для здобувачів освітнього ступеня «Бакалавр» ЗМІСТ Вступ 1. Становлення та розвиток мікробіології. 1.1 Роль мікроорганізмів у кругообігу речовин у природі 1.2.Використання мікроорганізмів людиною 1.3. Місце мікроорганізмів серед живих організмів 1.4. Загальні властивості мікроорганізмів 2. Морфологія, розмноження і розвиток мікроорганізмів. 2.1 . Бактерії (прокаріоти) 2.1.1. Форма бактерій 2.1.2. Будова бактеріальної клітини 2.1.3. Пігменти бактерій 2.1.4. Ріст і способи розмноження бактерій 2.1.5. Спороутворення бактерій 2.1.6. Класифікація бактерій 2.2. Гриби 2.2.1. Загальна характеристика грибів 2.2.2. Будова клітини грибів 2.2.3. Способи розмноження грибів 2.2.4. Класифікація грибів 2.2.5. Дріжджі 3. Неклітинні інфекційні агенти 3.1. Будова вірусів 3.2. Життєвий цикл вірусів 3.3. Походження вірусів 3.4. Віроїди та пріони 4. Живлення та обмін речовин мікроорганізмів 4.1. Харчові потреби мікроорганізмів. 4.2. Функціонування клітини як системи 4.3. Механізми енергетичного обміну клітини 4.4. Способи живлення й механізми надходження поживних речовин 4.5. Типи живлення мікроорганізмів 4.6. Біохімічні процеси, викликувані мікроорганізмами 4.6.1. Бродіння, характеристика процесу 4.6.2. Бродіння в анаеробних умовах 4.6.3. Неповне окислення 4.6.4. Руйнування деревини 4.6.5. Розкладання жиру 4.6.6. Процеси гниття 5. Генетика мікроорганізмів 5.1. Синтез білка та генетичний код 5.2. Мутації та їх виникнення 3 5 7 7 8 11 12 13 13 13 13 17 17 18 19 20 20 21 23 24 29 32 32 33 34 36 37 37 40 41 42 42 44 44 45 52 53 53 55 57 57 61 3 5.3. Передавання ознак і генетична рекомбінація 6 Культивування і ріст. 6.1. Культивування мікроорганізмів 6.2. Способи культивування мікроорганізмів 6.2.1. Фази росту мікроорганізмів при періодичному культивуванні 6.2.2. Культури мікроорганізмів . Чисті культури мікроорганізмів 6.2.3. Методи виділення чистих культур 7. Дія зовнішніх факторів на життєдіяльність мікроорганізмів. 7.1. Фізичні фактори 7.1.1. Вологість середовища 7.1.2. Температура 7.1.3. Промениста енергія 7.1.4. Радіохвилі 7.1.5. Ультразвук 7.2. Хімічні фактори 7.2.1. Реакція середовища 7.2.2.Окисно-відновні умови середовища 7.3. Фізико-хімічні фактори 7.4. Біологічні фактори 7.4.1. Форми взаємовідносин мікроорганізмів 7.4.2. Антибіотики 7.4.3. Фітонциди або антибіотики рослинного походження 8. Патогенні мікроорганізми та харчові захворювання 8.1. Основні властивості патогенних мікроорганізмів 8.2. Харчові (кишкові) інфекції і інфекційні захворювання, викликані патогенними мікроорганізмами 8.2.1. Основні джерела інфекції 8.2.2. Характеристика інфекційного захворювання Розвиток інфекційного захворювання. 8.2.3. Види харчових інфекційних захворювань 8.3.Харчові отруєння, що викликаються мікроорганізмами 8.3.1. Токсикози 8.3.2. Токсикоінфекції 8.4. Профілактика харчових захворювань, що викликаються патогенними мікроорганізмами 9. Екологія мікроорганізмів 9.1. Санітарно-мікробіологічні дослідження об'єктів навколишнього середовища 9.2. Мікробіологія ґрунту. 9.3. Мікробіологія води 9.4. Мікробіологія повітря Список рекомендованої літератури 62 64 64 66 67 69 69 71 71 71 73 76 77 78 78 78 79 83 85 85 86 88 89 89 90 90 91 92 98 98 101 106 107 107 109 110 111 113 4 ВСТУП Метою навчальної дисципліни «Мікробіологія для харчових технологій. Модуль 1. Загальна мікробіологія є надання здобувачам знань про морфологію, систематику, фізіологію та особливості метаболізму різних груп мікроорганізмів (бактерій, мікроскопічних міцеліальних грибів та дріжджів, а також вірусів); життєдіяльність мікроорганізмів, особливості будови та функціонування живих клітин та набуття вміння встановлювати причинно-наслідкові зв’язки і робити висновки щодо цілеспрямованого використання мікроорганізмів і продуктів їхньої життєдіяльності у харчовій промисловості. Згідно з вимогами освітньо-професійної програми «Харчові технології та інженерія» здобувачі повинні набути здатності отримувати компетентності: інтегральні: Здатність особи вирішувати складні спеціалізовані задачі та практичні проблеми у певній галузі професійної діяльності або у процесі навчання, що передбачає застосування певних теорій та методів відповідних наук і характеризуються комплексністю та невизначеністю умов загальні: Знання і розуміння предметної області та професійної діяльності Здатність вчитися і оволодівати сучасними знаннями Здатність