Mikroorganizmų reikšmė medžiagų apykaitai
5 (100%) 1 vote

Mikroorganizmų reikšmė medžiagų apykaitai



Turinys

Įvadas………………………………………………………………………………………………………..2

1.Anglies junginių apykaita…………………………………………………………………………………….5

1) anaerobinis anglies junginių skaidymas. Rūgimas……………………………………………….5

2) Anaerobinis anglies junginių skaidymas…………………………………………………………..12

3) Gamtinių stambiamolekulių organinių medžiagų skaidymas……………………………….24

2. Azoto junginių apytaka……………………………………………………………………………………..28

1) Atmosferos azoto fiksacija……………………………………………………………………………..29

2) Azoto asimiliacija ( mobilizacija)……………………………………………………………………30.

3) Amonifikacija……………………………………………………………………………………………….30

4) Nitrifikacija…………………………………………………………………………………………………..31

5)Denitrifikacija………………………………………………………………………………………………..31

3. Mineralinių elementų apytaka…………………………………………………………………………….32

1) Sieros junginių apytaka………………………………………………………………………………….32

2) Fosforo junginių apykaita……………………………………………………………………………….33

3) Geležies junginių apykaita ………………………………………………………………………….33

Įvadas

Pagal savo vaidmenį gamtos junginių apytakos balanse visi organizmai skirstomi į tris grupes į tris: producentus (gamintojus), konsumentus (naudotojus, vartotojus) ir destruktorius (svaidytojus). Žalieji augalai, naudodami Saulės šviesą ir CO , sintetina organines medžiagas. Tai producetai. Gyvūnai yra konsumentai: jie vartoja gatavus organinius junginius savo sandaros (kūno) elementų sintezei. O gyvūnų ir augalų liekanos – organinės skaidomos iki mineralinių ( procesas – mineralizacija). Šią funkciją atlieka daugiausia mikroorganizmai. Tai destruktoriai – skaidytajai. 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, vadinamųjų 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 biotechnologinių procesų, kuriuose naudojami mikroorganizmai, taikomi maisto, lengvoje, farmacijos, mikrobiologijos pramonėje.

Tyrimo objektas: Mikroorganizmų reikšmė medžiagų apykaitai gamtoje

Tyrimo metodas: išnagrinėti mikroorganizmų reikšmę medžiagų apytaką gamtoje.

Uždaviniai:

1.Anglies junginių apykaita.

1) anaerobinis anglies junginių skaidymas. Rūgimas

2) Anaerobinis anglies junginių skaidymas.

3) gamtinių stambiamolekulių organinių medžiagų skaidymas

2. Azoto junginių apytaka

1) Atmosferos azoto fiksacija

2) Azoto asimiliacija ( mobilizacija)

3) Amonifikacija

4) Nitrifikacija

5) Denitrifikacija

3. Mineralinių elementų apytaka

1) Sieros junginių apytaka

2) Fosforo junginių apykaita

3) Geležies junginių apykaita

Anglies junginių apytaka

Visų gyvųjų Žemės organizmų tarpusavio ryšiai susiję su anglies apykaita.

Žalieji augalai fotosintezės metu ir kai kurie mikroorganizmai chemosintezės būdu iš CO ir H O sintetina angliavandenius. Juos naudoja patys augalai, gyvūnai ir mikroorganizmai . Apsirūpinti energija kvėpavimo procese angliavandeniai suskaidomi iki CO ir H O, kuris grąžinamas į atmosferą. Atmosferos ore yra per 0,03 % (tūrio) CO ir šią koncentraciją palaikyti santykiškai pastovią leidžia dinaminė 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 žaliesiems augalams ir maža dalimi – fototrofiniams mikroorganizmams. Pagrindinė sujungtos anglies masė susikaupia polimerinių angliavandenių – celiuliozės, krakmolo, pektinų–
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 aplinkos sąlygas organines medžiagas skaido aerobiniai ir anaerobiniai mikroorganizmai. Aerobiniai jas suskaido dažniausiai iki CO ir H O, ir šis procesas vadinamas visišką oksidaciją. Organinių anglies junginių skaidymas, kurį sukelia anaerobiniai mikroorganizmai, dažniausiai vadinamas rūgimu.

