сухие продукты всегда со­держат значительное количество жизнеспособных микроорганизмов, среди которых могут быть и патогенные формы.

В высушенном состоянии многие микроорганизмы сохраняют жизнеспособность в течение длительного времени. Например, брюшно-тифозные бактерии, многие стафилококки и микрококки, молочно-кислые бактерии могут со­храняться в сухом виде неделями и месяцами, а уксуснокислые бактерии отмирают быстро. Устойчивы к высушива­нию многие дрожжи, и особенно споры бактерий и мицелиальных грибов; в высушенном состоянии споры сохраняют способность к прорастанию в течение десятков лет.

Для сохранения сухих продуктов без порчи большое значение имеют относительная влажность и температура • воздуха в складских помещениях.

Продукты, обладая гигроскопичностью, могут отдавать влагу или поглощать ее. Между влажностью воздуха и влаж­ностью продукта устанавливается определенное подвижное равновесие. При одной и той же относительной влажности воздуха различные продукты могут иметь разную равновес­ную влажность. Так, сушеные овощи, которые хранились при относительной влажности воздуха 75% и на которых при этом наблюдалось развитие мицелиальных грибов (по данным С. А. Колесник), имели влажность (в%): картофель — 10, свекла — 14, лук — 21, морковь — 26.

Влагосодержание в продуктах, равновесное 70-65%-ной относительной влажности воздуха, является нижним кри­тическим пределом, до которого возможен рост микроорга­низмов.

Большинство бактерий способно развиваться в субстратах лишь при равновесной относительной влажности возду­ха в пределах не ниже 95-90%. Для дрожжей минимум влаги в субстрате соответствует 90—85% относительной влажнос­ти воздуха, для большинства мицелиальных грибов — 80%, а для некоторых ксерофитных видов пределом является от­носительная влажность воздуха 75-65%.

Таким образом, возможность развития микроорганиз­мов в продуктах в связи с их влажностью можно учитывать как по величине водной активности (а) продукта, так и по относительной влажности воздуха. Значение а ,, умножен­ное на 100, соответствует относительной влажности возду­ха, выраженной в процентах, когда система продукт — воз­дух находится в равновесии.

Относительная влажность воздуха изменяется в зависимости от температуры: с понижением температуры воздуха уменьшается его влагоудерживающая способность, и наоборот. Поэтому при снижении температуры в процессе хранения продуктов имеющееся количество водяных паров в воздухе может оказаться выше предела его насыщения, это приводит к увлажнению поверхности продукта, что способствует развитию находящихся на нем микроорганизмов.

При хранении и перевозке высушенных продуктов необходимо принимать меры для предупреждения изменения их влажности: соблюдать установленные режимы хранения, а также упаковывать продукты в специальную тару, что предохраняет их, кроме того, от инфицирования микробами извне.

При сублимационной сушке (высушивание под высоким вакуумом в замороженном состоянии) качество и пищевая ценность продуктов (витамины, вкусовые и биологические достоинства) сохраняются значительно лучше. Однако микроорганизмы хорошо переносят такое высушивание и даже после многолетнего пребывания в этом состоянии сохраняют жизнеспособность. Поэтому к продуктам, подвергающимся такой обработке, следует предъявлять строгие санитарно-гигиенические требования.

Химический состав среды (субстрата)

Химический состав среды является одним из главных факторов развития микроорганизмов, так как должен удов­летворять потребность их в питательных и энергетических веществах. Кроме того, он определяет реакцию среды (рН) и ее окислительно-восстановительные условия.