Розкладання білкових речовин мікроорганізмами. Розкладання білкових речовин мо Процес розкладання білків

У процесі обміну речовин мікроорганізми як здійснюють синтез складних білкових речовин власної цитоплазми, а й виробляють глибоке руйнування білкових сполук субстрату. Процес мінералізації органічних білкових речовин мікроорганізмами, що протікає з виділенням аміаку або з утворенням амонійних солей, отримав у мікробіології назву гниття або амоніфікацію білків.

Таким чином, у строгому мікробіологічному сенсі гниття - це мінералізація органічного білка, хоча в повсякденному житті «гниттям» називають цілу низку різноманітних процесів, що мають суто випадкову подібність, поєднуючи в цьому понятті та псування харчових продуктів (м'яса, риби, яєць, плодів, овочів) ), і розкладання трупів тварин і рослин, і різноманітні процеси, що протікають у гною, рослинних покидьках, і т.д.

Амоніфікація білка – складний багатоступінчастий процес. Його внутрішня сутність полягає в енергетичних перетвореннях мікроорганізмами амінокислот з використанням їх вуглецевого скелета у синтезі цитоплазмових сполук. У природних умовах розкладання багатих білками речовин рослинного та тваринного походження, що збуджується різними бактеріями, пліснявами, актиноміцетами, протікає надзвичайно легко як при широкому доступі повітря, так і в умовах повного анаеробіозу. У зв'язку з цим хімізм розкладання білкових речовин і природа продуктів розпаду можуть сильно варіювати в залежності від виду мікроорганізму, хімічної природи білка, умов протікання процесу: аерації, вологості, температури.

При доступі повітря, наприклад, процес гниття протікає дуже інтенсивно, аж до повної мінералізації білкових речовин - утворюється аміак і навіть частково елементарний азот, утворюються метан, або вуглекислий газ, а також сірководень і солі фосфорної кислоти. У анаеробних умовах, зазвичай, повної мінералізації білка немає, і частина виникаючих (проміжних) продуктів гниття, мають зазвичай неприємний запах, зберігається у субстраті, надаючи йому нудотний запах гниття.

Запобігає амоніфікації білків низька температура. У вічномерзлих шарах землі Крайньої Півночі знаходили, наприклад, трупи мамонтів, що пролежали десятки тисячоліть, але не розклалися.

Залежно від індивідуальних властивостей мікроорганізмів - збудників гниття відбувається або неглибокий розпад білкової молекули, або глибоке її розщеплення (повна мінералізація). Але є й такі мікроорганізми, які беруть участь у гниття лише після того, як у субстраті внаслідок життєдіяльності інших мікробів з'являються продукти гідролізу білкових речовин. Власне "гнильними" називають тих мікробів, які збуджують глибокий розпад білкових речовин, обумовлюючи повну їхню мінералізацію.

Білкові речовини у процесі харчування не можуть бути безпосередньо засвоєні мікробною клітиною. Колоїдна структура білків перешкоджає їх надходженню у клітину через клітинну оболонку. Лише після гідролітичного розщеплення простіші продукти гідролізу білків проникають всередину мікробної клітини і використовуються нею в синтезі клітинної речовини. Таким чином, гідроліз білків протікає поза тілом мікроба. Мікроб для цього виділяє у субстрат протеолітичні екзоферменти (протеїнази). Такий спосіб харчування обумовлює в субстратах розкладання величезних мас білкових речовин, тоді як усередині мікробної клітини на білкову форму перетворюється лише порівняно невелика частина продуктів гідролізу білка. Процес розщеплення білкових речовин у цьому випадку великою мірою переважає процес їх синтезу. Через це загальнобіологічна роль гнильних бактерій як агентів розкладання білкових речовин велика.

Механізм мінералізації складної білкової молекули гнильними мікробами можна представити наступним ланцюгом хімічних перетворень:

I. Гідроліз великої білкової молекули до альбумозу, пептонів, поліпептидів, дипептидів.

ІІ. Триває більш глибокий гідроліз продуктів розщеплення білка до амінокислот.

ІІІ. Перетворення амінокислот під впливом мікробних ферментів. Різноманітність амінокислот і ферментів, що є в ферментативному комплексі різних мікробів, ті чи інші умови перебігу процесу обумовлюють і надзвичайну хімічну різноманітність продуктів перетворення амінокислот.

Так, амінокислоти можуть піддаватися декарбоксилювання, дезамінування як окисного, так і відновного та гідролітичного. Енергійна карбоксилаза викликає декарбоксилювання амінокислот з утворенням летких амінів або діамінів, що мають нудотний запах. З амінокислоти лізину при цьому утворюється кадаверин, з амінокислоти орнітину - путресцин:

Кадаверин і путресцин отримали назву «трупових отрут» або птомаїнів (від грецького ptoma – труп, падаль). Раніше вважалося, що птомаїни, що виникають при розпаді білків, викликають харчові отруєння. Проте нині з'ясовано, що отруйними є самі птомаїни, а супутні їм їх похідні - нейрин, мускарин, і навіть деякі речовини невідомої хімічної природи.

При дезамінуванні від амінокислот відщеплюється аміногрупа (NH2), з якої утворюється аміак. Реакція субстрату стає лужною. При окисному дезамінуванні, крім аміаку, утворюються ще й кетонокислоти:

При відновлювальному дезамінуванні виникають граничні жирні кислоти:

Гідролітичне дезамінування та декарбоксилювання призводять до виникнення спиртів:

Крім того, можуть утворитися при цьому і вуглеводні (наприклад, метан), ненасичені жирні кислоти, водень.

З ароматичних амінокислот в анаеробних умовах виникають погані продукти гниття: фенол, індол, скатол. Індол і скатол утворюються зазвичай із триптофану. З амінокислот, що містять сірку, в аеробних умовах гниття виникають сірководень або меркаптани, що також мають неприємний запах тухлих яєць. Складні білки – нуклеопротеїди – розпадаються на нуклеїнові кислоти та білок, які у свою чергу розщеплюються. Нуклеїнові кислоти при розпаді дають фосфорну кислоту, рибозу, дезоксирибозу та азотисті органічні основи. У кожному конкретному випадку можливе протікання лише частини зазначених хімічних перетворень, а чи не повністю циклу.

Поява в харчових продуктах, багатих на білок (таких, як м'ясо або риба), запаху аміаку, амінів та інших продуктів розпаду амінокислот є показником їх мікробного псування.

Мікроорганізми, що збуджують амоніфікацію білкових речовин, дуже поширені у природі. Вони зустрічаються повсюдно: у ґрунті, у воді, у повітрі – і представлені надзвичайно різноманітними формами – аеробними та анаеробними, факультативно-анаеробними, спороутворюючими та безспорозними.

Аеробні гнильні мікроорганізми

Сінна паличка (Bacillus subtilis) (рис. 35) - широко поширена в природі аеробна бацила, що зазвичай виділяється з сіна, дуже рухлива паличка (3-5 х 0,6 мкм) з перитрихіальним джгутуванням. Якщо вирощування проводити на рідких середовищах (наприклад, на сінному відварі), то клітини бацили виходять дещо більшими і з'єднуються в довгі ланцюжки, утворюючи на поверхні рідини зморшкувату і суху сріблясто-білу плівку. При розвитку на твердих середовищах, що містять вуглеводи, утворюється дрібноморщиниста суха або зерниста колонія, що зростається з субстратом. На скибочках картоплі колонії сінної палички завжди виходять злегка зморшкуватими, безбарвними або злегка рожевими, що нагадують бархатистий наліт.

Розвивається сінна паличка у дуже широкому діапазоні температур, будучи практично космополітом. Але взагалі вважається, що найкращою температурою її розвитку є 37-50 °С. Суперечки у сінної палички овальні, розташовуються ексцентрально, без суворої локалізації (але у багатьох випадках ближче до центру клітини). Проростання спор екваторіальне. Грампозитивна, вуглеводи розкладає з утворенням ацетону та оцтового альдегіду, має дуже високу протеолітичну здатність. Суперечки сінної палички дуже термостійкі - часто зберігаються в консервах, стерилізованих при 120°С.

Картопляна паличка (Bac. mesentericus) (рис. 36) - поширена у природі щонайменше широко, ніж сінна. Зазвичай картопляна паличка зустрічається на картоплі, потрапляючи сюди із ґрунту.

