Бактерии в сельском хозяйстве

    Возбудители молочнокислого брожения 

    Молочнокислые бактерии — группа микроаэрофильных грамположительных микрорганизмов, сбраживающих углеводы с образованием молочной кислоты как одного из основных продуктов. Традиционно, к молочнокислым бактериям относят неподвижных, неспорообразующих кокковидных или палочковидных представителей отряда Lactobacillales (например, Lactococcus lactis или Lactobacillus acidophilus). Несмотря на близкое родство, патогенные представители отряда Lactobacillales (например, пневмококки Streptococcus pneumoniae) обычно исключаются из группы молочнокислых бактерий.

    С другой стороны, дальние родственники Lactobacillales из класса актинобактерий — бифидобактерии часто рассматриваются в одной группе с молочнокислыми бактериями. Некоторых представителей аэробных спорообразующих родов Bacillus (например, B. coagulans) и Sporolactobacillus (например, S. inulinus) иногда включают в группу молочнокислых бактерий из-за сходства в метаболизме углеводов и их роли в пищевой промышленности.[ 

    Молочнокислые бактерии, как было отмечено, имеют  круглую, слегка овальную или палочковидную  форму. Диаметр коков варьируется  у отдельных видов от 0,5 до 1,5 мкм. Кокки располагаются попарно или цепочками (стрептококки) различной длины. Размеры палочковидных бактерий колеблются от 1 до 8 мкм. Клетки одиночные или отделенные в цепочки.

      Все молочно кислотные бактерии  неподвижны, не образуют спор, грамположительны, не имеют фермента каталазы, являются  факультативными анаэробными, есть микроаэрофилы. Палочковидные бактерии в большей степени, чем стрептококки, предпочитают анаэробные условия. Молочнокислые бактерии сбраживают моно- и дисахариды, однако используют не любой дисахарид. Некоторые из них не сбраживают сахарозу, другие – мальтозу, существуют не использующие лактозу. Крахмал и другие полисахариды молочнокислые бактерии не сбраживают. Некоторые, преимущественно гетероферментативные, бактерии используют пентозы и лимонную кислоту.

      Различные виды молочнокислых бактерий образуют неодинаковое количество кислоты, что обусловлено различной их кислотоустойчивостью. Преобладающие большинством гомоферментативных палочковидных бактерий продуцирует кислоты больше (до 2-3,5%), чем стрептококки (около 1%). Поэтому палочковидные молочные бактерии могут развиваться при pH4,0-3,8; кокковые формы при такой кислотности среды не развиваются. Наилучшая бродильная активность палочковидных бактерий проявляется при pH5,5-6,0. 

      Большинство молочнокислых бактерий, особенно гомоферментативные палочковидные, очень требовательны к составу питательной среды и хорошо развиваются только при наличии различных аминокислот или еще более сложных органических соединений азота. Только редкие могут усваивать соли аммония. Большинство нуждается и в витаминах (в частности, В1, В2, В6, РР, пантотеновой и фолиевой кислотах). Поэтому выращивают молочнокислые бактерии на сложных питательных средах. 

    Благодаря высокой чувствительности к отдельным  аминокислотам и витаминам молочнокислые  бактерии используют в качестве "живых реактивов" при определении содержания этих веществ в различных субстратах. 

    Молочнокислые бактерии обладают протеолитической активностью. У разных видов эта способность  проявляется в неодинаковой степени; более активны палочковидные формы. Молочнокислые бактерии легко переносят высушивание, устойчивы к СО2  и этиловому спирту; многие виды существуют при содержании в среде до 10-15% и более спирта. Некоторые молочнокислые бактерии устойчивы к NaCl, выдерживая концентрацию до 7-10%; более того, из мясных рассолов выделены солеустойчивые штаммы, размножающиеся при 20%-ной концентрации NaCl. 

    По  отношению к температуре молочнокислые  бактерии можно подразделить на мезофильные – с оптимум роста 25-35°С и термофильные - около 40-45°С. Отдельные молочнокислые бактерии холодоустойчивы и могут развиваться при относительно низких положительных температурах(5°С и ниже). При нагревании до 60-80°С они гибнут в течение 30-10 мин, но имеются и термоустойчивые формы, сохраняющиеся при нагревании до 85°С в течение нескольких минут.

