Маслянокислое брожение

Рисунок

Рисунок

Маслянокислые бактерии получают энергию, сбраживая различные соединения. Моносахариды они окисляют по пути ЭМП до образования пировиноградной кислоты. Дальнейший путь превращения пирувата показан на рис. 36. Превращение пировиноградной кислоты маслянокислыми бактериями было изучено Баркером на примере Cl. kluyveri. В процесе превращения пирувата большую роль играет кофермент A (КoA), о котором более подробно будет рассказано при описании процесса сбраживания органических кислот.

Среди продуктов маслянокислого брожения содержатся органические кислоты (уксусная и масляная), спирты (этанол и бутанол), газы (водород и двуокись углерода) и другие соединения. По данным В. Н. Шапошникова с сотрудниками, маслянокислое брожение осуществляется в две фазы.

АЦЕТОНО-БУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ

Ацетоно-бутиловое брожение отличается от маслянокислого тем, что среди его конечных продуктов преобладают нейтральные соединения: спирты и ацетон. Возбудитель ацетоно-бутилового брожения—Cl. acetobutylicum. Этот организм способен сбраживать крахмал с образованием масляной и уксусной кислот, спиртов—бутилового и этилового, ацетона, газообразного водорода и углекислого газа. Брожение протекает в две четко разграниченные фазы (рис. 38). Именно на примере этих бактерий В. Н. Шапошниковым была установлена двухфазность брожения.

Рисунок

В первую фазу, как и при маслянокислом брожении, наблюдается интенсивный прирост биомассы, резко возрастает кислотность среды, в среде накапливаются уксусная и масляная кислоты. Во вторую фазу рост культуры прекращается, образуются спирты и ацетон. Образование спиртов вместо кислот—следствие приспособительного обмена микроорганизмов. Когда увеличение концентрации кислот препятствует нормальной жизнедеятельности бактерий, включаются новые ферментные системы, и вместо кислот начинают вырабатываться нейтральные продукты. Если вести процесс в присутствии мела, то образующиеся кислоты нейтрализуются и, следовательно, не мешают жизни микроорганизмов, которые при этом могут неопределенно долго продуцировать кислоты. Регулируя состав питательной среды, можно задержать процесс на любой фазе развития микробной культуры. В наиболее благоприятных условиях культивирования образуется: ацетона 6 г/л, бутанола 14 г/л, этанола 3 г/л. Такое значительное накопление ценных органических соединений в культуральной жидкости позволило приспособить ацетоно-бутиловые бактерии для промышленного получения бутанола и ацетона.

Маслянокислые бактерии способны использовать не только моносахариды, но и полисахариды. Так, возбудители ацетоно-бутилового брожения хорошо растут на сырье, богатом крахмалом. Крахмал, попадающий в почву с растительными остатками, также активно используется маслянокислыми клостридиями.

БРОЖЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Из всех полисахаридов наиболее широко распространена целлюлоза (клетчатка), на долю которой приходится до 70 % вещества растительных остатков. Анаэробное сбраживание клетчатки в природных условиях осуществляется целлюлозными бактериями, выделенными в чистую культуру и описанными В. Л. Омелянским и потому получившими название Clostrvdium omelianskii. Эти бактерии представляют собой длинные тонкие спороносные палочки. Толстая спора образуется на конце клетки, и потому микроорганизм становится похожим на барабанную палочку (рис. 39). Обычно бактерии располагаются непосредственно на волокнах клетчатки. Фермент, расщепляющий целлюлозу, в среду они не выделяют. Бактерии строго специфичны, моно- и дисахариды сбраживают плохо. Химизм сбраживания аналогичен маслянокислому брожению. Конечные продукты сбраживания клетчатки—уксусная, масляная, муравьиная и молочная кислоты, этанол, водород и двуокись углерода. В накопительных культурах часто образуется метан, но выделяется он в процессе жизнедеятельности сопутствующей микрофлоры.