Морфологічно картопляна паличка дуже подібна до сінної: її клітини (3-10 х 0,5-0,6 мкм) мають перитрихіальне джгутування; зустрічаються як одиночні, і з'єднані в ланцюжок. Спори картопляної палички, як і сінної, овальні, іноді зустрічаються довгасті, великі; розташовуються вони у будь-якій частині клітини (але частіше центрально). При формуванні спор клітина не роздмухується, суперечки проростають екваторіально.

При вирощуванні на скибочках картоплі картопляна паличка утворює багатий жовтувато-бурий складчастий волого блискучий наліт, що нагадує брижу, завдяки чому мікроб і отримав свою назву. На агарових білкових середовищах утворює тонкі, сухі та зморшкуваті колонії, що не зростаються із субстратом.

За Грамом картопляна паличка забарвлюється позитивно. Оптимальна температура розвитку, як і у сінної палички, 35-45 °С. При розкладанні білків утворює багато сірководню. Спори картопляної палички дуже термостійкі і подібно до суперечок сінної палички витримують тривале кип'ятіння, часто зберігаючись у консервованих продуктах.

Bac. сеreus. Це – палички (3-5 х 1-1,5 мкм) з прямими кінцями, одиночні або з'єднані в заплутані ланцюжки. Трапляються варіанти і з більш короткими клітинами. Цитоплазма клітин помітно зерниста або вакуоліста, по кінцях клітин часто утворюються блискучі жироподібні зерна. Клітини бацили рухливі, з перитрихіальним джгутуванням. Спори Вас. cereus утворює овальні або еліпсоїдні, які зазвичай розташовуються центрально і проростають полярно. При розвитку на МПА (м'ясопептонному агарі) бацила утворює великі компактні колонії зі складчастим центром і хвилястими ризоїдними краями. Іноді колонії бувають дрібнобугристими з бахромчастими краями і джгутикоподібними виростами, з характерними крупинками, що заломлюють світло. Bac. cereus є аеробом. Однак у деяких випадках розвивається і при утрудненому доступі кисню. Зустрічається ця бацила у ґрунті, у воді, на рослинних субстратах. Желатину розріджує, молоко пептонізує, крохмаль гідролізує. p align="justify"> Температурний оптимум розвитку Bac. cereus 30 °С, максимум 37-48 °С. При розвитку в м'ясопептонному бульйоні утворює рясну однорідну каламутню з м'яким осадом, що легко розпадається, і ніжною плівкою на поверхні.

З інших аеробних гнильних мікробів можна відзначити земляну паличку (Вас. mycoides), Вас. megatherium, а також безспорові пігментні бактерії – «чудесну паличку» (Bact. prodigiosum), Pseudomonas fluorescens.

Земляна паличка (Bac. mycoides) (рис. 37) - одна з дуже поширених гнильних ґрунтових бацил, має досить великі (5-7 х 0,8-1,2 мкм) поодинокі або з'єднані в довгі ланцюжки клітини. На твердих середовищах земляна паличка утворює дуже характерні колонії - пухнасті, різозні або міцелієподібні, що стелиться по поверхні середовища, як грибний міцелій. За цю схожість бацила й одержала назву Bac. mycoides, що означає «грибоподібна».

Bac. megaterium - бацила, що має великі розміри, за що і отримала свою назву, що означає "велику тварину". Вона постійно зустрічається в грунті та на поверхні гниючих матеріалів. Молоді клітини зазвичай товсті - до 2 мкм у діаметрі, довжиною від 3,5 до 7 мкм. Вміст клітин крупнозернистий з великою кількістю великих включень жироподібної або глікогеноподібної речовини. Нерідко включення заповнюють майже всю клітину, надаючи їй дуже характерне будову, яким легко розпізнають даний вид. Колонії на агарових середовищах гладкі, брудно-білі, жирно-блискучі. Краї колонії різко обрізані, іноді хвилясто-бахромчасті.

Пігментна бактерія Pseudomonas fluorescens дрібна (1-2 х 0,6 мкм) грамнегативна безспорова паличка, рухлива, з лофотрихіальним джгутуванням. Бактерія утворює зеленувато-жовтий флюоресціюючий пігмент, який, проникаючи в субстрат, забарвлює його в жовто-зелений колір.

Пігментна бактерія Bacterium prodigiosum (мал. 38) широко відома під назвою "чудесна паличка" або "паличка чудесної крові". Дуже маленька грамнегативна безспорова рухлива паличка з перитрихіальним джгутуванням. При розвитку на агарових та желатинових середовищах утворює колонії темно-червоного кольору з металевим блиском, що нагадують краплі крові.

Поява таких колоній на хлібі та картоплі в середні віки викликало у релігійних людей забобонний жах і пов'язувалося зі злокознями «єретиків» та «диявольською маною». Через цю нешкідливу бактерію найсвятіша інквізиція спалила на багаттях не одну тисячу абсолютно безневинних людей.

Факультативноанаеробні бактерії

Паличка протею, або вульгарний протей (Proteus vulgaris) (рис. 39). Цей мікроб є одним із найбільш типових збудників гниття білкових речовин. Він часто зустрічається на мимовільно загнило м'ясі, в кишечнику тварин і людини, у воді, в ґрунті та ін. Клітини цієї бактерії відрізняються великою поліморфністю. У добових культурах на м'ясо-пептонному бульйоні вони дрібні (1-3 х 0,5 мкм), з великою кількістю перитрихіально розташованих джгутиків. Потім починають з'являтися звивисті ниткоподібні клітини, що досягають завдовжки 10-20 мкм і більше. Завдяки такій різноманітності в морфологічній будові клітин бактерія і була названа на ім'я морського бога Протея, якому давньогрецька міфологія приписувала здатність змінювати свій образ і перетворюватися за бажанням у різних тварин і потвор.

Як дрібні, так і великі клітини протею мають сильний рух. Це надає колоніям бактерії на твердих середовищах, характерну особливість «роїння». Процес «роєнія» полягає в тому, що з колонії виходять окремі клітини, ковзають поверхнею субстрату і на деякій відстані від неї зупиняються, розмножуються, даючи початок новому зростанню. Виходить маса дрібних, ледве видимих ​​простим оком білуватих колоній. Від цих колоній знову відокремлюються нові клітини і вільної від мікробного нальоту частини середовища утворюють нові центри розмноження і т.д.

Вульгарний протей – грамнегативний мікроб. Оптимальна температура розвитку 25-37°С. При температурі близько 5 ° С він припиняє своє зростання. Протеолітична здатність протею дуже велика: він розкладає білки з утворенням індолу і сірководню, викликаючи різку зміну кислотності середовища - середовище стає сильнолужним. При розвитку на вуглеводних середовищах протей утворює багато газів (CO2 та H2).

В умовах помірного доступу повітря при розвитку на пептонних середовищах деякою протеолітичною здатністю має кишкова паличка (Escherichia coli). Характерно при цьому утворення індолу. Але кишкова паличка не є типовим гнильним мікроорганізмом і на вуглеводних середовищах в анаеробних умовах викликає нетипове молочнокисле бродіння з утворенням молочної кислоти та цілого ряду побічних продуктів.

Анаеробні гнильні мікроорганізми

Clostridium putrificum (рис. 40) - енергійний збудник анаеробного розкладання білкових речовин, що здійснює це розщеплення з рясним виділенням газів - аміаку та сірководню. Cl. putrificum досить часто зустрічається в грунті, воді, порожнині рота, в кишечнику тварин і на різних продуктах, що гниють. Іноді можна знайти і в консервах. Cl. putrificum - рухливі палички з перитрихіальним джгутуванням, видовжені та тонкі (7-9 х 0,4-0,7 мкм). Зустрічаються і довші клітини, з'єднані в ланцюжки та одиночні. Температурний оптимум розвитку клостридії 37 °С. Розвиваючись у глибині м'ясопептонного агару, він утворює пластівеподібні пухкі колонії. Спори кулясті, розташовані термінально. При спороутворенні на місці виникнення суперечки клітина сильно роздмухується. Спороносні клітини Cl. putrificum нагадують спороносні клітини бацили ботулізму.

