Mikroorganizmų reikšmė medžiagų apykaitai gamtoje
5 (100%) 1 vote

Mikroorganizmų reikšmė medžiagų apykaitai gamtoje

Mikroorganizmų reikšmė medžiagų apykaitai gamtoje

Įvadas

1. Anglies junginių apytaka

1. Anaerobinis anlies junginių skaldymas. Rūgimas

2. Anaerobinis anglies junginių skaldymas

3. Gamtinių stamdiamolekulinių aopraninių junginių skaldymas

2. Azoto junginių apytaka

1. Baltymų amonifikacija

2. Nitrifikacija

3. Denitrifikacija

3.mineralinių elementų apytaika

1. sieros jungunių apytaika

2. fosforo junginių apykaita

3. geležies jungunių apykaita

Įšvados

Įvadas

Pagal savo vaidmenį gamtos junginių apytakos balanse visi organizmai skirstomi į tris grupes į tris :producentus (gamintojus), konsumentus (naudotojus, vartotojus) ir destruktorius (skaidytojus). Žalieji augalai, naudodami Saulės šviesą ir CO , sintetina organines medžiagas. Tai producetai. Gyvūnai yra konsumentai: jie vartoja gatavus organinius junginius savo sandaros (kūno) elemantų sintezei. O gyvūlių ir augalų liekanos – organinės skaidomos iki mineralinių ( procesas – mineralizacija). Šią funkciją atlieka daugiausia mikroorganizmai. Tai destruktoriai – skidytojai. Gautus mineralinius junginius vėl naudoja žalieji augalai (ir mikroorganizmai) naujų organinių medžiagų sintezei . Taip vyksta medžiagų apytakos ciklas gamtoje, kur labai svarbus vaidmuo tenka mikroorganizmams.Ypač svarbūs pokyčiai tų medžiagų, kurios įeina į gyvosios materijos sudėtį, vadinamūjų organogeninių – anglies, azoto, sieros, fosforo, geležies, iš kurių mikroorganizmai sintetina angliavandenius, lipidus, baltymus.

Mikroorganizmai medžiagų apytakos cheminių reakcijų metu susidaro įvairūs metabolitai: organinės rūgštys, alkoholiai, vitaminai ir kiti junginiai. Nors tai tik tarpinės grandys sudėtingame medžiagų apytakos cikle gamtoje, bet šių mikroorganizmų gyvybės veiklos produktai plačiai naudojami gamyboje, medicinoje. Daugelis biotachnologinių procesų, kuriuose naudojami mikrorganizmai, taikomi maisto, lengvoje, farmacijos, mikroorbiologijos pramonėje.

Anglies junginių apytaka – visų gyvųjų Žemės organizmų tarpusavio ryšiai susiję su anglies apytsika.

Žalieji augalai fotosintezės metu ir kai kurie mikroorganizmai chemosterinės būdu iš CO ir H O sintetina anglevandenius. Juos naudoja patys augalai, gyvūnai ir mikroorganizmai . Apsirūpinti energija kvėpavimo procese anglevandaniai suskaidomi iki CO ir H O, kuris grąžinamas į atmosferą. Atšmosferos ore yra per 0,03 % (tūrio) CO ir šią koncetraciją palaikyti santykiškiai pastovią leidžia dinamitinė pusiausvyra tarp fotosintezės ir mineralinės. Svarbus vaidmuo palaikant CO pusiausvyrą ir jo apytakos ratą gamtoje priklauso mikroorganizmams. Skaidydami angliavandenius, jie išsiskiria į orą CO , ir papildomo jo išteklius. Dalis anglies į atmosferą atiduodama ne CO , bet metano (CH ) pavidalu . Metanas susidaro bakterijoms skaidant organines medžiagas anaerobines sąlygomis. Patekęs į atmosferą, jis oksiduojamas iki CO, vėliau iki CO . Dalis CO gali būti rekomenduojama iki metalo.