до пошуку та аналізу інформації з різних джерел Навички здійснення безпечної діяльності Прагнення до збереження навколишнього середовища фахові: Здатність організовувати та проводити контроль якості і безпечності сировини, напівфабрикатів та харчових продуктів із застосуванням сучасних методів Здатність розробляти нові та удосконалювати існуючі харчові технології на основі розуміння сутності біотехнологічних та фізико-хімічних перетворень основних компонентів продовольчої сировини впродовж технологічного процесу Здатність визначати та розв’язувати широке коло проблем і задач харчових технологій завдяки розумінню їхніх основ та проведення теоретичних і експериментальних досліджень. Програмні результати навчання: Знати і розуміти основні концепції, теоретичні та практичні проблеми в галузі харчових технологій. Виявляти творчу ініціативу та підвищувати свій професійний рівень шляхом продовження освіти та самоосвіти. 5 Проводити пошук та обробку науково-технічної інформації з різних джерел та застосовувати її для вирішення конкретних технічних і технологічних завдань. Знати наукові основи технологічних процесів харчових виробництв та закономірності фізико-хімічних, біохімічних і мікробіологічних перетворень основних компонентів продовольчої сировини під час технологічного перероблення. Використовувати знання з основ технологічних процесів харчових виробництв та закономірностей фізико-хімічних, біохімічних і мікробіологічних перетворень основних компонентів продовольчої сировини під час розробки нових та удосконалення існуючих технологій харчових продуктів. Вміти розв’язувати широке коло проблем і задач харчових технологій завдяки розумінню їхніх основ та проведення теоретичних і експериментальних досліджень. . 6 Тема 1. СТАНОВЛЕННЯ ТА РОЗВИТОК МІКРОБІОЛОГІЇ. 1.1 Роль мікроорганізмів у кругообігу речовин у природі Відомий фахівець з вивчення мікроорганізмів Бежина в одному зі своїх виступів сказала: "Якщо б яка-небудь катастрофа знищила на нашій планеті людство, поступово зникло б все, що створила людина, але природа продовжувала існувати. Всю планету заповнила би багата флора і фауна. Але якщо б катастрофа торкнулася тільки бактерій, поступово стали в'янути і відмирати рослини, а слідом за ними загинули твари7ни, включаючи і людину, і Земля перетворилася у безплідну пустелю". Видатний мікробіолог В.Л.Омеленський так описав мікрофлору навколишнього середовища: "Міріади мікробів населяють стихії і всюди оточують нас. Незримо вони супроводжують людину на всьому його життєвому шляху, владно вторгаючись у його життя то як вороги, то як друзі. У величезній кількості вони зустрічаються в їжі, яку ми приймаємо, у воді, яку п'ємо, і в повітрі, яким ми дихаємо. Навколишні нас предмети, наш одяг, поверхня нашого тіла, все це буквально кишить мікробами, серед яких зустрічаються і хвороботворні види". В біосфері немає такого середовища, в якому не зустрічалися б мікроорганізми. Всюди, де є хоча б якісь джерела енергії, вуглецю і азоту, обов'язково зустрічаються мікроорганізми, що розрізняються за своїми фізіологічними потребами і властивостями. Саме це розмаїття, в основі якого лежить здатність використовувати будь-які, навіть мінімальні можливості для свого існування, історично зумовило всюдисущість мікроорганізмів. Активна життєдіяльність міріадів мікроорганізмів, їх гігантська роль в круговороті речовин у природі мають виняткове значення для підтримки (збереження) динамічної рівноваги всієї біосфери, порушення якого призвело б до катастрофічних наслідків. Вивченням мікроорганізмів займається мікробіологія (від гр. micros - малий, bios - життя, logos - навчання) - одна з фундаментальних біологічних наук. Мікробіологія вивчає будову, життєдіяльність, біохімічну діяльність, закономірності і умови розвитку мікроорганізмів. Мікроорганізми - це дрібні живі організми, які видно тільки під мікроскопом. Розміри їх так малі, що в краплі будь-якої рідини можуть бути мільйони мікроорганізмів. Світ мікроорганізмів багатий і різноманітний. Переважна кількість їх є одноклітинними істотами, але є і багатоклітинні. Мікроорганізми беруть найактивнішу участь у кругообігу у природі вуглецю, азоту, фосфору, сірки. Мікроорганізми дуже широко поширені в ґрунті, воді і повітрі всіх кліматичних зон. У воді бактерії знайдені на глибині 2700 м півострова Шпіцберген, а біля берегів Філіппінських