Термостійкість спор Cl. putrificum досить висока. Якщо під час виробництва консервів суперечки нічого очікувати знищені, під час зберігання готової продукції складі можуть розвинутися і викликати псування (мікробіологічний бомбаж) консервів. Сахаролітичні властивості Cl. putrificum не має.

Clostridium sporogenes (рис. 41) - за морфологічними ознаками є досить велику паличку із закругленими кінцями, що легко утворює ланцюжки. Мікроб дуже рухливий завдяки перитрихіально розташованим джгутикам. Назва Clostridium sporogenes, дана І. І. Мечниковим (1908), характеризує здатність цього мікроба швидко утворювати суперечки. Через 24 години під мікроскопом можна бачити багато паличок і вільно лежачих спор. Через 72 год процес спороутворення закінчується і вегетативних форм не залишається. Спори мікроб утворює овальні, розташовані центрально або ближче до одного з кінців палички (субтермінально). Капсул не утворює. Оптимум розвитку 37 °С.

Cl. sporogenes – анаероб. Токсичними та патогенними властивостями не має. В анаеробних умовах на агарових середовищах утворює поверхневі дрібні, неправильної форми, спочатку прозорі, а потім перетворюються на непрозорі жовтувато-білі колонії з бахромчастими краями. У глибині агару колонії утворюються «волохаті», круглі, із щільним центром. Аналогічно в анаеробних умовах мікроб викликає швидке помутніння м'ясопептонного бульйону, газоутворення та поява неприємного гнильного запаху. У ферментативному комплексі Clostridium sporogenes містяться дуже активні протеолітичні ферменти, здатні розщеплювати білок, до його останньої стадії. Під дією Clostridium sporogenes молоко пептонізується вже через 2-3 дні і пухко згортається, желатин розріджується. На середовищах з печінкою іноді утворюється чорний пігмент з білими кристалами тирозину, що виділяються. Мікроб викликає почорніння та перетравлення мозкового середовища та різкий гнильний запах. Шматочки тканини швидко перетравлюються, розпушуються і розплавляються майже до кінця протягом декількох днів.

Clostridium sporogenes має також і сахаролітичні властивості. Поширеність цього мікроба в природі, різко виражені протеолітичні властивості, висока термостійкість суперечка характеризують його як одного з головних збудників гнильних процесів у харчових продуктах.

Cl. sporogenes є збудником псування м'ясних та м'ясо-овочевих консервів. Найчастіше піддаються псуванню консерви «М'ясо тушковане» та перші обідні страви з м'ясом і без м'яса (борщ, розсольник, щі та ін.). Наявність невеликої кількості спор, що залишилися у продукті після стерилізації, може спричинити псування консервів при зберіганні в умовах кімнатної температури. Спостерігається спочатку почервоніння м'яса, потім почорніння, з'являється різкий гнильний запах, часто спостерігається бомбаж банок.

У гнильному розкладанні білків беруть участь і різні цвілеві гриби та актиноміцети - Penicillium, Mucor mucedo, Botrytis, Aspergillus, Trichoderma та ін.

Значення процесу гниття

Загальнобіологічне значення процесу гниття величезне. Гнильні мікроорганізми є «санітарами землі». Викликаючи мінералізацію величезної кількості білкових речовин, що потрапляють у ґрунт, здійснюючи розкладання трупів тварин та рослинних покидьків, вони виробляють біологічне очищення землі. Глибоке розщеплення білків викликають спорові аероби, менш глибоке – спорові анаероби. У природних умовах цей процес відбувається поетапно у співдружності багатьох видів мікроорганізмів.

Але в харчовому виробництві гниття є шкідливим процесом і завдає великої матеріальної шкоди. Псування м'яса, риби, овочів, яєць, фруктів та інших продуктів харчування настає швидко і протікає дуже енергійно, якщо зберігати їх незахищеними, в умовах, сприятливих для розвитку мікробів.

Лише в окремих випадках у харчовому виробництві гниття може бути використане як корисний процес – при дозріванні солоного оселедця та сирів. Використовується гниття у шкіряному виробництві для швицювання шкур (видалення шерсті зі шкур тварин під час вироблення шкір). Знаючи причини процесів гниття, люди навчилися захищати харчові продукти білкового походження від їхнього розпаду шляхом застосування найрізноманітніших методів консервації.

Гнильні процеси. Поняття про аеробне та анаеробне гниття. Збудники. Роль гнильних процесів у природі, у харчовій промисловості

Гниєння – процес глибокого розкладання білкових речовин. Одним із кінцевих продуктів розкладання білкових речовин є аміак, тому процес гниття називають амоніфікацією.

Білки - високомолекулярні сполуки, тому спочатку вони піддаються позаклітинному розщепленню протеолітичних ферментів мікроорганізмів, які є екзоферментами.

Розщеплення білків відбувається східчасто:

білки > пептони > поліпептиди > амінокислоти

Амінокислоти, що утворилися, дифундують всередину клітин і можуть бути використані як в конструктивному, так і в енергетичному обміні.

Розщеплення амінокислот починається шляхом їх дезамінування та декарбоксилювання. При дезамінуванні амінокислот відбувається відщеплення аміногрупи з утворенням аміаку, органічних кислот (масляної, оцтової, пропіонової, окси- та кетокислот) та високомолекулярних спиртів.

Надалі утворення кінцевих продуктів залежить від умов перебігу процесу та від виду мікроорганізму - збудника гниття.

Аеробне гниття. Протікає у присутності кисню повітря. Кінцевими продуктами аеробного гниття є, крім аміаку, діоксид вуглецю, сірководень і меркаптани (які мають запах тухлих яєць). Сірководень і меркаптани утворюються при розкладанні сірковмісних амінокислот (цистину, цистеїну, метіоніну).

Анаеробне гниття. Протікає в анаеробних умовах. Кінцевими продуктами анаеробного гниття є продукти декарбоксилювання амінокислот (відібрання карбоксильної групи) з утворенням речовин, що погано пахнуть: індолу, акатолу, фенолу, крезолу, діамінів (їх похідні є трупними отрутами і можуть викликати отруєння).

Збудники гнильних процесів

Збудниками аеробного гниття є спороутворюючі бактерії роду Bacillus: Bacillus mycoides (грушоподібна бацила); Bacillus megaterium (капустяна бацила); Bacillus mesentericus (картопляна паличка); Bacillus subtilis (сінна паличка), а також неспоротворні палички: Serrate marcencens (чудесна паличка); Proteus vulgaris (паличка протею); Escherichia coli (кишкова паличка) та інші мікроорганізми.

Збудниками анаеробного гниття є анаеробні спорові палички роду Clostridium (протеолітичні клостридії): Clostridium sporogenes, Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum.

Практичне значення гнильних процесів

Гнильні мікроорганізми нерідко завдають великої шкоди народному господарству, викликаючи псування багатих білками продуктів харчування: м'яса та м'ясопродуктів, яєць, молока, риби та рибопродуктів та ін.

У природі (у воді, грунті) гнильні бактерії активно розкладають відмерлі тварини та рослинні тканини, мінералізують білкові речовини і цим відіграють важливу роль у кругообігу вуглецю та азоту.

Розкладання клітковини та пектинових речовин мікроорганізмами

Розкладання пектинових речовин близьке до маслянокислого бродіння. Протікає в анаеробних умовах. Під впливом пектолітичних ферментів мікроорганізмів прототопектин перетворюється на розчинний пектин, який розкладається з утворенням галактуронових кислот, вуглеводів (ксилози, галактози, арабінози), метилового спирту та інших речовин. Далі цукру зброджуються бактеріями роду Clostridium з утворенням олійної та оцтової кислот, діоксиду вуглецю та водню.

Всі ці процеси призводять до мінералізації (розпаду) уражених об'єктів (плодів, овочів) та інших видів псування.

Бродіння клітковини полягає у розкладанні її в анаеробних умовах з утворенням масляної, оцтової кислот, вуглекислого газу, етилового спирту, водню. Цей процес здійснюють спороутворюючі мезофільні та термофільні целюлозні бактерії, що належать до роду Clostridium.