• CO paėmimo iš atmosferos oro. Čia svarbus vaidmuo tenka žaliesiams augalams ir maža dalimi – fototrofiniams mikroorganizmams. Pagrindinė sujungtos anglies masė susikaupia polimerinių angliavandenių – celiuliozės, krakmolo, pektinų arba monomerų – gliukozės, fruktozės ir kitų pavidalu. Susidarę organiniai junginiai naudojami žmonių ir gyvulių maistui. Žuvus augaliniams ar gyvūnams, organams ar gyvūnams, organinės medžiagos pereina į dirvą (ir vandenį).

• CO grąžinimo į aplinką. Čia svarbus vaidmuo tenka dirvos (ir vandens) mikroorganizmams.

Pagal aplimkos sąlygas organines medžiagas skaigo aerobiniai ir anaerobiniai miokroorganizmai. Aerobiniai jas suskaido dažniausiai iki CO ir H O, ir šis procesas vadinamas visiškąja oksidacija. Organinių anglies junginių skaidymas, kurį sukelia anaerobiniai mikroorganizmai, dažniausiai vadinamas rūgimu.

Lengviausiai ir greičiausiai skaidomi monosacharidai ir disacaridai. Sunkiausiai ir ilgiausiai ardomas ligninas, kiek lenviau ir greičiau – celiuliozė, pektinai.

Anaerobinis anglies junginių skaidymas – rūgimas. Sudėtingų organinių medžiagų, dažniausiai angliavandenių, skaidymas anaerobinėmis sąlygomis, susidarant ATP, kada galutinio vandenilio akceptorius funkciją atlieka molekulės, susudarančios pradinės mežiagos skilimo metu, vadinamas rūgimu. Su ADP fosforilinimu susujusios reakcijos yra oksidacijos. Nuo oksiduotos anglies ląstelės išsivaduoja išskirdamos CO . Oksidacijos etapas yra dehidrinimas. Čia vandeniolio nešikliai yra NAD, o akceptoriai – tarpiniai substrato produktai, kurie redukuojami ir pašalinami iš ląstelės.

Rūgimo metu susidaro įvairūs skilimo produktai, tarp kurių svarbią vietą užima alkoholiai (etanolis, propanolis, butanolis) ir organinės rūgštys ( pieno, propiono, gintaro, sviesto, acto, skruzdžių, oksalo, obuolių ir kt.). Pagal galutinius rūgimo produktus pavadinimas ir pats rūgimo procesas.

Rūgimas vyksta, kaip minėta, dažniausiai naudojant angliavandenilius, bet kartais – ir alkoholius, organines rūgštis, net batymus.

Alkoholinis rūgimas. Angliavandenių anaerobinis skaidymas katalizuojant ( įprastai mielių) fermentams iki etanilio ir CO vadinamas alkoholinu rūgimo metu susidaro nedidelis
kiekis šalutinių, antrinių rūgimo produktų: organinių rūgščių, glicerolio, aukštesniųjų akloholių, iš kurių beveik pusę susidaro du izoamilo alkoholiai: 3-mrtilbutanolis ir 2-metilbutamolios. Aukštesnioji akloholiai susidaro iš aminorūgščių, esančių rauginiame tirpale ar pasigaminančių iš baltymų, peptidų, vykstant mielių autolizei.

Vieni šalutiniai produktai susidaro iš cukrų, kaip tarpiniai alkoholinio rūgimo junginiai, o kiti – iš įvairių junginių, pasigaminnčių mielių medžiagų apykaitos procese.

Alkoholinio rūgimo metu tap pat pasigaminama sieros junginių – vandenilio sulfidas ir rūgštusis sulfidas. Paprastasis gali būti jonų (HSO ) arba sulfido rugšties (HSO ) pavidalu. Šie junginiai susidaro dėl mielių gebėjimo redukuoti sulfato jonus (SO ) iki sieros (S ) per sulfitą (SO ). Redukcijos procesai buvo žinomi labai seniai , bet moksliškai juos tirti predėta tik XIX a.viduryje.L.Pasteras 1857m, nustatė, kad alkoholinį rūgimą sukelia mielės ir kad jis vyksta anaerobimėmis sąlygomis. Iki L.Pasterno vyravo grynai cheminė rūgimo teorija. Tolesniam alkoholinio rūgimo tyrimui didelę reikšmę turėjo J.fon Lybingo ir vėliau H.Būchnerio atardimas, kad rūgimo procesą sukelia ne pačios mielių ląstelės, bet jų gaminimas fermantas zimazė. Tolesni tyrimai parodė, kad zimazė yra fermentų kompleksas. Vėliau H.Embdenas, O.Mejerhofas ir Pransas pasiūlė detalią alkoholio rūgimo schemą, vadinamą arba šių mokslininkų vardu (EMP), arba giukolize, arba fruktozės difosfatiniu būdu. Alkoholinį rūgimą galima suskirstyti į du etapus.