островів - на глибині 10462 м. Бактерії можуть розвиватися при тиску 600 атм, або 60 7 МПа (в морях), і температурі 104 °С (у гарячих джерелах). Встановлено, що в помірно кислих водах бактерії живуть при температурі понад 90°С, а в лужних витримують навіть 100 °С. Мікроорганізми (бактерії і дріжджі) виявлені в н евеликому антарктичному озері Дон Жуан, вода якого містить високу концентрацію солей (в 13 разів перевищує концентрацію морської води) і має низьку температуру: не замерзає навіть при температурі – 24 °С. Бактерії можуть розвиватися навіть в дистильованій воді. Наприклад, кількість патогенних бактерій Pseudomonas aeruginosa в дистильованій воді при 25 ° С за 24 год збільшується в 250 разів. Бактерії, дріжджі, спори грибів виявляються в повітрі. Найбільше мікроорганізмів над містами, значно менше їх над вершинами високих гір, льодовиками і морями. У грунті мешкають найрізноманітніші мікроорганізми: бактерії, водорослі і найпростіші. Наприклад, у 1 г орноїземлі знаходять від 1 до 20 млрд. клітин мікроорганізмів. За одними відомостями, 1 га землі населяють 4 т бактерій, 2...3 т грибів, водоростей і найпростіших; за іншим, оброблюваний шар ґрунту на площі 1 га містить 2...5 т мікроорганізмів. Більше всього мікроорганізмів у верхньому шарі грунту, і кількість їх залежить від багатьох факторів. Грунтові мікроорганізми розкладають залишки тварин і рослин до мінеральних речовин, тим самим заповнюючи запаси поживних речовин, необхідних для життя рослин. Безліч мікроорганізмів живе на поверхні тіла, кишечнику людини і тварин, на рослинах, на харчових продуктах і на всіх предметах навколо нас. Мікроорганізми споживають різноманітну їжу, надзвичайно легко пристосовуються до мінливих умов життя: тепла, холоду, нестачі вологи і т. п. Вони дуже швидко розмножуються. 1.2. Використання мікроорганізмів людиною Мікроорганізми широко використовуються в харчовій промисловості, домашньому господарстві, мікробіологічній промисловості для отримання амінокислот, ферментів, органічних кислот, вітамінів та ін. До класичних виробництв за участю мікроорганізмів належить виноробство, пивоваріння, приготування хліба, молочнокислих продуктів і харчового оцту. Наприклад, виноробство, пивоваріння і виробництво дріжджового тіста неможливі без використання дріжджів – широко поширених у природі. Молочнокислі бактерії беруть участь у приготуванні таких харчових продуктів, як квашена капуста, солоні огірки, мариновані маслини і безліч інших маринованих продуктів. Молочнокислі бактерії перетворюють цукор вмолочну кислоту, і попереджає псування харчових продуктів від гнильних бактерій. За допомогою молочнокислих бактерій 8 готують великий асортимент молочнокислих продуктів. Проте багато мікроорганізмів відіграють негативну роль в житті людини, вони є збудниками захворювань людини, тварин і рослин; можуть викликати псування харчових продуктів, руйнування різних матеріалів і т.п. Для боротьби з такими мікроорганізмами були відкриті антибіотики – пеніцилін, стрептоміцин, граміцидин та ін., які є продуктами метаболізму грибів, бактерій і актиноміцетів. Мікроорганізми дають людині необхідні ферменти. Так, амілазу використовують на підприємствах харчової, текстильної, паперової промисловості. Протеаза викликає розпад білків в різних матеріалах. На Сході протеазу з грибів вже застосовували декілька століть назад для приготування соєвого соусу. В даний час її використовують при виробництві миючих засобів. При консервуванні фруктових соків застосовують такий фермент, як пектинази. Мікроорганізми використовують для очищення стічних вод, переробки відходів харчової промисловості. Без знання мікробіології не можна зберегти високу якість харчових продуктів і запобігти споживання продуктів, що містять збудників харчових захворювань і отруєнь. Основні віхи історії мікробіології, пов'язані з іменами відомих натуралістів і мікробіологів. Першовідкривачем мікроорганізмів був голландець Антоні ван Левенгук(1632 -1723), який сконструював перший мікроскоп у 1676 р. А. Левенгук вперше побачив в прозорій краплі води багато бактерій, яких він назвав"маленькими звірятками". У 1695 р. він видав книгу "Таємниці природи,відкриті Антоні ван Левенгука". Накопичення знань про мікроорганізми тривало досить довго, близько 100 років, так як було вкрай важко їх вивчати. Цей період прийнято називати описовим (морфологічним). Початок нового етапу мікробіології, названого фізіологічним, пов'язане зім'ям французького мікробіолога Л.