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

Anaerobinis anglies junginių skaidymas – rūgimas. Sudėtingų organinių medžiagų, dažniausiai angliavandenių, skaidymas anaerobinėmis sąlygomis, susidarant ATP, kada galutinio vandenilio akceptoriaus funkciją atlieka molekulės, susidarančios pradinės medžiagos skilimo metu, vadinamas rūgimu. Su ADP fosforilinimu susijusios reakcijos yra oksidacijos. Nuo oksiduotos anglies ląstelės išsivaduoja išskirdamos CO . Oksidacijos etapas yra dehidrinimas. Čia vandenilio 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, 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 baltymus.

Alkoholinis rūgimas. Angliavandenių anaerobinis skaidymas katalizuojant ( įprastai mielių) fermentams iki etanolio ir CO vadinamas alkoholiniu rūgimo metu susidaro nedidelis kiekis šalutinių, antrinių rūgimo produktų: organinių rūgščių, glicerolio, aukštesniųjų alkoholių, iš kurių beveik pusę susidaro du izoamilo alkoholiai: 3-mrtilbutanolis ir 2-metilbutamolios. Aukštesnioji alkoholiai 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, pasigaminančių mielių medžiagų apykaitos procese.

Alkoholinio rūgimo metu taip pat pasigaminama sieros junginių – vandenilio sulfidas ir rūgštusis sulfidas. Paprastasis gali būti jonų (HSO ) arba sulfido rūgšties (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 pradėta tik XIX a. viduryje. L.Pasteras 1857m, nustatė, kad alkoholinį rūgimą sukelia mielės ir kad jis vyksta anaerobinėmis 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 fermentas 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 gliukozę, arba fruktozės difosfatiniu būdu. Alkoholinį rūgimą galima suskirstyti į du etapus.

Pirmasis – indukcinis, kuris apima monosacharidų skilimo procesus, kol susidaro piruvo rūgštis (EPP būdu); jo metu kol mažai aldehido, susidaro CO bei aldehidas. Paprastasis tampa galutiniu vandenilio akceptoriumi. Veikiant fermentui alkoholdehidrogenazei, kurios kofermentas yra NAD, acetaldehidas prisijungia du vandenilio atomus ir virsta etanoliu.

Alkoholio rūgimo eigą galima pasiekti taip, kad šio rūgimo pagrindu produktu taptu glicerolis. Pridėjus į terpę rūgščiojo sulfito, acetaldehidas sujungiamas 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 akceptoriumi. Tai glicerolinė alkoholinio rūgimo forma.

Toks chemizmas ląstelei 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 amino rūgščių, galima padidinti ir aukštesniųjų alkoholių išeigą. Atitinkamai alkoholio rūgimo produktai suteikia alkoholiniams gėrimams savitą skonį ir aromatą.

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
galima etanolį kaip šalutinį produktą. Etanolio pirmtakas acetaldehidas šiuo atveju susidaro ne tiesiogiai iš piruvato, veikiant piruvatdekarboksilazei, redukuojantis acetil-CoA.

Mielių yra daug rūšių, kurios geba raugti skirtingus cukrus. Geriausiai mielės raugina heksozes. Glikolize (EMP) mielės skaido gliukozę, galaktozę, fruktozę ir manozę. Oligosacharidai pirma hidrolizuojasi atitinkamais fermentais iki heksozių. Trisacharidą rafinozę skirtingos mielės pasisavina įvairiai. Tai priklauso nuo turimų fermentų.

Vienos mielės gali visiškai surauginti rafinozę, kitos – 2/3 (lieka galaktozė), trečios – tik 1/3 (lieka melibiozė arba sacharozė). Pentozes ir aukštesniuosius alkoholius skaido pentozofosfatiniu ir EMP būdais. Alkoholiai prieš tai dehidrinami iki atitinkamų heksozių ir pentozių. Krakmolo mielės neraugia, nes neturi amilolitinių fermentų, todėl krakmolingą žaliavą reikia pirma hidrolizuoti, sucukrinti (apsalinti) veikiant įvairiomis amilazėmis.

Askomicetinės mielės yra fakultatyvūs (sąlygiškai) anaerobiniai. Aerobinėmis sąlygomis greitai persitvarko iš rūgimo į aerobinį kvėpavimą. Tuomet susidariusi iš cukringų substratų piruvo rūgštis oksiduojama trikarboksirūgščių cikle iki CO ir H O ir šis mielių sukeltas procesas 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 visiškai nuslopinti intensyvia aeracija. Antra vertus rūgimas vyksta ir aktyvios aeracijos sąlygomis, kai terpėje yra dideli gliukozės kiekiai.