Pirmasis – indukcinis, kuris apima monasacharidų skilimo procesus, kol sisudaro piruvo rūgštis (EPP būdu); jo metu kol mažai actaldehodo, susidaro CO bei actaldehidas. Pprastasis tampa galutiniu vandenilio akceptoriumi. Veikiant fermentui alkoholdrogenazei, kurios kofermantas yra NAD, actaldehidas prisijungia du vandenilio atomus ir virsta etanoliu.

Alkoholio rūgimo eigą galima pasiekti taip, kad šio rūgimo pagrindu produktu taptu gliceroliais. Pridėjus į terpę rūgščiojo sulfito, actaldehidas susjungiamas ir negali būti vandenilio akceptoriumi.

Juo tampa dihidroksiacetono fosfatas, kuris redukuojamas iki glicerolio-3-fosfato. Paprastasis defosforilinasi ir susidaro glicerolis.

Tuo būdu galima gauti iki 40% glicerolio ( nuo rauginimui paimto cukraus kiekio) .

Glicerolį galima gauti ir pašalinus rauginimo terpę (pH8).

Tokiomis sąlygomis acetaldehido molekulės, sąveikaudamos tarpusavyje (dismutacijos reakcija), virsta vienos – etanoliu, kitos – acto rūgštimi ir negali būti vandenilio akseptoriumi. Tai glicerolinė alkoholonio rūgimo forma.

Toks chemizmas ląsteliai naudingas, nes susidariusi acto rūgštis parūgština terpę ir sudaromos palankesnės sąlygos normaliam alkoholiniam rūgimui vykti.

Alkoholinio rūgimo metu, padidinus baltymų medžiagų kiekį terpėje arba pridėjus kai kurių aminirūgsčių, galima padidinti ir aukštesniųjų alkoholių išeigą. Atitinkamai alkoholio rūgomo produktai suteikia alkoholiniams gėrimams savitą skonį ir raomatą.

Alkoholinio rūgimo sukėlėjai. Pagrindiniai alkoholinio rūgimo sukėlėjai yra askomicetinės mielės. Alkoholį rūgimą gali sukelti ir mukoriniai grybai, bet etanolio susidaro daug mažiau (5-7%). Kai kurios bakterijos iš Clostridium ir Enterobacter genčių rūgimo metu galima etanolį kaip šalutinį produktą. Etanolio pirmtakas acetaldehidas šiuo atveju susidaro ne tiesiogiai iš piruvato, veikiant piruvatdekarboksilazei, redukujantis acetil-CoA.

Mielių yra daug rūšių, kurios geba raugti skirtingus cukrus. Geriausiai mielės raugina haksozes. Glikolize (EMP) mielės skaido gliukozę, galaktozę, fruktozę ir maltozę. Oligosaharidai pirma hidrolizuojami atitinkamais fermentais iki heksozių. Trisacharidą rafinozę skirtingos mielės pasisavina įvairiai. Tai priklauso nuo turimų fermantų.

Vienos mielės geda visisškai surauginti rafinozę, kitos – 2/3 (lika galaktozė), trečios – 1/3 (lika melibiozė arba sacarozė). Peptozės ir pentozofosfatiniu pentozofosfatiniu ir EMP būdais. Alkoholiai prieš tai dehidrinami iki atitinkamų heksozų ir pentozių. Krakmolo mielės neraugia, nes neturi amilolitinių fermentų, todėl krakmolingą žalivą reikia pirma hidrolizuoti, sucukrinti (apsalinti) veikiant įvasiriomis amilazėmis.