Пастера (1822 -1895), який вперше показав величезну роль мікроорганізмів як збудників різноманітних біохімічних перетворень і захворювань людини. Перший період наукової діяльності Л. Пастера пов'язаний з вивченням різних видів бродіння. Л. Пастер встановив, що кожен вид бродіння має своїхзбудників, які живуть без повітря. Було відкрито явище анаеробіоза, що мало велике значення для створення теорії бродіння. Л. Пастер довів, що мікроорганізми викликають хвороби вина і пива, гниття і розпад сечовини. Другий період наукової діяльності Л. Пастера був присвячений вивченню збудників захворювань і знаменується тим, що у цей час ним були відкриті збудники таких захворювань, як сибірська виразка і сказ. Проти сказу він створив вакцину. Одним з основоположників сучасної бактеріології, німецький мікробіолог Р.Кох (1843 – 1910), довів бактеріальну природу сибірської 9 виразки. Р. Кох сфотографував бацили сибірської виразки і став засновником мікробіологічної фотографії. Ним був відкритий і вивчений збудник такого захворювання, як туберкульоз – Mycobacterium tuberculosis, який у його честьназвано паличкою Коха. Патріархом українських мікробіологів був І.І.Мечников (1845 – 1916). З 1886 р. очолював першу пастерівську станцію в Одесі, де разом з М.Ф. Гамалією організовував щеплення проти сказу, інших інфекційних хвороб, вивчав біологічні методи боротьби з шкідниками сільського господарства. У результаті багатосторонніх і багаторічних досліджень І.І.Мечников створив фагоцитарну теорію імунітету, тобто несприйнятливість людини до повторного зараження після перенесенного інфекційного захворювання. Мечников разом з Пастером заклали основи вчення про антагонізм бактерій, яке пізніше виросло у надзвичайно важливе для практичної медицини вчення про антибіотики. З усіх мікробів-антагоністів Мечников віддавав перевагу молочнокислим бактеріям. На їх основі він запропонував три лікувальних препарати - простоквашу, йогурт і лактобацилін. Тепер такі бактерійні препарати називаються пробіотиками. Наприкінці XIX ст. мікробіолог Д. І. Івановський (1864 – 1920) відкрив вірус тютюнової мозаїки, чим поклав початок нової науки - вірусології. Через роки були відкриті віруси багатьох хвороб рослин, тварин і людини. Одним з відомих "мисливців за мікробами" в Європі та Україні був Д.С. Самойлович (1744-1805). Наукова й практична діяльність Самойловича пов'язана з вивченням збудника чуми та пошуками засобів боротьби з нею. Виключно великий вклад у розвиток загальної мікробіології вніс геніальний український вчений С.М. Виноградський (1856-1953). Його ім'я стоїть поряд з іменами Пастера, Коха, Кона. Він відкрив сірко- і залізобактерії, нітрифікуючі та азотофіксуючі мікроби, з'ясував їх роль у кругообігу речовин у природі. До славної плеяди видатних українських мікробіологів належить академік Д.К. Заболотний (1866-1929). Він вніс цінний вклад у медицину своїми дослідженнями по вивченню чуми, холери та інших інфекційних хвороб. Значний внесок у фізіологію мікроорганізмів вніс мікробіолог С. П. Костичев (1877 – 1931), який вважав, що фізіологія починається там, де вивчаються властивості мікроорганізмів як цілого складного апарату. Він досліджував хімію і біохімію спиртового бродіння вивчав і організовував виробництво лимонної кислоти з цукру грибом Aspergillus niger. Вагомий вклад у розвиток загальної, медичної, промислової та сільськогосподарської мікробіології і екології внесли грунтовні дослідження українського вчено Є.І. Квасникова, який також працював на кафедрі мікробіології нашого ЗВО. Перу української науковиці В.Й. Білай належить близько 300 10 робіт, в тому числі 16 монографій, присвячених досконалому вивченню грибів, їх токсинів, продуцентів антибіотиків та інших біологічно активних речовин. Отже, етап за етапом розвивалася мікробіологія. Чим більше мікробіологи відкривали нові види мікроорганізмів і глибше дізнавалися про їх властивості, тим більше з'являлося нових необхідних продуктів. Але поряд з цим все гостріше вставали питання псування харчових продуктів. З надр фундаментальної мікробіології виділилася харчова мікробіологія, об'єктом вивчення якої стали мікроорганізми, які використовуються для отримання харчових продуктів, так і викликають псування цих продуктів. Одним із засновників харчової мікробіології в колишньому СРСР являється Я.