Рисунок

БРОЖЕНИЕ ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗ

Второе место по распространенности среди полисахаридов занимают гемицеллюлозы, или ксиланы. На их долю приходится до 30 % вещества древесины. Они сострят в основном из пентоз, ксилозы и арабинозы. Гемицеллюлозы также могут подвергаться расщеплению по типу маслянокислого брожения. Большинство клостридиев содержит внеклеточный фермент ксилоназу, под действием которого из ксилана образуются ксилоза, ксилобиоза и более длинные остатки молекулы ксилана. Наряду с пентозами в их состав в незначительном количестве входят гексозы. Ферменты, катализирующие расщепление гемицеллюлоз, обнаруживаются у многих микроорганизмов.

БРОЖЕНИЕ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ

Растительные клетки склеиваются друг с другом с помощью особых веществ, заполняющих межклеточное пространство, так называемых пектинов. Пектины придают необходимую прочность растительным тканям. Они представляют собой сложные полисахариды, состоящие из остатков галактуроновой кислотьь При гидролизе пектинов наряду с галактуроновой кислотой образуются галактоза, арабиноза, ксилоза и другие соединения. Эти вещества могут сбраживаться по типу маслянокислого брожения бактериями, содержащими особый фермент пектиназу. Пектиновое брожение имеет место при анаэробной мочке лубоволокнистых растений: льна, конопли, кенафа, джута и др. Маслянокислые бактерии С1.

Маслянокислые бактерии всегда присутствуют в сооружениях биологической очистки сточных вод. Несмотря на то, что молекулярный кислород препятствует их жизнедеятельности, они регулярно обнаруживаются на биофильтрах и в аэротенках. По-видимому, внутри хлопьев ила и в биопленке создаются участки с низким окислительно-восстановительным потенциалом, в которых и развиваются маслянокислые бактерии. Значительное увеличение количества маслянокислых бактерий по сравнению со средним уровнем (104—105 бактерий на 1 г сухого беззольного вещества ила или биопленки) может служить показателем заиливания биофильтра или образования застойных зон в аэротенке.

МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Сбраживать углеводы могут не только маслянокислые бактерии, но и другие микроорганизмы. Для хозяйственной деятельности человека исключительно большое значение имеет молочнокислое брожение. В результате него из молочного сахара лактозы образуется молочная кислота. Молочнокислые бактерии относятся к факультативным анаэробам. Они не нуждаются в кислороде, но и не испытывают угнетения в его присутствии. Различают гомо- и гетероферментативное молочнокислое брожение.

Гомоферментативное молочнокислое брожение осуществляется молочнокислыми стрептококками (Streptococcus lactis) и палочками из рода Lactobacillus. Эти микроорганизмы широко используются для приготовления кисломолочных продуктов. Они чрезвычайно требовательны к питательным веществам. В процессах очистки природных и сточных вод существенной роли не играют.

Гетероферментативные молочнокислые бактерии наряду с молочной кислотой образуют уксусную кислоту, спирты, СО2. Кроме лактозы они способны сбраживать растительное сырье. По этой причине закваски молочнокислых бактерий используются при заготовке силоса. Образующаяся молочная кислота препятствует развитию гнилостных бактерий.

При очистке сточных вод, богатых углеводами, иногда наблюдается интенсивное развитие Leuconostoc. При этом нарушается процесс очистки, так как, во-первых, слизевые тяжи препятствуют осаждению активного ила во вторичном отстойнике и, во-вторых, образуются вещества более сложного состава, чем исходные. Меры борьбы с Leuconostoc заключаются в соблюдении режима азотного и фосфорного питания и аэрации.

ПРОПИОНОВОЕ БРОЖЕНИЕ

Пропионовое брожение по своему химизму близко гетерофермеитативиому молочнокислому брожению. Сбраживанию подвергаются различные соединения: сахара, органические кислоты, спирты. Продукты брожения—пропионовая и уксусная кислоты и углекислый газ. Брожение имеет выраженную двухфазность, причем пропионовая кислота как более восстановленная накапливается во второй фазе.