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

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

Mielėms augti reikalingas azoto šaltinis gali būti amonio druskos, karbamidas, 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 fermentų sudėtį arba tiesiogiai veikia mielių dauginimąsi bei alkoholinio rūgimo intensyvumą. Kai kurios mielės reikia vieno ar kelių vitaminų (dažniausiai B ir H), kitos geba pačios sintetinti visus joms reikalingus vitaminus. Mielėms reikia fosfato (rūgščiųjų fosfatų jonų pavidalo),sieros (organinės formos, sulfato pavidalo), Mg. Fosforas būtinas svarbiausių ląstelės citoplazmos dalių ir kofermentų sintezei, angliavandenilių fosforilinimui ir kartu alkoholiniam rūgimui, Mg – kaip fermentinių reakcijų aktyvikis. Mielėms reikia ir mikroelementų, o labiausiai – Zn, Fe, Cu.

Aksomicetinėms 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. Sacharomicetinės mielės geriausiai raugina cukrus, kai pH 4-5.

Optimali temperatūra 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 -70 C). Nors yra mielių rasių, pvz., naudojamų alaus gamyboje, kurių optimali temperatūra yra daug žemesnė. Psichrofilinės (psichrotrofinės) 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 koncentraciją.

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

Alkoholinis rūgimas plačiai naudojamas etanolio (spirito), vyno, alaus, duonos gamyboje, kartu pienarūgščiu rūgimu – įvairiausių rūgščių pieno produktų (kefyro, komiso) 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., kultūrinės mielės sintetinėje terpėje, sudarytoje iš cukraus ir įvairių mineralinių druskų, neauga, nes joms reikia kai kurių vitaminų; laukinės mielės auga ir sintetinėje terpėje, nes jos pačios sintetina sau reikalingus vitaminus. Plačiausiai 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 askosporas,

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

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

Saccharmyces 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. Išaugintos 28 C temperatūroje salyklo 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 kamienų ląstelių būna ilgesnės ir siekia iki 30 m ar daugiau. Ryškesni mielių ląstelių pokyčiai yra jų degeneracijos požymis. Sveikos mielės visada kartu su didžiosiomis ląstelėmis turi dalį mažų, kurios ir sparčiai augdamos nepasiekia dydžio, būdingo suaugusiomis ląstelėmis. Ląstelės smulkėja arba, atvirkščiai, stambėja, išsipučia, pailgėja, silpnai pumpuoja, kai terpėje trūksta maisto medžiagų, augimo faktorių, susikaupia nuodingų metabolitų arba yra kitokių nuodingų medžiagų (nitritų, Ag, Hg, Cd jonų). Tokios morfologiškai pakitusios ląstelės degeneruos. Žinoma, kad meilės labiausiai pumpuruoja eksponentinėje, o alkoholį gamina – stacionariojoje augimo fazėje. Šių kolonijos yra baltos oranžiniu ar gelsvai rusvu atspalviu, įprastai lygiu, kartais padengtu taškeliais ar akelėmis gruoblėtu 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 ar elipsiškų sporų.

S.cervisiae raugina gliukozę, galaktozę, maltozę ir priklausomai nuo rasių dalį rafinozės. Aerobinėmis 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 aminorūgščių, tačiau lizingą, cistiną, histiną, gliciną pasisavina sunkiai.

S.cervisiae mielių kamienai skirstomi į paviršinio (aukštutinio) ir giliojo (žemutinio) rūgimo rases. Paviršinio rūgimo masės greitai ir intensyviai raugina cukrus 20-28 C temperatūroje ir nuo susidariusio CO išplaukia į paviršių, nes pumpuruojančios ląstelės lieka 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 ir sausųjų medžiagų koncentracijos. Giliojo rūgimo mielės raugia cukrus lėtai, ypač 5-10 C temperatūroje, dujos išsiskiria pamažu, putų susidaro mažiau ir mielės nusėda standžiu sluoksniu. Tai dauguma vyno ir alaus mielių.

Pagal gebėjimą nusėsti S.cervisiae mielės skirstomos į dirbtinius sudarančias (dirbtines) ir dulkių pavidalo (dulkines), 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 biacetilo ir aukštesniųjų alkoholių. Dribsnių mielių ląstelės stambesnės, sunkesnės ir geriau sudaro gėrimų puokštę. Dribsnių susidarymui turi įtakos masės, gaubiančios mielių paviršių, lipnumas ir mielių elektros krūvis.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2704 žodžiai iš 8919 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.