Я.Нікітинський (молодший) (1871 – 1941), який написав курс харчової мікробіології. Роботи Я. Я. Нікітинського і його учнів послужили основою для створення консервного виробництва та холодильного зберігання харчових продуктів. В даний час на всіх підприємствах харчової промисловості створені заводські мікробіологічні лабораторії, які суворо контролюють технологічний процес і якість готових харчових продуктів. Мікробіологічна наука в Україні знаходиться на такій стадії розвитку, що може внести великий вклад у добробут і здоров'я людей. Вона дала дивовижні відкриття в минулому, відіграє значну роль у багатьох сферах людського життя сьогодні й без сумніву буде великою наукою майбутнього. 1.3 Місце мікроорганізмів серед живих організмів. До відкриття мікроорганізмів (XVII в.) і ще довго після цього біологи підрозділялися живий світ на два царства: рослин і тварин. Відкриті в XVII ст. мікроорганізми відносили до "маленьких живих звіряток". Тільки в другій половині XIX в. німецький біолог Е.Геккель (1834–1919) виділив мікроорганізми в окреме (третє) царство Protista (протиста) (гр. protos - найпростіший), так як вони суттєво відрізняються від тварин, і від рослин. Пізніше царство Protista підрозділили на вищі і нижчі протисти, тому що було виявлено два типи клітинної організації - еукаріотний і прокаріотний (терміни запропоновані протозоологом Е. Шаттоном в 30х роках XX ст.). У прокаріотної клітини немає ядра, а є тільки одна внутрішня порожнина, утворена клітинною оболонкою. У еукаріотній клітині є ядро і вторинна порожнина, так як ядерна мембрана відмежовує ДНК від решти цитоплазми. Крім того, є ще мембрани хлоропластів, мітохондрій і інших органел. Так як прокаріотна і еукаріотна організації клітин принципово різні, було запропоновано всі клітинні організми підрозділити на прокаріоти і еукаріоти. Крім того, мікробіологія вивчає віруси, які є найбільшими молекулами і в той же час найменшими формами живої матерії. 11 Вірусологи розглядають їх як відновлюючі в організмі інформаційні макромолекули, які самі по собі організмами не є. Вперше спостерігати віруси і з'ясувати їх структуру вдалося тільки після винаходу електронного мікроскопа. Віруси займають місце між найдрібнішими бактеріальними клітинами і найбільшими органічними молекулами. 1.4. Загальні властивості мікроорганізмів Мікроорганізми - це особи, які мають малу величину та видимі тільки під мікроскопом. Так як мікроорганізми дуже малі, їх розмір вимірюється в мікрометрах: 1 міліметр (мм) = 1000 мікрометрів (мкм) = 1 000000 нанометрів (нм) = 10 000 000 ангстрем (А). Діаметр більшості бактерій не перевищує тисячної частки міліметра. Ця величина – мікрометр (мкм) - і стала "аршином " мікробіолога. Розміри дрібних ціанобактерій, дріжджів і найпростіших знаходяться в межах 10 мкм. Мікроорганізми відрізняються дуже високою гнучкістю метаболізму. Для бактерій висока здатність до адаптації (пристосування) абсолютно необхідна із-за малих розмірів. Клітину мікроорганізму можна порівняти з мікроскопічно малою фабрикою, яка одержує сировину з навколишнього середовища і робить з нього справжні дива. Маючи малу масу, мікроорганізми легко поширюються з повітряними потоками. Вони існують всюди. Тільки середовище визначає, які форми будуть в даному місці активно розмножуватися. Створюючи в пробірці селективні умови, можна з невеликої кількості землі, з харчових продуктів отримати накопичувальні культури, а з них і чисті культури більшості відомих мікроорганізмів. Велике значення мікроорганізмів у природі: вони руйнують трупи тварин, залишки коренів, стебел і листя рослин і перетворюють мертву органічну речовину в родючий ґрунтовий гумус, або перегній. Запитання для самоперевірки 1. Яка роль мікроорганізмів у кругообігу речовин у природі? 2. Яке використання мікроорганізмів людиною? 3. Які основні віхи у розвитку мікробіології? 4. Яка роль українських вчених у розвитку мікробіологічної науки 4. Які загальні властивості мікроорганізмів і їх місце в системі живихістот? 12 Тема 2 Морфологія, розмноження і розвиток мікроорганізмів. 