При аеробному розкладанні клітковини кінцевими продуктами є діоксид вуглецю та вода. До аеробних мікроорганізмів, що окислюють клітковину, відносяться мезофільні аеробні бактерії пологів Cytophaga, Anginococcus. Cellvibrio, Pseudomonas, актиноміцети роду Streptomyces та мікроскопічні гриби (пологів Penicillium, Alternaria, Fusarium та ін.).

У природі пектинорозкладні та целюлозні бактерії відіграють велику роль у процесах розкладання рослинних залишків і, отже, у кругообігу вуглецю.

Хімізм амоніфікації.

гниттям називається розкладання білкових речовин мікроорганізмами. Це псування м'яса, риби, плодів, овочів, деревини, і навіть процеси, які у грунті, гною та інших.

У вужчому розумінні гниттям прийнято вважати процес розкладання білків чи субстратів, багатих білком, під впливом мікроорганізмів.

Білки є важливою складовою живого і відмерлого органічного світу, що містяться в багатьох харчових продуктах. Білки характеризуються великою різноманітністю та складністю будови.

Здатність руйнувати білкові речовини притаманна багатьом мікроорганізмам. Одні мікроорганізми викликають неглибоке розщеплення білка, інші можуть руйнувати його глибше. Гнильні процеси постійно протікають у природних умовах і нерідко виникають у продуктах та виробах, що містять білкові речовини. Розкладання білка починається з його гідролізу під впливом протеолітичних ферментів, що виділяються мікробами у навколишнє середовище. Гниєння протікає за наявності високої температури та вологості.

Аеробне гниття. Протікає у присутності кисню повітря. Кінцевими продуктами аеробного гниття є, крім аміаку, діоксид вуглецю, сірководень і меркаптани (які мають запах тухлих яєць). Сірководень і меркаптани утворюються при розкладанні сірковмісних амінокислот (цистину, цистеїну, метіоніну). До гнильних бактерій, що руйнують білкові речовини в аеробних умовах, відноситься також бациллус. мікоідес. Ця бактерія поширена у грунті. Вона є рухомою спороутворюючою паличкою.

Анаеробне гниття. Протікає в анаеробних умовах. Кінцевими продуктами анаеробного гниття є продукти декарбоксилювання амінокислот (відібрання карбоксильної групи) з утворенням речовин, що погано пахнуть: індолу, акатолу, фенолу, крезолу, діамінів (їх похідні є трупними отрутами і можуть викликати отруєння).

Найбільш поширеними та активними збудниками гниття в анаеробних умовах є бациллус путрифікус та бациллус спорогенес.

Оптимальна температура розвитку для більшості гнильних мікроорганізмів знаходиться в межах 25-35°С. Низькі температури не викликають їх загибелі, а лише зупиняють розвиток. При температурі 4-6 ° С життєдіяльність гнильних мікроорганізмів пригнічується. Безспорові гнильні бактерії гинуть при температурі вище 60°С, а спороутворюючі бактерії витримують нагрівання до 100°С.

Роль гнильних мікроорганізмів у природі, у процесах псування харчових продуктів.

У природі гниття грає велику позитивну роль. Воно є складовою частиною круговороту речовин. Гнильні процеси забезпечують збагачення ґрунту такими формами азоту, які необхідні рослинам.

Ще півтора століття тому великий французький мікробіолог Л. Пастер зрозумів, що без мікроорганізмів гниття і бродіння, що перетворюють органіку на неорганічні сполуки, життя на Землі стало б неможливим. Найбільше видів цієї групи живуть у грунті – в 1 г родючого орного грунту їх міститься кілька млрд. Ґрунтова флора переважно представлена ​​бактеріями гниття. Вони розкладають органічні залишки (відмерлі тіла рослин та тварин) до речовин, які споживають рослини: вуглекислого газу, води та мінеральних солей. Цей процес у масштабах планети називається мінералізацією органічних залишків, чим більше бактерій у ґрунті, тим інтенсивніше йде процес мінералізації, отже, тим вища родючість ґрунту. Однак гнильні мікроорганізми і викликані ними процеси, в харчовій промисловості викликають псування продуктів і особливо тваринного походження та матеріалів, що містять білкові речовини. Для запобігання псуванню продуктів гнильними мікроорганізмами слід забезпечувати такий режим їх зберігання, який виключав би розвиток цих мікроорганізмів.

Для захисту продуктів харчування від гниття застосовують стерилізацію, засолювання, копчення, заморожування та ін. Однак серед гнильних бактерій є спороносні, галофільні та психрофільні форми, форми, що викликають псування засолених або заморожених продуктів.

Тема 1.2. Вплив умов довкілля на мікроорганізми. Поширення мікроорганізмів у природі.

Чинники, що впливають мікроорганізми (температура, вологість, концентрація середовища, випромінювання)

План

1. Вплив температури: психрофільні, мезофільні та термофільні мікроорганізми. Мікробіологічні основи зберігання харчових продуктів у охолодженому та замороженому вигляді. Термостійкість вегетативних клітин та спор: пастеризація та стерилізація. Вплив теплової обробки продуктів харчування на мікрофлору.

2. Вплив вологості продукту та навколишнього середовища на мікроорганізми. Значення відносної вологості повітря у розвиток мікроорганізмів на сухих продуктах.

3. Вплив концентрації розчинених речовин у середовищі проживання мікроорганізмів. Вплив випромінювань, використання УФ-променів для дезинфекції повітря.

Вплив температури: психрофільні, мезофільні та термофільні мікроорганізми. Мікробіологічні основи зберігання харчових продуктів у охолодженому та замороженому вигляді. Термостійкість вегетативних клітин та спор: пастеризація та стерилізація. Вплив теплової обробки продуктів харчування на мікрофлору.

Температура - найважливіший чинник розвитку мікроорганізмів. Для кожного з мікроорганізмів існує мінімум, оптимум та максимум температурного режиму для зростання. За цією властивістю мікроби поділяються на три групи:

§ психрофіли -мікроорганізми, що добре ростуть при низьких температурах з мінімумом при -10-0 °С, оптимумом при 10-15 °С;

§ мезофіли -мікроорганізми, для яких оптимум зростання спостерігається за 25-35 °С, мінімум - при 5-10 °С, максимум - при 50-60 °С;

§ термофіли -мікроорганізми, що добре ростуть за відносно високих температур з оптимумом зростання при 50-65 °С, максимумом - при температурі понад 70 °С.

Більшість мікроорганізмів відноситься до мезофіл, для розвитку яких оптимальною є температура 25-35 °С. Тому зберігання харчових продуктів при такій температурі призводить до швидкого розмноження в них мікроорганізмів та псування продуктів. Деякі мікроби при значному накопиченні у продуктах здатні призвести до харчових отруєнь людини. Патогенні мікроорганізми, тобто. що викликають інфекційні захворювання людини, також відносяться до мезофілів.

Низькі температури уповільнюють зростання мікроорганізмів, але не вбивають їх. У охолоджених харчових продуктах зростання мікроорганізмів уповільнено, але продовжується. При температурі нижче З °С більшість мікробів припиняють розмножуватися, тобто. при заморожуванні продуктів зростання мікробів зупиняється, деякі їх поступово відмирають. Встановлено, що за температури нижче Про °С більшість мікроорганізмів впадають у стан, схоже на анабіоз, зберігають свою життєздатність і при підвищенні температури продовжують свій розвиток. Цю властивість мікроорганізмів слід враховувати при зберіганні та подальшій кулінарній обробці харчових продуктів. Наприклад, у замороженому м'ясі можуть довго зберігатися сальмонели, а після розморожування м'яса вони у сприятливих умовах швидко накопичуються до небезпечної для людини кількості.

При дії високої температури, що перевищує максимум витривалості мікроорганізмів, відбувається їхнє відмирання. Бактерії, що не мають здатності утворювати суперечки, гинуть при нагріванні у вологому середовищі до 60-70 ° С через 15-30 хв, до 80-100 ° С - через кілька секунд або хвилин. У суперечок бактерій термостійкість значно вища. Вони здатні витримувати 100 ° С протягом 1-6 год, при температурі 120-130 ° С суперечки бактерій у вологому середовищі гинуть через 20-30 хв. Спори цвілей менш термостійкі.

Теплова кулінарна обробка харчових продуктів у громадському харчуванні, пастеризація та стерилізація продуктів у харчовій промисловості призводять до часткової або повної (стерилізації) загибелі вегетативних клітин мікроорганізмів.