    Молочнокислые мезофильные бактерии довольно хорошо переносят замораживание, при этом стрептококки более устойчивы, чем  палочковидные формы. 

    Некоторые молочнокислые бактерии образуют слизь, при их развитии жидкие субстраты становятся тягучими.

    Установлено, что проявляемые молочнокислыми бактериями антагонистические по отношению  ко многим сапрофитным и болезнетворным бактериям (возбудителем кишечных заболеваний, стафилококкам) свойства обусловлены  не только продуцированием кислот, но и выделяемыми ими специфическими антибиотическими веществами. 

    В природных условиях молочнокислые  бактерии встречаются на различных  растениях, на разлагающихся растительных остатках, на многих пищевых продуктах ( плодах, овощах, в молоке, квашеной капусте и др.). В больших количествах обнаруживаются они в желудочно-кишечном тракте животных и человека. Кишечные кокковые формы называют энтерококками, или фекальными стрептококками. 

    Кокковые  формы молочнокислых бактерий относятся  к семейству Streptococcaceae, родом Streptococcus и Pediococcus (гетероферментативные) и Leuconostos (гетероферментативные), а палочковидные формы – к семейству Lactobacillaceae, роду Lactobacillus. 

Наиболее важными  в техническом отношении представителями  гомоферментативных молочнокислых бактерий являются следующие: 

• Молочнокислый стрептококк – кокки, соединенные попарно или короткими цепочками. Это мезофиллы, при температуре 25-30°С молоко свертывается через 10-12ч. В среде накапливаются до 1% кислоты. Минимальная температура развития 10°С, максимальная – от 40 до 45°С. Некоторые расы образуют антибиотик низин.
• Близкий по свойствам к S.lactis его подвиг S.lactis, diacetilactis способен, кроме сахаров, сбраживать соли лимонной кислоты с образованием ацетона и диацетила, что обусловливает ароматичность продуктов, в которых развивается этот стрептококк.
• Сливочный стрептококк – сферические клетки, образующие длинные цепочки. Этот мезофильный стрептококк не активный кислотообразователь. Лучше растет при 25°С; минимальная температура развития 10°С, максимальная - 36-39°С. Некоторые штаммы вырабатывают антибиотик диплококцин.
• Термофильный стрептококк – длинные цепочки кокков, хорошо развивается при 40-45°С; минимальная температура роста 15°С.

Эти виды молочнокислых  стрептококков широко используются при приготовлении разнообразных кисломолочных продуктов:

• Болгарская палочка – крупные палочки (иногда зернистые), часто образующие длинные цепочки. Не сбраживают сахарозу. Термофильная бактерия, оптимальная температура развития 40-45°С, минимальная - 20°С. Это активный кислотообразователь, накапливающий в молоке 2,5-3,5% молочной кислоты. Используется при изготовлении Южной простокваши, кумыса.
• Ацидофильная палочка – термофильная бактерия температурный оптимум роста 37-40°С, минимум – около 20°С. При сквашивании в молоке накапливается до 2,2% кислоты. Некоторые способны к слизеобразованию. Используется в производстве ацидофильных кисломолочных продуктов.

(так же  ацидофильные палочки вырабатывают  антибиотические вещества, активные  в отношении возбудителей кишечных заболеваний. Из чистых культур ацидофильных бактерий изготовляют биопрепараты, применяемые в медицинской практике, а также в животноводстве для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний животных.)

• Дельбрюковская палочка – зерновая термофильная палочка, встречается поодиночке и цепочками. Не сбраживает лактозу, поэтому в молоке не развивается. Образует в субстрате до 3,5% кислоты. Применяется в производстве молочной кислоты и в хлебопекарни.
• Молочнокислая мезофильная палочка – небольшие палочки, часто сцепленные попарно или цепочкой. Температурный оптимум около 30°С. Накапливают до 1,3% кислоты. Это основной возбудитель брожения при квашении овощей и силосовании кормов.