2.1. Бактерії (прокаріоти) 2.1.1. Форма бактерій Переважна більшість відомих бактерій мають форму чи сфери (кулясті), або циліндру (паличкоподібні), або спіралі. Кулясті бактерії бувають поодинокими (коки), сполученими по дві клітини (диплококки), за чотири клітинки (тетракокки), в довгі ланцюжки (стрептококи), у пакети (сарцини), у вигляді скупчень неправильної форми (стафілококи). Паличкоподібні бактерії розрізняються за розміром відношення довжини клітини до її поперечного розміру. У коротких паличок це відношення таке мале, що їх важко відрізнити від коків. Вони підрозділяються на бактерії, що не утворюють спори і бацили – спороутворювальні бактерії. Бактерії спіральної форми характеризуються різною кількістю витків: спирілли мають від одного до декількох витків, вібріони виглядають як вигнуті палички, їх можна розглядати як повний виток. З розвитком мікроскопічної техніки та удосконаленням методів підготовки препаратів відкриті інші екзотичні форми бактерій. Деякі бактерії мають вигляд зімкнутого або розімкнутого кільця, у деяких видно клітинні вирости (простеки), кількість яких коливається від 1 до 8 і більше, виявлені бактерії незвичайної форми, схожі на кристали, і т.п.(рис.2.1). Рис. 2.1. Форми бактеріальних клітин 1 – монокок, 2 – тетракок, 3 – диплокок, 4 – стрептокок, 5 – вібріон, 6 – сарцина, 7 – стафілокок, 8 – бактерія з виростами-простеками, 9 – спірохета. 2.1.2. Будова бактеріальної клітини Бактеріальна клітина має дуже складну гетерогенну і разом з тим строго впорядковану структуру. У загальних рисах будова бактеріальної клітини не відрізняється від будови клітини вищих організмів. Клітина як універсальна одиниця життя виявилася настільки досконалою 13 формою організації живої матерії, що в процесі еволюції від одноклітинних до вищих багатоклітинних організмів вона зберегла всі основні риси своєї будови, а, отже, і функції (рис.2.2). Рис.2.2. Клітинна структура прокаріотів Форма бактеріальної клітини визначається жорсткою (ригідною) клітинною стінкою, яка надає клітині певну, спадково закріплену зовнішню форму. На клітинній стінці бактерій перебувають так звані поверхневі структури: капсула, джгутики, статеві ворсинки, вії. Під клітинною стінкою розташована цитоплазматична мембрана (ЦПМ), яка відмежовує цитоплазму клітини. Цитоплазматична мембрана разом з цитоплазмою називається протопластом. Всі шари, що розташовуються з зовнішньої сторони від цитоплазматичної мембрани, називають клітинною оболонкою. Клітинна стінка. У прокаріот клітинна стінка складається з пептидоглікана, якого немає в еукаріотних клітинах. Залежно від будови клітинної стінки прокаріоти підрозділяються на дві групи: грампозитивні і грамнегативні. Такий підрозділ заснований на різниці в способі забарвлення, запропонованому в 1884 р. датським вченим X. Грамом. Клітинні стінки грампозитивних і грамнегативних прокаріот різко розрізняються як за хімічним складом, так і за ультраструктурою (рис.2.3). Рис.2.3. Структура клітинної стінки грам позитивних і грам негативних бактерій 14 У клітинній стінці грампозитивних бактерій міститься 50...90 % пептидоглікана, грамнегативних бактерій - 1...10 % пептидоглікана. Крім пептидоглікана в клітинній стінці грампозитивних прокаріот містяться унікальні хімічні з'єднання - тейхоєві кислоти. На частку клітинної стінки прокаріот доводиться від 5 до 50 % сухих речовин клітини. Клітинна стінка прокаріот виконує різноманітні функції: механічно захищає клітини від впливів навколишнього середовища, забезпечує підтримку її зовнішньої форми, дає можливість клітині існувати в гіпотонічних розчинах. Поверхневі структури. У бактерій зовні клітинної стінки є капсула – слизисте утворення, обволікаюче клітину, що зберігає зв'язок з клітинною стінкою і має аморфну будову. Залежно від товщини капсули бувають мікрокапсули (товщина менше 0,2 мкм) і макрокапсули (товщина більше 0,2 мкм). Капсули захищають клітини від механічних ушкоджень, висихання, створюють додатковий осмотичний бар'єр, є перешкодою для проникнення фагів. Слиз допомагає прикріпленню до різних клітин на поверхнях. В даний час здатність деяких бактерій синтезувати капсули (своєрідні позаклітинні полімери) використовують на практиці для одержання синтетичних плівок. Багато бактерій нерухомі, а якщо вони здатні рухатися, то цей рух забезпечується джгутиками – структурами, розміщеними на поверхні клітини. Кількість, розміри і розміщення джгутиків, як правило, являються постійною ознакою для даного виду, і мають таксономічне значення (рис.2.4). Без джгутиків здатні пересуватися тільки ковзаючи бактерії і спірохети. Рис.2.4. Типи розташування джгутиків: А – монотрихи, В – лофотрихи, С – амфітрихи, D - перитрихи Крім джгутиків на клітинній стінці прокаріотної клітини можуть бути статеві ворсинки і вії у вигляді наростів різної довжини . Цитоплазматична мембрана. Під клітинною стінкою розташована цитоплазматична мембрана, яка є обов'язковим структурним елементом будь- якої клітини, порушення цілісності якого призводить до втрати клітиною життєздатності. На частку ЦПМ доводиться 8... 