Askomicetinėmis mielės yra fafultatyvūs (sąlygiškai) anaerobiniai. Aerobinėmis sąlygomis greitai persitvarko iš rūgimo į aerobinį kvėpavimą. Tuomet susidariusi iš cukringų substratų piruvo rūgštis oksiduojama trikarboksirūrščių cikle iki CO ir H O ir šis mielių sukeltas proceas vadinamas angliavandenilių asimiliacija. Tai daug naudingesnis energijos požiūriu procesas nei rūgimas, todėl aerobinėmis sąlygomis mielės auga kur kas greičiau ir sukaupia daug biomasės. Kai kurių mielių rūgimo gebėjimą galima visisškai nuslopinti intensyvia aeracija. Antra vertus rūgimas vyksta ir aktyvios aeracijos sąlygomis, kai terpėje yra dideli gliukozės kiekiai.

Mielių auginimui ir rūgimo eigai turi įtakos daugeklis veiksnių, tačiau pirmiausia rauginimo terpės cheminė sudėtis – jos visavertiškumas. Turi reikšmės cheminė sudėtis – jos visavertiškumas. Turi reikšmės ir aplinkos rūgštingumas, temperatūra, išskirto alkoholio kiekis, pašaliniai mikroorganizmai.

Mielės geriausiai
cukraus koncetracija 10-15%. Didesnė augimą stabdo arba slopina 30-35% cukraus koncetracija paprastai beveik visai sustabdo jų veiklą, nors gamtoje pasitaiko tokių rūšių mielių, kurios lėtai auga esant 60% ir didesniai cukraus koncetracijai.

Mielėms augiti reikalingas azoto šaltinis gali būti amonio druskos, karbaminas, aminorūgštys ir nedideli peptidai, t.y. jos yra aminoheterotrofai ir aminoautotrofai. Baltymų mielės neskaido (su retom išimtim), nes negamina egzogeninių proteazių.

Mielėms būtini makro – ir mikroelementai bei augimo stimuliatoriai. Augimo veiksniai gali būti pantoteno rūgštis, tiaminas, riboflavinas, folio rūgštis, biotinas ir kt. B grupės vitaminai įeina į fermantų sudėtį arba tiesiogiai veikia mielių dauginimąsi bei alkoholonio rūgimo intensyvumą. Kai kurios mielės reikia vieno ar kelių vitaminų (dažniausiai B ir H), kitos geba pačios sintetinti visus joms treikalingus vitaminus. Mielėms reikia fosfato (rūgsčiųjų fosfatų jonų pavidalo),sieros (organinės formos, sulfato pavidalo), Mg. Fosforas būtinas svarbiausių ląstelės citoplazmos dalių ir konfermantų sintezei, angliavandenilių fosforilinimui ir kartu alkoholiniam rūgimui, Mg – kaip fermentinių reakcijų aktyviklis. Mielėms reikia ir mikroelementų, o labiausiai – Zn, Fe, Cu.

Aksomicetinėmis mielėmis, kaip ir visiems mikroorganizmams, labai svarbi terpės reakcija. Nors dauguma mielių auga plačiame pH intervale – nuo 3,0 iki 8,0, optimalus pH yra nuo 3,5 iki 6,5. Sacharomertinės mielės geriausiai raugina cukrus, kai pH 4-5.

Optimali temperarūra daugumai mielių auginti 28-300C. Esant 45-500C temperatūrai, rūgimas sustoja ir mielės apmiršta. Žemoje temperatūroje alkoholis rūgimas sulėtėja, bet nesustoja, net temperatūrai nukritus žemiau nulio(iki -70C). Nors yra mielių rasių, pvz., naudojamų alaus gamyboje, kurių optimali tempetratūra yra daug žemesnė. Psichrofilinės (psichrotropinės) mielės neauga didesnėje kaip 18-200C temperatūroje.