При пастеризації харчовий продукт піддається мінімальному температурному впливу. Залежно від температурного режиму розрізняють низьку та високу пастеризацію.

Низька пастеризація проводиться при температурі, що не перевищує 65-80 ° С, не менше 20 хв для більшої гарантії безпеки продукту.

Висока пастеризація є короткочасним (не більше 1 хв) впливом на пастеризований продукт температури вище 90 °С, що призводить до загибелі патогенної неспороносної мікрофлори і в той же час не спричиняє суттєвих змін природних властивостей пастеризованих продуктів. Пастеризовані продукти не можуть зберігатись без холоду.

Стерилізація передбачає звільнення продукту від усіх форм мікроорганізмів, зокрема й суперечка. Стерилізація банкових консервів проводиться у спеціальних пристроях - автоклавах (під тиском пари) за нормальної температури 110-125°С протягом 20-60 хв. Стерилізація забезпечує можливість тривалого зберігання консервів. Молоко стерилізується метолом ультрависокотемпературної обробки (при температурі вище 130 ° С) протягом декількох секунд, що дозволяє зберегти всі корисні властивості молока.

Білки розкладаються актиноміцетом або до кінцевих продуктів (сірководню, аміаку та води), або до утворення проміжних речовин (пептонів, амінокислот). Інтенсивність розкладання білків залежить від умов аерації, складу живильного середовища, температури та інших факторів.

Розкладання азотовмісних речовин (білків) протікає у два етапи. На першому під впливом аеробних і анаеробних мікроорганізмів білки розщеплюються з виділенням азоту, що міститься в них, у вигляді МНз (стадія амоніфікації) і утворенням пептонів (продуктів первинного розпаду білків), а потім амінокислот. Подальше окисне та відновлювальне дезамінування та декарбок-силування призводять до повного розпаду пептонів та амінокислот. Тривалість першого етапу становить від одного до кількох років. З другого краю етапі ЫНз окислюється спочатку до Н1 02, та був до НИОз. Остаточне повернення азоту в атмосферу відбувається під дією бактерій – денітрифікаторів, які розкладають нітрати молекулярного азоту. Тривалість періоду мінералізації становить 30-40 років і більше.

Розкладання з еру містять з'єднань. Сірка входить до складу деяких білків. При гідролітичному розпаді білків вона відновлюється до сірководню, який є токсичною сполукою для багатьох груп мікроорганізмів. Але у водоймах та грунті зустрічаються серобактерії, що окислюють відновлені сполуки сірки до вільної сірки та сульфатів. Ці бактерії живуть при високих концентраціях сірководню у навколишньому середовищі. Сірководень для них є джерелом енергії для синтезу органічної речовини.

Розкладання включає як абіотичні, і біотичні процеси. Однак зазвичай мертві рослини та тварини розкладаються гетеротрофними мікроорганізмами та сапрофагами. Таке розкладання є спосіб, за допомогою якого бактерії та гриби отримують для себе їжу. Розкладання, отже, відбувається завдяки енергетичним перетворенням в організмах та між ними. Цей процес абсолютно необхідний для життя, тому що без нього всі поживні речовини виявилися б пов'язаними в мертвих тілах і жодне нове життя не могло б виникати. У бактеріальних клітинах і міцелії грибів є набори ферментів, необхідні здійснення специфічних хімічних реакцій. Ці ферменти виділяються у мертву речовину; деякі з продуктів його розкладання поглинаються організмами, що розкладають, для яких вони служать їжею, інші залишаються в середовищі; крім того, деякі продукти виводяться із клітин. Жоден вид сапротрофів неспроможна здійснити повне розкладання мертвого тіла. Однак гетеротрофне населення біосфери складається з великої кількості видів, які, діючи спільно, виробляють повне розкладання. Різні частини рослин та тварин руйнуються з неоднаковою швидкістю. Жири, цукру та білки розкладаються швидко, а целюлоза та лігнін рослин, хітин, волосся та кістки тварин руйнуються дуже повільно. Зазначимо, що близько 25% сухої ваги трав розклалося протягом місяця, інші 75% розкладалися повільніше. Через 10 місяців. ще залишалося 40% первісної маси трав. Залишки ж крабів зникли на той час повністю.

При розкладанні білків утворюються також аміак та її похідні, що потрапляють у повітря і воду океану. У біосфері в результаті нітрифікації – окислення аміаку та інших азотовмісних органічних сполук за участю бактерій – утворюються різні оксиди азоту, які є основою утворення азотної кислоти. Азотна кислота, з'єднуючись із металами, дає солі. Внаслідок діяльності денітрофікуючих бактерій солі азотної кислоти відновлюються до азотистої кислоти і далі до вільного азоту.

Анаеробне розкладання білків викликається спороутворюючими паличками: Bacillus putrificus, Bacillus sporogenes. Розкладання білкових сполук викликається факультативними анаеробами Proteus vulgaris, Bacteria coli. Ступінь та інтенсивність розкладання білкових сполук залежить від хімічної структури білка та виду мікроорганізмів. Амінокислоти, що утворюються в процесі розпаду білків в анаеробних умовах, піддаються відновлювальному дезамінуванню з утворенням граничних органічних кислот та аміаку. Органічні кислоти можуть розкладатися з утворенням метану та діоксиду вуглецю. Продуктами амоніфікації в анаеробних умовах будуть метан, аміак та діоксид вуглецю.

Зустрічається при розкладанні алкалоїдів та білків.

АМОНІФІКАЦІЯ - процес розкладання мікроорганізмами азотовмісних органічних сполук (білків, нуклеїнових кислот та ін.) з виділенням аміаку. АМПЛІТУДА ЕКОЛОГІЧНА [Лат. amplitude - величина] - межі пристосовуваності виду або співтовариства до умов середовища, що змінюються.

Аміак, що утворюється при розкладанні білків і сечовини у вигляді амонійних солей, засвоюється рослинами або зазнає подальших мікробіологічних перетворень.

Найбільш стійкими продуктами розкладання є гумінові речовини (гумус), які, як уже підкреслювалося, є обов'язковим компонентом екосистем. Зручно розрізняти три стадії розкладання: 1) подрібнення детриту шляхом фізичного та біологічного впливу; 2) відносно швидке утворення гумусу та вивільнення розчинних органічних речовин сапротрофами; 3) повільна мінералізація гумусу. Повільність розкладання гумусу - одне із чинників, що зумовлюють запізнення розкладання проти продукцією і накопиченням кисню; про значення двох останніх процесів уже йшлося. Зазвичай гумус виглядає як темна, часто жовтувато-коричнева аморфна або колоїдна речовина. Згідно з М. М. Кононовою (1961), фізичні властивості та хімічна будова гумусу мало різняться в географічно віддалених чи біологічно різних екосистемах. Однак хімічно охарактеризувати речовини гумусу дуже важко, і це не дивно, якщо врахувати величезну різноманітність органічних речовин, з яких він походить. Загалом гумінові речовини є продуктами конденсації ароматичних сполук (фенолів) з продуктами розпаду білків і полісахаридів. Модель молекулярної структури гумусу показана на стор. 475. Це бензольне кільце фенолу з бічними ланцюгами; така будова обумовлює стійкість гумінових речовин до мікробного розкладання. Розщеплення сполук, очевидно, потребує спеціальних ферментів типу дезоксигеназ (Джибсон, 1968), які часто відсутні у звичайних ґрунтових та водних сапротрофів. За іронією долі багато токсичних продуктів, які людина вводить у навколишнє середовище - гербіциди, пестициди, промислові стічні води, - є похідними бензолу і становлять серйозну небезпеку через свою стійкість до розкладання.

Аміак утворюється головним чином при розкладанні біогенних азотовмісних сполук - білків та сечовини. Найбільш ймовірна величина потоку 1>Ш3 із усіх наземних джерел в атмосферу становить 70-100 Мт Ы/год. Антропогенна емісія аміаку становить приблизно 4 Мт К/год.

Це можна пояснити меншим ставленням білків та вуглеводів до кількості жирів в осаді стічних вод м'ясокомбінату порівняно з осадом побутових стічних вод; як відомо, основним матеріалом для побудови тіла мікроорганізмів, що беруть участь у процесі розкладання жирів, є білки у поєднанні з вуглеводами, а енергетичним матеріалом для їхньої життєдіяльності служать вуглеводи. Тому співвідношення компонентів, що зброджуються, впливає на розпад органічних речовин.