15 % сухої 15 речовини клітини (рис.2.5). Рис.2.5. Структура цитоплазматичної мембрани ЦПМ - це білково-ліпідний комплекс і невелика кількість вуглеводів. ЦПМ виконує різноманітні функції за допомогою спеціальних переносників, званих транслоказами. Через мембрану здійснюється спеціальне перенесення різних органічних і неорганічних молекул і іонів. У ЦПМ локалізовано багато ферментів. ЦПМ є основним бар'єром, що забезпечує вибіркове надходження в клітину і вихід з неї різноманітних речовин і іонів. Цитоплазма. Вміст клітини, оточений ЦПМ, називається цитоплазмою. Цитоплазма має гомогенну консистенцію і містить набір розчинних РНК, ферментів, продуктів і субстратів метаболічних реакцій. В цитоплазмі розташовані різноманітні структури: рибосоми, генетичний апарат (ДНК) і включення різної хімічної природи і функціонального призначення. Рибосоми – рибонуклеопротеїдні частинки розміром 15...20 нм. Їх кількість в клітині залежить від інтенсивності процесу синтезу білка. Синтез білка здійснюється агрегатами, що складаються з рибосом, молекул інформаційних і транспортних РНК, що називають полірибосомами. Генетичний апарат прокаріотної клітини представлений однієї молекулою ДНК, що має форму ковалентно замкнутого кільця і отримала назву бактеріальної хромосоми. Довжина молекули ДНК в розгорнутому вигляді може становити більше 1 мм, тобто майже в 1000 разів перевищувати довжину бактеріальної клітини. Генетичний апарат прокаріотної клітининазивають нуклеоїдом. В цитоплазмі прокаріот розташовані різні включення, частина яких виконує функцію запасних поживних речовин, представлених полісахаридами, ліпідами, поліпептидами, поліфосфатами, відкладеннями сірки. Полісахариди - це глікоген, крохмаль, гранулеза (крохмалоподібна речовина). Частіше зустрічаються у представників анаеробних спорових бактерій групи клостридіїв. У несприятливих умовах вони використовуються в якості джерел вуглецю і енергії. Ліпіди накопичуються в вигляді гранул, що складаються з полімеру 16 оксимасляної кислоти. У деяких прокаріот, що окисляють вуглеводні, полі-β-оксимасляна кислота становить до 70 % сухої речовини клітини. Ліпіди служать для клітини гарним джерелом вуглецю і енергії. Поліфосфати, також накопичуються у вигляді гранул, називаються волютиновими і використовуються клітинами як джерело фосфору. Для бактерій, які здійснюють хемосинтез за рахунок окиснення сірководню, характерно накопичення в клітинах молекулярної сірки. Всі накопичені (запасні) речовини, представлені у вигляді високомолекулярних полімерних молекул, відмежовані від цитоплазми білковою мембраною. 2.1.3. Пігменти бактерій Колонії багатьох бактерій яскраво пофарбовані. Здатність до синтезу пігментів обумовлена генетично. Серед пігментів бактерій зустрічаються каротиноїди, феназинові барвники, пірроли, азахінони, антоціани та ін. Пігменти захищають клітини від світлового пошкодження і використовують світло для фотосинтезу. У багатьох мікроорганізмів утворення пігменту йде тільки на світлі. Наприклад, яскраво-червона забарвленння колоній у Serratia marcescens обумовлено присутністю пігмента продигіозина. Бактерії Pseudomonas indigofem, Corynebacterium insidiosum, Arthrobacter atrocyaneus та ін. синтезують індігоідин – нерозчинний у воді синій пігмент, що виділяється в середовище. Всі пігменти відносяться до вторинних метаболітів, тобто вони не належать до тих сполук, які є у всіх організмів, і є похідними звичайних метаболітів або структурних компонентів клітини. Деякі пігменти володіють антибіотичними властивостями, так що багато пігментованих мікроорганізмів є продуцентами антибиотиків. 