Mielių metabolitai, išskiriami į terpę, slopina jų dauginimąsi ir alkoholinį rūgimą. Mielių fermentiniam aktyvumui yra svarbu susidariusio alkoholio kiekis: 10 % alkoholis mielių veiklą slopina, 15% – stabdo. Hibridizacijos, taip pat genų inžinerijos metodais išvestos mielių rasės, kurios išlaiko 18-20 % alkoholio koncetraciją.

Daugelis medžiagų slopina mielių dauginimąsi. Esant 0,5% sieros ar 1% acto rūgšties koncetracijai, per 1-2 h mielių ląstelės gali žūti. Joms kenksminga 1% pieno rūgšties koncetracija. Kai CO yra iki 0,2%, ląsteles pumpuruoja lėčiau, o didelė CO koncetracija sustabdo ir gebėjimą rauginti.

Alkoholonios rūgimas plačiai naudojamas etanolio (spirito), vyno, alaus, duonos gamyboje, kartu pienrūgščiu rūgimu – įvairiausių rūgščių pieno produktų (kefyro, kumiso) gamyboje taip pat rauginant vaisius ir daržoves.

Pramoniniams tikslams naudojamas kultūrinės mielių rasės, nes jos savo fiziologinėmis savybėmis geriausiai patenkina šių dienų reikalavimus. Kultūrinės rasės nuo laukinių skiriasi susilpnėjusiu gebėjimu sudaryti sporas, sintetinti vitaminus. Pvz., kultūririnės mielės sintetinėje terpėje, sudarytoje iš cukraus ir įvairių mineralinių druskų, neauga, nes joms reikia kai kurių vitaminų; laukinės mielės auga ir sintenėje terpėje, nes jos pačios sintetina sau reikalingus vitaminus. Plačiuasiai naudojamos Saccharmyces genties mielės. Pastaruoju metu Saccharmyces genčiai priskiriamos mielės, kurios:

1. vegetatyvinėje fazėje paprastai yra diploidinės (arba poliplodinės),

2. kurių konjugacija vyksta dygstant askosporoms ar tuoj joms sudygus,

3. gali susidaryti diploidinės askosporų,

4. aske sudaro nuo vienos iki keturių rutuliuko ar eilipsėįs su lygia sienele askosporų,

5. aktyviai raugina cukrus ir neasimiliuoja kaip vienintelio azoto šaltinio nitratų.

Saccharomyces genčiai priklauso įvairių rūšių mielės, kurių nomenklatūra kinta iki šiol.

Iš Saharomicetų svarbios Saccharomyces cerevisiae rūšies mielės. Šiai rūšiai priklauso dauguma mielių rasių, naudojamų spirito, vyno, alaus, duonos pramonėje.

Mielių ląstelių forma ir dydis tampa tipiniu rasės požymiu. rasės požymiu. Išaugitos 28 C temperatūroje sakyklo misijoje trijų parų kultūroje S. cerevisiae ląstelės yra sferinės, elipsės ar šiek tiek pailgos formos, išsidėsto pavieniui arba paporiui, kartais sudaro trumpas grandinėles ar smulkias kekes.

Skiriamos stambios (3,5-10,5 x 5,0-21,0 m) ir smulkios (2,5-7,0 x 11,0-19,0 m) ląstelės. Kai kurių kamieninių ląstelių būna ilgesnės ir siekia iki 30 m ar daugiau. Ryškesni mielių ląselių pokyčiai yra jų degeneracijos požymis. Sveikos mielės visada kartu su didžiosiomis ląstelėmis turi dalį mažų, kurios ir sparčiai augdamos nepasiekia dydžio, būdingo sugausiomis ląstelėmis. Ląstelės smulkėja arba, atvirksčiai, stambėja, išsipučia, pailgėja, silpnai pumpurioja, kai terpėje trūksta maisto medžiagų, augimo faktorių, susikaupia nuodingų metabolitų arba yra kitokių nuodingų medžiagų (ninritų, Ag, Hg, Cd jonų). Tokios morfologiškai pakitusios ląstelės degeneruos. Žinoma, kad meilės labiausiai pumpuruoja eksponentinėje, o alkoholį gamina – stacionarijoje augimo fazėje. Šių koloniojos yra baltos oranžiniu ar gelsvai rusvu atspalviu, įprastai lygiu, kartais padengtu
taškeliais ar akelėmis gruoglėtu paviršiumi su blizgančiomis matinėmis vietomis. Kolonijų pakraštys dažniausiai lygus. Askoporų susidarymą lengva sukelti, pasėjus mieles į agarą su acetatu. Askuose susidaro paprastai nuo 1iki 4 rutuliškų elipsiškų sporų.