Пропионовые бактерии представляют собой неподвижные грамположительные бесспоровые палочки со слабовыраженной тенденцией к ветвлению. Они обладают богатым набором ферментов и, как следствие этого, способны изменять свой обмен веществ в зависимости от внешних условий. Пропионовые бактерии обычно ведут анаэробный образ жизни (особенно много их в рубце жвачных животных), но в то же время присутствие цитохромов и ка-талазы позволяет им существовать и в аэробных условиях.

Пропионовое брожение используется при изготовлении сыров. Уксусная и пропионовая кислоты придают сырам специфический вкус. Выделяющаяся углекислота определяет «рисунок» сыра. В последнее время пропионовые бактерии стали культивировать как продуцентов витамина B12.

Роль пропионовых бактерий в процессах очистки сточных вод не изучена.

СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ

Наряду с молочнокислым спиртовое брожение издавна используется человеком. Основной продукт спиртового брожения—этиловый спирт, в незначительных количествах образуются и другие спирты. Процесс идет по пути Эмбдена—Мейергофа до образования пировиноградной кислоты. Далее пировиноградная кислота декарбоксилируется, при этом образуются ацетальдегид и углекислый газ:

Рисунок

Ацетальдегид принимает водород от НАД·Н2, восстановившегося при окислении фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту, и превращается в этиловый спирт (см. рис. 35):

Рисунок

Основной возбудитель спиртового брожения—дрожжи рода Saccharomyces, но способностью к сбраживанию углеводов и образованию спирта обладают и другие низшие грибы и бактерии.

Дрожжи весьма разнообразны по морфологическим признакам. Они представляют собой крупные клетки овальной, круглой или вытянутой формы, неподвижные, грамположительные. Размножаются преимущественно вегетативным способом, почкованием—Saccharomycetacea и Saccharomycodaceae (почкующиеся дрожжи) или делением—Schizosaccharomycetae (делящиеся), реже с помощью спор. В отличие от бактерий споры дрожжей служат для размножения.

Отпочковавшиеся клетки дрожжей могут отделяться от материнской, и тогда культура содержит одиночные клетки, но могут образовывать и крупные скопления. Последнее особенно характерно для некоторых рас кормовых дрожжей.

Дрожжи—классический пример для демонстрации зависимости обмена веществ организма от условий окружающей среды. Это аэробные организмы, для их роста необходим кислород, поэтому при получении хлебопекарных и кормовых дрожжей применяется интенсивная аэрация. При отсутствии кислорода дрожжи переходят к брожению, и по этой причине технология производства вина, пива и спирта предусматривает соблюдение анаэробных условий. В качестве субстрата все дрожжи активно потребляют гексозы. По отношению к дисахаридам отдельные расы дрожжей значительно отличаются друг от друга. Это свойство дрожжей используется при производстве различных сортов пива. Так, применение дрожжей, не сбраживающих мальтозу, позволяет получить «бархатные» сорта пива.

Полисахариды дрожжи, как правило, не используют, но они способны сбраживать образующиеся в результате гидролиза моносахариды. При гидролизе клетчатки образуются гексозы, а при расщеплении гемицеллюлоз—пентозы. На гексозах выращивают спиртовые дрожжи. После очистки спирта и удаления дрожжей сепарированием остается отход—барда, содержащая значительные количества пентоз, ксилозы и арабинозы. В настоящее время барда используется для получения кормовых дрожжей.

Для выращивания кормовых дрожжей пригодны сточные воды многих производств. Хорошие результаты получены в экспериментах по использованию сточных вод от производства лимонной кислоты. Все более широко применяется культивирование кормовых дрожжей на отходах нефтепродуктов.

Кормовые дрожжи богаты белками и витаминами. Они находят широкое применение в звероводстве, птицеводстве и животноводстве. При производстве их одновременно решаются две задачи: получение ценного кормового продукта и снижение концентрации загрязнения в сточных водах.