Использование энергии микроорганизмами

Свободная энергия, освобождаемая при дыхании, не может использоваться непосредственно клеткой. Она преобразуется в биологически доступную форму – в химическую энергию фосфатидных связей АТФ. АТФ – универсальный переносчик химической энергии между реакциями («энергетическая валюта»). АТФ локализована в мезосомах и митохондриях.

В энергетическом отношении дыхание – более выгодный процесс, чем брожение. При дыхании синтезируется 38 молей АТФ, т.е. резервируется ок. 1,6∙10⁶ Дж.

Макроэргическая фосфатная связь содержит ок. 42 кДж энергии. При использовании 1 моль глюкозы (потенциальный запас энергии 2870 кДж) у анаэробов запасается 90 кДж. Большая часть энергии остаётся в выделяемых в среду органических веществах – конечных продуктах брожения, часть теряется в форме тепловой энергии.

Аэробы используют ок. 50% энергии заключённой в 1 моль Гл, ок. 50% теряется в виде тепла.

Влияние факторов среды на микроорганизмы

2.1 Физические факторы: влажность среды, концентрация растворённых веществ, температура, излучение

2.2 Химические факторы: химический состав питательной среды, pH питательной среды, оскислительно-восстановительный потенциал

Биологические факторы

Жизнедеятельность микроорганизмов тесно связана со средой обитания. Многочисленные факторы внешней среды могут либо способствовать развитию клетки или угнетать жизнедеятельность, либо изменять свойства клетки и направление биохимических реакций или вызывать её гибель. В свою очередь клетка тоже изменяет внешнюю среду, выделяя продукты жизнедеятельности.

М/о в процессе онтогенеза выделяют в окружающую среду продукты жизнедеятельности, в свою очередь, изменяя её свойства.

Факторы, влияющие на жизнедеятельность клетки, делят на 3 группы:

- физические (влажность, температура, давление, излучение, концентрация растворённых веществ);

- химические (pH среды, окислительно-восстановительный потенциал, химические вещества);

- биологические.

Физические факторы

Влажность среды

В клетках большинства м/о содержится до 75-85% воды. С водой в клетку поступают питательные вещества и удаляются продукты жизнедеятельности. Поэтому м/о могут развиваться только в субстратах, имеющих свободную воду в количествах не менее определённого уровня.

Вода выполняет следующие функции:

- перенос питательных веществ в клетку, перенос продуктов метаболизма из клетки,

- растворитель веществ,

- реакционная среда биохимических процессов,

- терморегулирование.

Влажность среды активно влияет на протекание её жизненно важных процессов. По величине минимальной потребности во влаге для роста различают:

Гидрофиты – влаголюбивые (большинство бактерий, некот. грибы);

Мезофиты – средневлаголюбивые (многие мицелиальные грибы);

Ксерофиты – сухолюбивые (некоторые мицелиальные грибы, актиномицеты и др.)

Доступность воды в субстрате количественно оценивается величиной водной активности, , характеризующей относительную влажность субстрата.

0< <1

=0 – абсолютно обезвоженная среда,

=1 – дистиллированная вода.

Рост наблюдается при значениях 0,998 до 0,65-0,61; оптимальное значение для многих м/о – 0,99-0,98, что характерно для скоропортящихся пищевых продуктов.

Предельная величина водной активности:

Для гидрофитов = , для мезофитов = , для ксерофитов = . Есть отдельные виды дрожжей и грибов, которые проявляют жизненную активность при значении водной активности =0,7-0,62.

Водная активность пищевых продуктов существенно влияет на их устойчивость при хранении. Продукты с величиной водной активности <0.7 могут долго сохраняться без порчи. Для сохранения пищевых продуктов большое значение имеет влажность и температура в складских помещениях. Для характеристики условий хранения используют такой показатель как нижний критический предел влагосодержания - относительной влажности воздуха и соответствующее содержание влаги в продукте. Это та величина, при которой ещё может наблюдаться рост микроорганизмов в пищевых продуктах: лук-21%, морковь-26%, картофель-14%.

Температура

Один из самых важных факторов, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Микроорганизмы не могут самостоятельно регулировать свою температуру и поэтому они имеют температуру окружающей среды, и следовательно будут проявлять жизненную активность при оптимальной температуре. Это выражается в высокой скорости размножения и высокой продуктивности целевых продуктов.

В зависимости от оптимума развития микроорганизмы делят на группы:

- психрофилы оптимум - 10-15 ;

- мезофилы оптимум - 30-35 ;

- термофилы оптимум – 50-55 ;

Большинство микроорганизмов используют в пищевой биотехнологии - это мезофилы. Но пристальный интерес ученых направлен на термофилов.