Багато цінного у розкритті сутності процесу розкладання органічних азотистих сполук внесли дослідження В. С. Буткевича. Йому вдалося показати, що накопичення аміаку при процесах амоніфікації суворо координовано з наявністю серед вуглеводів. Якщо серед вуглеводів немає, то мікроорганізми інтенсивно використовують білкові речовини як матеріал дихання, а азот окислених амінокислот накопичується у вигляді аміаку. Якщо ж вуглеводи є, то білкові речовини використовуються меншою мірою і накопичення аміаку сильно падає, а іноді й зовсім не відбувається. Ці закономірності дуже важливі при зброджуванні опадів стічних вод. За наявності в муловій рідині азоту амонійних солей можна судити про те, які речовини зазнають розкладання: білки або вуглеводи.

Розпад основних органічних компонентів осаду – білка, жирів, вуглеводів – відбувається з різною інтенсивністю, залежно від переважаючої форми тих чи інших мікроорганізмів. Так, наприклад, для септиків характерна обстановка, що створює умови для розвитку анаеробних гнильних бактерій першої стадії (фази) розкладання органічних речовин.

Майже весь азот, взятий рослиною з ґрунту, входить до складу рослинного білка, який при розпаді (гниття) і відщеплює азот у формі аміаку, і його можна відчувати в стайні при розкладанні кінського гною (кінський гній характеризується особливо енергійним розкладанням, чому і використовується для нагрівання парників).

Азот - один із найбільш необхідних для рослин ЕJ ментів. Він входить до складу білків, хлорофілу та багатьох Д[ ших органічних речовин рослин. Основна маса азе зосереджена в органічній речовині грунту, і перш за все в гумусі. Азот доступний рослинам головним чином у фс мінеральних сполук - аміаку і нітратів, які утворюються при розкладанні органічної речовини особливими мікроорганізмами. Тому потрібно поповнення запасів грунтового азоту інших джерел .[...]

Органічні речовини, що містяться в грунті, включають речовини, що утворюються при розкладанні білків, жирів, вуглеводів, у тому числі: смоли, клітковину, ефірні олії. Для процесів розкладання органіки важливим є вміст організмів - деструкторів (бактерій, найпростіших). На одному гектарі грунту можуть бути від 1000 до 7000 кг різних бактерій, 350-1000 кг черв'яків, до 1000 кг членистоногих, від 100 до 1000 кг мікроскопічних грибів. Ці мікроорганізми зустрічаються по всій товщині ґрунту, який може досягати декількох метрів. Безхребетні тварини переважно живуть у верхніх шарах. Аналогічно - коренева система рослин розташована в основному на глибинах в кілька метрів (за винятком деяких, наприклад, верблюжої колючки, коріння якої проникає вглиб на 15 м).

Запах стічних вод населених місць, що є сумішшю запаху фекалій із запахами розкладання жирів, білків, мила тощо. буд., є досить характерним. Він залежить від розкладання господарсько-побутових стоків та від того, які у воді переважають процеси – окисні або відновлювальні. Подібний запах можуть мати деякі стічні води підприємств харчової промисловості. Стічні води від термічної переробки вугілля мають запах фенолів, смоли, сірководню; стічні води хімічної промисловості мають характерні запахи, що залежать від виду виробництва, наприклад запах органічних сполук: сірковуглецю, складних і простих ефірів, спиртів, органічних кислот, азотовмісних сполук, меркаптанів, ацетилену і т. д.

Полісапробна зона характерна для свіжозабрудненої води, де протікають початкові етапи розкладання органічних сполук. Полісапробні води містять велику кількість органічних речовин, насамперед білків та вуглеводів. При розкладанні цих речовин у великій кількості виділяються вуглекислота, сірководень, метан. Вода бідна киснем, тому хімічні процеси мають відновлювальний характер. Різко виражені несприятливі умови середовища ведуть до обмеження кількості видів у рослинному та тваринному населенні водойми. Основними мешканцями є бактерії, кількість яких сягає сотень мільйонів на 1 мл води. Дуже багато серобактерій та інфузорій. Всі мешканці полісапробної зони за способом харчування відносяться до коясуентів (споживачів), або гетеротрофів. Вони потребують готової органічної речовини. Продуценти (виробники), т. е. автотрофи, яких ставляться зелені рослини, створюють органічне речовина з мінеральних сполук, тут немає.[ ...]

Склад органічних речовин різноманітний і включає компоненти, що утворюються різних стадіях розкладання складних вуглеводів, білків, жирів і вуглеводів; ґрунтові органічні речовини містять лігнін, клітковину, ефірні олії, смоли, дубильні речовини. Певну роль у створенні гумусу грає ґрунтова фауна-хробаки та специфічна ґрунтова мікрофлора. Загалом відбувається збагачення ґрунтів амінокислотами та іншими органічними сполуками.

У літературі вказується, що гумінові речовини виникають у природних умовах як продукти розкладання білків, целюлози та лігніну. Вони діляться на гумінові кислоти та нерозчинний лігнін. У цій роботі розглядаються тільки гумінові кислоти, солі яких розчиняються у воді і здатні до вилуговування.

Інші фізіологічні групи анаеробів беруть участь у кругообігу азотовмісних речовин: розкладають білки, амінокислоти, пурини (протеолітичні, пуринолітичні бактерії). Багато хто здатний активно фіксувати атмосферний азот, переводячи їх у органічну форму. Ці анаероби сприяють підвищенню родючості ґрунтів. Кількість клітин протеолітичних та цукролітичних анаеробів в 1 г родючих ґрунтів сягає навіть мільйонів. Особливе значення мають ті групи мікроорганізмів, які беруть участь у розкладанні важкодоступних форм органічних сполук, таких як пектинові речовини та целюлоза. Саме ці речовини становлять велику частку рослинних залишків і є основним джерелом вуглецю для ґрунтових мікроорганізмів.

У процесі життєдіяльності багато бактерій можуть підкислювати або підлужувати середовище. Наприклад, при розкладанні сечовини або білків утворюється аміак, а при споживанні солей органічних кислот у середовищі накопичуються катіони лужних металів.

Окислення білкових сполук відбувається остаточно з утворенням аміаку, діоксиду вуглецю, води. Якщо в білках міститься сірка, то як проміжні сполуки утворюються ще меркаптани (тіоспирти), а при повному розпаді утворюється сірководень. Найбільш поширені аеробні збудники розкладання білків: Bacterium fluorescens, Bacillus subtilis, Bacillus mycoides. Крім того, розкладання білкових сполук може викликатись актиноміцетами та багатьма грибами. Нуклеопротеїци, що містять нуклеїнові кислоти, пов'язані з амінокислотними залишками, розкладаються з утворенням вуглеводів - рибози та де-зоксирибози, азотистих органічних основ та фосфорної кислоти.

Сірчистий газ виділяється в атмосферу при згорянні органічного палива (вугілля, нафта, бензин, газ) за рахунок розкладання білків, що містять сірку, а також від підприємств, що переробляють сірчисті руди. Потужним джерелом виділення сірчистого газу в містах є автотранспорт.

Азотовмісні речовини (амонійні солі, нітрити та нітрати) утворюються у воді головним чином в результаті розкладання білкових сполук, що потрапляють у водойму зі стічними побутовими та промисловими водами. Рідше у воді зустрічається аміак мінерального походження, що утворився внаслідок відновлення органічних азотистих сполук. Якщо причиною утворення аміаку є гниття білків, то такі води не придатні для пиття.

Дві перші групи використовують органічні речовини, що легше розкладаються, такі, як цукру, амінокислоти і прості білки. Потім починають свою «роботу» над більш стійкими сполуками целюлозні бактерії, актиноміцети ж мають пряме відношення до гумусу. Можлива модель структури молекули гумінової кислоти показана нижче.