S.cervisiae raugina glikozę, galaktozę, maltozę ir priklausomai nuo rasių dalį rafinozės. Aerobinėmios sąlygomis naudoja tuos pačius angliavandenius. Geba pasisavinti L- sorbozę, terhalozę, L-arbabinozę, D- ribozę, glicerolį, D-manitplį ir pieno rūgštį. Nepasisavina celiuliozės, laktozės, ksilozės, D-arabinozės, L-ramnozės, krakmolo, ducitolio, ribitolio, eritolio, inozitolio, gintaro ir citrinų rūgščių.

Kaip azoto šaltinį visi S.cervisiae kamienai naudoja amoniaką ir karbaminą, o nepasisavina nitratų, nes nesugeba jų redukuoti iki amoniako, gali naudoti nemažai aminorūgsčių, tačiau lizingą, cistiną, histidiną, gliciną pasisavina sunkiai.

S.cervisiae mielių kamienai skirstomi į paviršinio (aukštutinio) ir giliojo (žemutinio) rūgimo rases. Paviršinio rūgimo masės greitai ir intensyviairaugina cukrus 20-28 C temperatūroje ir nuo susidariusio CO išplaukia į paviršių, nespumpuruojančios ląstelėslieka susijungusios trumpomis grandinėmis. Pasibaigus rūgimui, jos nusėda ant dugno puriu sluoksniu. Tai spirito, kepimo ir kai kurios alaus mielės. Jos nusėda ant dugno puriu sluoksniu. Tai spirito, kepimo ir kai kurios alaus mielės. Jos atsparios dideliai alkoholio irsausųjų medžiagų koncetracijasi. Giliojo rūgimo mielės raugia cukrus lėtai, ypač 5-10 C temperatūroje, dujos išsiskiria pamažu, putų susidaro mažiau ir mkielės nusėda standžiu sluoksniu. Tai dauguma vyno ir alauis mielių.

Pagal gebėjimą nusėsti S.cervisiae mielės skirstomos į dirbtinius sudarančias (dirbtines) ir dukių pavidalo (dukines), kurios visą rūgimo laiką skendi terpėje. Smulkialąstės mielės mažiau priaugina biomasės, greitai automatizuojasi, bet aktyviau raugina, geriau suraugina biomasės, greitai autolizuojasi, bet aktyviau raugina, geriau suraugina substratą, pagamina daugiau biacetilio ir aukštesniųjų alkoholių. Dibsninių mielių ląstelės stambesnės, sunkesnės ir geriau sudaro gėrimų puokštę. Dridsnių susidarymui turi įtakos masės, gaubiančios mielių paviršių, lipnimas ir mielių elektros krūvis.

Afrikos šalyse alkoholiniams gėrimams gaminti naudojamos sporogeninės mielės, gebančios daugintis ir skildamos – Schizosaccharomyces, pvz., S. pombe, S. Octosporus.

Maisto pramonėje mielės , neppriklausančios sacharomicetams, paprastai vadina neigiamą vaidmenį – trikdo tachnologinio proceso eigą ir asukelia žaliavų bei gatavų produktų gedimą. Tačiau ir kai kurios sacharomicetinės mielės teikia ne tik naudą, bet padaro ir nemažai žalos. Kai kurios jų rūšys sukelia maisto prodoktų gedimą, dėl jų pakinta produktų skonis ir aromatas pvz., osmofilinės mielės Saccharomyces rouxii, S. B bioprorus, S. bailii ir kt. Suraugina ilgiau laikomą, ypač ne visai subrenusį medų. Mielės sugadina vaisių sultis, naelkoholinius gėrimus, išpučia pieno produktus.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2760 žodžiai iš 9098 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.