Из гетероферментативных молочнокислых бактерий к технически важным следует отнести следующие:

• Lactobacillus brevis – палочковидные бактерии, сбраживающие сахара при квашении капусты и огурцов с образование кислот (молочной и уксусной), этилового спирта и CO2.
• Leuconostoc cremoris – удлиненные кокки одиночные, парами или короткими цепочками. При сбраживании лимонной кислоты образует диацетил. Температурный оптимум 20-25°С. Этот лейконосток вводится в закваски для ароматизации продуктов. (Некоторые виды Leuconostoc являются активными слизеобразователями. В субстратах, содержащих сахарозу, образуется много "клейкого" полисахарида декстрана; при этом субстрат приобретает густую слизистую консистенцию.)

    Нетипичное (гетероферментативное) молочнокислое  брожение осуществляют также бактерии рода Bifidobacterium, относящиеся к актиномицетам (ранее их относили к молочнокислым бактериям).они сбраживают глюкозу с образованием молочной и уксусной кислот. Это прямые или разветвленные палочки, не образующие спор, неподвижные, строгие анаэробы. (Бифидобактерии – обитатели кишечника человека и животных. Они способны продуцировать органические кислоты и антибиотические вещества и являются антагонистами гнилостной и болезнетворной кишечной микрофлоры человека.) 

    Приготовление:Для получения наилучшего роста всех видов молочнокислых микробов Омелянский рекомендует агар Коанди (Kohendy): 1 л молока кипятят 5 минут, добавляют 1,5 см3 соляной кислоты и фильтруют через холст. Полученную сыворотку слегка подщелачивают и на 1 л прибавляют 300 мг воды, 3 г желатины, 15 г пептона и 20 г агара. Смесь прогревают в автоклаве, фильтруют и стерилизуют. 

    Нахождение  в природе и организме животных 

    Молочнокислое брожение стало известно людям на заре развития цивилизации. С тех  пор им пользуются в домашних условиях и в пищевой промышленности.

    В природе молочнокислые бактерии встречаются на поверхности растений (например, на листьях, фруктах, овощах, зёрнах), в молоке, наружных и внутренних эпителиальных покровах человека, животных, птиц, рыб (например, в кишечнике, влагалище, на коже, во рту, носу и глазах). Таким образом, помимо своей роли в производстве пищи и кормов, молочнокислые бактерии играют важную роль в живой природе, сельском хозяйстве и нормальной жизнедеятельности человека. Влияние ускоренной индустриализации производства молочнокислых бактерий, основанной на небольшом числе адаптированных для заводов штаммов, на природное разнообразие этих бактерий и здоровье человека пока остаётся не изученным. 

Производство  антибиотиков. Антибиотики, выделенные из бактерий. 

    Антибиотики - это вырабатываемые микроорганизмами химические вещества, которые способны тормозить рост и вызывать гибель бактерий и других микробов. Противомикробное действие антибиотиков имеет избирательный характер: на одни организмы они действуют сильнее, на другие – слабее или вообще не действуют. Избирательно и воздействие антибиотиков и на животные клетки, вследствие чего они различаются по степени токсичности и влиянию на кровь и другие биологические жидкости. Некоторые антибиотики представляют значительный интерес для химиотерапии и могут применяться для лечения различных микробных инфекций у человека и животных.

    Отдельные антибиотики используются в качестве цитостатических (противоопухолевых) препаратов при лечении онкологических заболеваний. 

    Антибиотики не воздействуют на вирусы, и поэтому бесполезны при лечении заболеваний, вызываемых вирусами (например, грипп, гепатиты А, В, С, ветряная оспа, герпес, краснуха, корь). 

    Исторический  очерк 

    В народной медицине для обработки  ран и лечения туберкулеза  издавна применяли экстракты  лишайников. Позднее в состав мазей для обработки поверхностных ран стали включать экстракты бактерий Pseudomonas aeruginosa, хотя почему они помогают, никто не знал, и феномен антибиоза был неизвестен.  

    Однако  некоторые из первых ученых-микробиологов  сумели обнаружить и описать антибиоз (угнетение одними организмами роста других). Дело в том, что антагонистические отношения между разными микроорганизмами проявляются при их росте в смешанной культуре. До разработки методов чистого культивирования разные бактерии и плесени выращивались вместе, т.е. в оптимальных для проявления антибиоза условиях. Луи Пастер еще в 1877 описал антибиоз между бактериями почвы и патогенными бактериями – возбудителями сибирской язвы. Он даже предположил, что антибиоз может стать основой методов лечения.