Осад стічних вод і концентровані виробничі стічні води з ВПК вище 5 г/л піддаються біохімічного розкладання в анаеробних умовах. Воно може відбуватися в спорудах-септиках, що є відстійником, через який повільно проходить стічна рідина. У двоярусному відстійнику осад відокремлений від стічної рідини, що проходить, його розкладання здійснюється в муловій камері. На очисних спорудах великої продуктивності осад стічних вод виділяється у первинних відстійниках разом із надлишковим активним мулом піддається зброджування в метантенках. Інтенсивність і глибина розкладання осаду насамперед визначаються його складом, який коливається за співвідношенням вмісту основних органічних компонентів (вуглеводів/білків, жироподібних сполук) та неорганічних речовин. Зазвичай в осаді міських стічних вод міститься 70-80% органічних речовин. Так, зразковий склад осаду (%): білки 24, вуглеводи 23, жироподібні речовини до 30. Найчастіше при кислому бродінні осаду виходять оцтова, масляна, пропіонова кислоти. Гази, що утворюються, містять діоксид вуглецю, метан, водень, сірководень. Водна фаза має кислу реакцію середовища (pHС5), не має буферних властивостей, має різкий неприємний запах.

З господарсько-побутовими та виробничими стічними водами, у тому числі зі стоками з проммайданчиків, до водойм потрапляють білки, жири, олії, нафта та нафтопродукти, барвники, смоли, дубильні речовини, миючі засоби та багато інших забруднення. З полів вимиваються добрива та пестициди – засоби боротьби зі шкідниками сільськогосподарських культур. Тому у водах відкритих джерел водопостачання у різних концентраціях містяться практично будь-які хімічні елементи, зокрема такі шкідливі здоров'ю, як свинець, цинк, олово, хром, мідь. Не маючи на меті дати повний огляд складу забруднень, що потрапляють зі стічними водами, і вважаючи, що властивості біологічних домішок досить докладно розглянуті в попередньому розділі цього розділу, зупинимося лише на деяких видах забруднень, відмітними ознаками яких є: широка поширеність, особливо в останні роки; токсичні властивості; важке відділення для очищення стічних вод; повільне окислення та розкладання у відкритих водоймах; що заважає дію, що чиниться на процеси очищення води, у тому числі на коагуляцію; здатність“бути індикаторами глибини очищення води від окремих [елементів.

Утворення гумусових речовин відбувається за участю двох типів. Процеси першого типу забезпечують часткове розкладання (розщеплення) мертвої органічної речовини до більш простих сполук: білки розщеплюються на амінокислоти, вуглеводи - на прості цукри, розщеплення лігніну вивчено недостатньо. В результаті процесів другого типу відбувається конденсація ароматичних сполук фенольного типу (продуктів розпаду лігніну та целюлози) з амінокислотами (продуктами розпаду мікроорганізмів). У результаті виникає система органічних високомолекулярних кислот, здатних до подальшої полімеризації. У процесі формування гумусу та підтримування його складу важливу роль відіграють гетеротрофні та автотрофні мікроорганізми, геохімічна діяльність яких була розглянута раніше.

органічний склад. Він формується із сполук, що містяться у великій кількості у рослинних та тваринних залишках. Це білки, вуглеводи, органічні кислоти, жири, лігнін, дубильні речовини та ін., у сумі, що становлять 10-15% від усієї маси органічної речовини в грунті. При розкладанні органічних речовин азот, що міститься в них, переходить у форми, доступні рослинам. Органічні речовини відіграють важливу роль у ґрунтоутворенні, визначають величину поглинальної здатності ґрунтів, впливають на структуру верхніх горизонтів ґрунту та його фізичні властивості.

Значна частина азоту гумінових кислот перетворюється на розчин при слабшому гідролізі (З. С. Драгунов) проти типовими білками. Крім того, білки рослинних залишків легко і швидко розкладаються ґрунтовими мікроорганізмами, розпад їх супроводжується ресинтезом білка мікробної плазми, який, у свою чергу, легко розкладається. Тому гідролізована частина азоту гумінової кислоти представлена, мабуть, не білками, а продуктами глибокого їхнього розпаду - амінокислотами, що знаходяться у формі неміцного зв'язку з ядром гумінової кислоти.

ТОКСИНИ - отруйні речовини, що утворюються деякими мікроорганізмами, рослинами та тваринами. За хімічною природою - поліпептиди та білки. Іноді термін Т. поширюється на отрути небілкової природи. Найбільш вивчені мікробні Т., які поділяють на екзотоксини (екскретуються в середу під час зростання) та ендотоксини (виділяються після загибелі організмів). ТОКСИФІКАЦІЯ - збільшення токсичності в результаті утворення нових отруйних речовин при розкладанні (біологічному або фізико-хімічному) пестицидів. Порівн. Забруднювальна речовина, Шкідлива речовина. ТОКСИЧНА ДІЯ ЗАБРУДЖУЮЧОЇ РЕЧОВИНИ - шкідливий вплив хімічної речовини на організми (людини, тварин, рослин, грибів, мікроорганізми). При спільній токсичній дії кількох забруднюючих речовин розрізняють: підсумовування шкідливих ефектів; надсумування, або потенціювання; нігіляцію – ефект менший, ніж при підсумовуванні; зміна характеру токсичної дії (напр., поява канцерогенних властивостей). ТОКСИЧНІСТЬ - отруйність, властивість хімічних сполук надавати шкідливий або навіть летальний вплив на організм.

Значний науковий та практичний інтерес становлять нерозчинні у воді щеплені кополімери целюлози та біологічно активних білків (ферментів, антигенів). Щеплені сополімери целюлози та ферментів можуть бути використані як специфічні каталізатори, які у будь-який момент легко видалити зі сфери реакції. Застосування цих кополімерів дозволяє вирішити ряд завдань, які не можуть бути вирішені при використанні звичайних водорозчинних ферментів, наприклад виділення чистих продуктів ферментативного розкладання субстрату, виділення та подальше дослідження проміжних продуктів ферментативного розкладання субстрату, активація ферменту з подальшим повним видаленням активуючої речовини, сорбція, наступне та вивчення інгібіторів ферментів. Нерозчинні у воді щеплені кополімери целюлози та антигенів, які отримали назву імуноадсорбентів, застосовуються для адсорбції антитіл з метою їх кількісного визначення, виділення у чистому вигляді для подальшого вивчення та застосування. Для синтезу нерозчинних у воді щеплених кополімерів біологічно активних білків доцільно використовувати целюлозу, а не синтетичні полімери, тому що неспецифічна адсорбція білка на целюлозних матеріалах значно нижча, ніж на синтетичних полімерах.

Розвиток поблизу водойм вищої рослинності є причиною попадання у воду розчинених органічних продуктів їх життєдіяльності та розпаду. Внаслідок розкладання макрофітів у воді можуть з'являтися білки, вуглеводи, органічні кислоти, дубильні речовини, а також практично нерозчинні у воді лігнін, геміцелюлоза, жири, віск та смоли.

У живій клітині одночасно протікають найрізноманітніші і до того ж багатоетапні процеси: окислення і відновлення, синтез і розпад, перенесення мітильних радикалів, гідроліз тощо. Деякі мікроби мають здатність брати участь у ряді етапів розкладання речовини. Наприклад, вони можуть використовувати білки, а потім вуглеводи, окисляти спирти і кислоти, спирти і потім альдегіди, споживати елементарний азот, а потім зв'язаний азот і т. п. Але є і такі мікроби, які здатні споживати деякі певні вуглеводні і амінокислоти, не використовуючи інших.

Тканини келпу складаються приблизно на 87% з води та на 13°/ органічних та мінеральних речовин, причому перші становили від 55 до 62 % сухого залишку. Білки, що становлять 5-7 % сухого залишку за харчовою цінністю, відповідають білку сої і можуть бути використані як добавки в корм тварин. Куллні порівнює зарості гантського келпа зі справжніми підводними лісами, що дають п) і дах масі морських організмів і риб. Те ж саме можна (зайти і про чагарники ламінарії японської. Роль природних «захисників» молоді ці чагарники не втратять і при штучному радінні на океанських фермах.

Швидкість хімічних реакцій у рослинних зразках, взятих у період активної вегетації, набагато вища, ніж у багатьох аналізованих об'єктах (наприклад, зерно, солома, насіння). За рахунок роботи ферментів продовжуються біохімічні процеси, внаслідок яких відбувається розкладання таких речовин, як крохмаль, білки, органічні кислоти і особливо вітаміни.