Большинство микроорганизмов хорошо переносят пониженные температуры, сохраняя свою жизнеспособность. Есть бактерии, живущие при температуре t=-252 . Это используется в пищевой и медицинской промышленности для хранения биопрепаратов.

Отрицательное воздействие на клетки оказывают повышенные температуры. Они вызывают коагуляцию цитоплазмы, денатурацию белков или инактивацию ферментов, что приводит к гибели клеток.

Губительное действие высоких температур при стерилизации питательных сред, оборудования, коммуникаций, лабораторной посуды, инструментов во влажной среде наступает вследствие денатурации белков, освобождения НК из клетки, инактивации ферментов, повреждения ЦПМ.

При воздействии на клетку сухого жара гибель происходит в результате активных окислительных процессов и нарушения клеточных структур.

На губительном воздействии высоких температур основаны многие приёмы уничтожения микробов в пищевых продуктах и в различных объектах.

При температуре, ниже оптимальной снижается скорость размножения м/о и интенсивность их жизненных процессов. Низкие температуры широко применяются для сохранения разнообразных продуктов. Применяют 2 способа: охлаждение (10 до -2ºС) и замораживание (-12 до -20ºС).

Излучение

Биологическое действие лучистой энергии зависит от длины волны. Воздействие излучения обусловлено только поглощёнными лучами, т.е. зависит только от длины волны и проникающей способности.

Видимый свет необходим для жизнедеятельности фотосинтезирующих микроорганизмов. Зависимость активности и скорости роста от света аналогична зависимости от температуры. Отсутствие освещенности приводит к их гибели.

Прямые солнечные лучи губительны для м/о. Без света у мицелиальных грибов хорошо развивается мицелий, но тормозится образование спор. Патогенные бактерии менее устойчивы к свету, чем сапрофитные.

Инфракрасные лучи имеют большую длину волны. Энергии их недостаточно для фотохимических превращений, она превращается в тепло. Используются при термической обработке продуктов.

УФ-лучи характеризуются высокой энергией (250-260 нм). Губительно действуют на клетки, вызывая нарушения в структуре ДНК и белков, как следствие изменяется характер обменных процессов или они прекращаются из-за недостатка информации от ДНК, инактивируют ферменты. Кроме того, изменяются вещества облучаемой среды, образуются H₂O₂, O₃ и др., губительные для м/о.

Эффективность воздействия УФ-лучей зависит от дозы облучения, т.е. количества поглощенной энергии, pH среды, чувствительности клеток к облучению, обсеменённости и температуры среды.

Малые дозы стимулируют отдельные функции, средние – вызывают торможение обменных процессов, изменение наследственных свойств, высокие – вызывают гибель.

Чувствительны к ультрафиолету бесспоровые бактерии, вегетативный мицелий, дрожжи; стойкие – каротинсодержащие бактерии (каротин обладает защитными свойствами).

УФ излучение используется для дезинфекции воздуха и холодильных камер, обеззаражтвания тары и упаковки, стерилизации соков, вин, охлаждённого мяса и мясопродуктов. Стерилизация пищевых продуктов затрудняется из-за низкой проникающей способности.

Микроорганизмы также чувствительны к лазерному и радиоактивному излучению. Они обладают большой энергией и вызывают сильное биологическое действие. Лазерное излучение повышает температуру тканей и приводит к коагуляции белков и разрушение клеток. Влияние этого вида излучения мало изучено. Воздействие зависит от дозы и времени воздействия.

-лучи радиоактивного излучения. Вызывают ионизацию атомов и молекул, и как следствие разрушают молекулярные структуры. Но микроорганизмы более радиоустойчивы, чем высшие организмы. Наиболее радиоустойчивы м/о с повышенной карбогидразной и протеолитической активностью, большим количеством Ca, Mg, микрококки, споры, водоросли; чувствительны – возбудители порчи мяса и рыбы, E. Coli, Pseudomonas.

Малые дозы лучей активируют жизненные процессы м/о, воздействуя на ферменты. Повышенные дозы нарушают обмен веществ, вызывают паталогические изменения.

Установлено, что м/о способны восстанавливать лучевые поражения, темп и характер репарации

Для обработки пищевых продуктов наиболее применимы -лучи, обладающие высокой проницающей способностью. для выбора режима обработки учитывают состав и численность микрофлоры, химический состав и агрегатное состояние продуктов, дозу и мощность излучения.

Давление. По отношению к гидростатическому давлению микроорганизмы обладают высокой устойчивостью, они сохраняют свою активность до 10-80МПа. В биореакторах, которые используют в пищевой биотехнологии, микроорганизмы находятся при давлении Р = 0,15-1,5 МПа и при этом выполняют свои жизненные функции.