Інші мікроби, що розщеплюють цукор, крохмаль і навіть клітковину, виробляють леткі кислоти, і поряд вугільну, водень і метан, непотрібні організму, причому теплова енергія йде на користь тільки мікроорганізму і втрачається для організму господаря. Нарешті, треті бактерії розщеплюють білки, як і, як і ферменти, в дрібні молекули альбумозів і пептонів і далі в амінні кислоти і основи. Але діяльність бактерій на цьому не зупиняється, як треба було б для організму господаря, а веде далі до розкладання цих сполук на аміак, жирні кислоти, алкоголь і вуглеводень, не потрібні для господаря.

Основним елементом аеробного біоценозу є бактеріальна клітина. У клітині відбуваються різноманітні багатоетапні процеси трансформації органічних речовин. У складі біоценозу є бактерії, здатні споживати лише певні вуглеводні або амінокислоти. Поруч із є велика кількість бактерій, що у кількох етапах розкладання органічного речовини. Вони можуть використовувати спочатку білки, а потім вуглеводи, окислювати спирти, а потім кислоти або спирти та альдегіди і т. д. Одні види мікробів можуть вести розпад органічної речовини до кінця, наприклад, до утворення вуглекислого газу та води, інші тільки до утворення проміжних продуктів . З цієї причини при очищенні стічних вод дають необхідний ефект не окремі культури мікроорганізмів, а їх природний комплекс, включаючи і більш високорозвинені види [Роговська Ц. І., 1967].

Вонрос про речовини, що використовуються в процесі дихання, давно займав фізіологів. Ще на роботах І. II. Бородіна було показано, що інтенсивність процесу дихання прямо пропорційна до вмісту в тканинах рослин вуглеводів. Це дало підставу припустити, що вуглеводи є основною речовиною, що споживається при диханні. У з'ясуванні цього питання велике значення має визначення дихательпого коефіцієнта. Якщо в процесі дихання використовуються вуглеводи, то процес йде, згідно з рівнянням СеН 120б + 6O2 = 6СО2+6Н2О, у цьому випадку дихальний коефіцієнт дорівнює одиниці - р = 1.Однак, якщо розкладання в процесі дихання піддаються більш окислені сполуки, наприклад органічні кислоти, поглинання кисню зменшується, дихальний коефіцієнт стає більшим за одиницю. При окисленні в процесі дихання більш відновлених сполук, таких як жири або білки, потрібно більше кисню і дихальний коефіцієнт стає менше одиниці.

Ми вже розглядали процеси, що проходять анаеробне зброджування при впливі п'яти основних груп бактерій. На цей раз ми розглянемо аспекти, що стосуються нюансів анаеробного зброджування. Надлишковий активний мул, що утворюється при аеробному біологічному очищенні, має характеристики складу, що визначаються умовами його вмісту в аеротенці. При високому навантаженні за органічними забрудненнями, зростає, відповідно, і приріст біомаси, у своїй проходить неповне окислення органіки й у активному мулі зростає концентрація органічних речовин, за нижчому навантаженні підвищується ступінь самоокислення і зменшується вміст органіки. Від якісного та кількісного складу осаду, що піддається мінералізації, залежить вихід та відсотковий склад біогазу, що утворюється при анаеробній мінералізації. Вуглеводи в осадах активного мулу можуть бути представлені переважно целюлозою, лігніном та геміцелюлозами, які містяться в рослинних клітинах. Целюлоза – це полімер глюкози, що має лінійну будову, гемоцеллюлози – це складні полісахариди, що мають розгалужену, або лінійну будову, лігнін – це складний трансспиртовий полімер. На першому етапі біохімічного розкладання, при гідролізі геміцелюлоз, вони розпадаються на складну суміш полісахаридів, а целюлоза гідролізується з утворенням глюкану, полісахариду на основі D-полімеру глюкози. Далі, полісахариди та глюкан на другій стадії, кислотоутворення, або інакше, ацитогенезу, переходять шляхом біохімічного окиснення у леткі жирні кислоти, спирти. В результаті цих реакцій йде виділення водню та вуглекислого газу.

Особливості розкладання білків, жирів та вуглеводів на стадії гідролізу

Нерозчинні білкові сполуки при метановому зброджуванні перетворюються спочатку на пептони, потім на пептиди, і, зрештою - на розчинні прямоцепочные амінокислоти. На стадії ацитогенезу вони легко біохімічно перетворюються на жирні кислоти, що легко окислюються на наступних стадіях метанового зброджування, а також ароматичні амінокислоти, як тирозин, триптофан і феніламін, які далі розкладаються важче. При розкладанні білків утворюються аміак та вуглекислий газ, які при взаємодії з іншими речовинами, або між собою зсувають реакцію середовища у лужну сторону.

Жири на стадії гідролізу перетворюються бактеріями на гліцерин і жирні кислоти. Вони вже досить просто далі переходять на стадії ацитогенезу до складних карбонових кислот, які на наступних стадіях легко переходять у метан. Крім того, що склад біогазу визначається рівняннями реакції біорозкладання вуглеводів, білків і жирів, на його вихід впливає також участь у них води. Якщо реакція розкладання протікає із споживанням води, то кількість газу, що виділяє, збільшується, якщо з виділенням, то зменшується. Винятком їх цього правила становлять амінокислоти, розкладання яких відбувається за участю води, але при цьому частина газоподібних речовин, що утворюються, переходить у пов'язану форму. Крім того, частина вуглецю у сполуках витрачається на приріст бактеріальної біомаси. Всі ці положення підтверджуються експериментальними дослідженнями, які показують, що при розкладанні білкової складової біогаз виділяється в меншій кількості через зв'язування газоподібних продуктів їх розпаду. Далі встановлено, що жири при розкладанні виділяють у півтора рази більше газу, ніж білкові та вуглеводні субстрати. Що ж до якісного складу, то більший відсоток метану в біогазі утворюється при розкладанні білків та жирів.

Межі анаеробного зброджування та розрахунок входу та складу біогазу

Слід зазначити, що анаеробного зброджування відбуваються до певних меж, що становлять 70% для жирів, 62,5% для вуглеводів і 48% для білків. При цьому температура протікання анаеробного процесу позначається тільки на швидкості розпаду органічного субстрату, при цьому найшвидше розкладаються білки, потім йдуть жири, а найповільніше йде зброджування вуглеводів. Тобто, при зброджуванні відходів, що складаються з жиру, можна отримати більше біогазу, ніж з активного мулу, що складається в основному з білка, а також суміші гною і рослинних відходів, які являють собою в основному вуглеводну сировину.

При розкладанні органічного субстрату утворюється велика кількість гумінових речовин, які при кислотній реакції середовища випадають в осад, а при лужному – присутні у фазі колоїдного розчину. Для того, щоб визначити вихід біогазу при анаеробному бродінні органічного осаду, можна визначити його аналізу ХПК осаду після розкладання. При цьому вважається, що один мольний обсяг метану вступає в реакцію з двома мольними обсягами кисню, тобто по розрахунковий обсяг метану, що виділився, буде дорівнює подвійному значенню ГПК. Далі, розрахунок вуглекислого газу, що виділився, ведеться за формулою Маккарті, за якою на 6,24 мольного обсягу метану припадає 3, 75 мольних обсягів вуглекислого газу. Більш точні розрахунки теоретичного виходу і об'ємних співвідношень газів, що виділяються, виробляються за формулою Басвелла, для якої необхідно знати елементарний склад мінералізується осаду. Але в тому й іншому випадку не враховується витрата органіки, що йде на приріст біомаси, що бере участь у біохімічного окислення. Тому, для більш точного розрахунку роботи очисних споруд, а так само установок з мінералізації осаду та виробництва біопалива, слід визначати межі розкладання осаду для кожного конкретного випадку його біозакладу.

Таким чином, якісний і кількісний склад біогазу, що утворюється, знаходиться в тісному зв'язку з вмістом жирів, білків і вуглеводів в органічному субстраті, що піддається анаеробному зброджування. Обсяг газів, що виділяються, і відсоток виходу метану залежить так само від витрати біогенних елементів на приріст біомаси, і межі розкладання мінералізованого осаду, що визначається його органічною природою.