2.1.4. Ріст і способи розмноження бактерій Ріст прокаріотної клітини – це узгоджене збільшення кількості всіх хімічних компонентів, з яких вона побудована. Ріст є результатом багатьох скоординованих процесів біосинтезу, які перебувають під суворим регуляторним контролем, і призводить до збільшення маси і розмірів клітини. Ріст клітини не безмежний. Після досягнення визначених (критичних розмірів) клітина піддається поділу. Для більшості прокаріот характерний бінарний поперечний поділ, що приводить до утворення двох однакових дочірніх клітин. У більшості грампозитивних бактерій поділ відбувається шляхом синтезу поперечної перетинки, що йде від периферії до центру. Поперечна перетинка формується з ЦПМ і пептидогліканового шару. Зовнішні шари синтезуються пізніше. Клітини більшості грамнегативних бактерій діляться шляхом перетяжки. Поділ прокаріотної клітини починається, як правило, через деякий час після завершення циклу поділу ДНК. 17 2.1.5. Спороутворення бактерій Вегетативні клітини багатьох прокаріот для перенесення несприятливих умов утворюють спеціальні клітини (ендоспори), що володіють підвищеною стійкістю. В основі морфологічного диференціювання лежать біохімічні процеси, запрограмовані відповідною генетичною інформацією. Утворення ендоспор відбувається тільки у прокаріот. Ендоспора формується всередині материнської клітини, характеризується специфічними структурами: багатошаровими білковими оболонками, зовнішньою і внутрішньою мембранами, кортексом. Ендоспори стійкі до підвищених температур, до радіації, на відміну від вегетативних клітин. До спорооутворюючих бактерій належить велика кількість прокаріот, серед яких є паличкоподібні, сферичні, спірілли і нитчасті організми. Всі вони мають клітинну стінку, характерну для грампозитивних прокаріот. У кожної бактеріальної клітини утворюється, як правило, одна ендоспора. Краще всього процес спорооутворення вивчений у представників родів Bacillus і Clostridium. Перед спороутворенням відбувається поділ ДНК вегетативної клітини. Ендоспори прокаріот характеризуються дуже низьким рівнем метаболізму, вони дуже стійкі до впливу факторів зовнішнього середовища: високих і низьких температур, зневоднення, літичних факторів, високої кислотності середовища, радіації, механічних впливів і т. п. Механізми стійкості ендоспор поки мало вивчені. Вважається, що ендоспорам прокаріот надають стійкість зневоднений стан цитоплазми, термостійкость спорових ферментів, наявність дипіколінової кислоти і велика кількість двовалентних катіонів. Сформовані ендоспори можуть знаходиться в життєздатному стані протягом різного часу: від декількох років до 1000 років і більше. Ендоспори не є обов'язковою стадією життєвого циклу бацил. При сприятливих умовах харчування бацили можуть необмежений час розмножуватися поділом. Утворення ендоспор починається лише тоді, коли не вистачає поживних речовин і коли в надлишку накопичуються продукти обміну. У сприятливих умовах більшість ендоспор проростає. Відсоток проростання ендоспор можна збільшити, прогрівши одні спори у воді при 60 °С протягом 5 хв, інші - при 100 °С в протягом 10 хв. Тепловий шок повинен проводитися безпосередньо перед висівом. У виробництві харчових продуктів для знищення термостійких ендоспор бактерій вдаються до дорогої стерилізації харчових продуктів. Наприклад, якщо при пастеризації (нагрівання при 80 °С протягом 10 хв) харчових продуктів вегетативні клітини спороутворювальних бактерій і всі інші бактерії гинуть, то термостійкі ендоспори витримують значно більш сильне нагрівання, а деякі спори – навіть кип'ятіння протягом 18 декількох годин. 2.1.6. Класифікація бактерій При описі нових бактерій з'явилася гостра необхідність систематизувати і порівнювати з відомими знову описувані культури. В кінці XIX-початку XX ст. з'явилися визначники бактерій, які допомагають класифікувати, ідентифікувати знову виділені бактерії за певними ознаками. Основною одиницею класифікації є штам – чиста культура ізольованої з природного субстрату бактерії. Штами об’єднуються у види (species), види – в роди (genus, у множині – genera). Подібні роди об’єднуються в триби (латинські назви закінчуються на -еае), триби – в родини (латинські назви родин закінчуються на -асеае). Родина може об’єднувати роди і без трибів, що останнім часом у класифікації бактерій спостерігається найчастіше. Родини об’єднуються в порядки (латинські назви порядків закінчуються на -ales), порядки – в класи. Класи можуть об’єднуватись у відділи. Вид бактерій описують з допомогою ознак: морфологічних, культуральних, фізіолого-біохімічних і ін. Морфологічними ознаками є форма клітини, наявність або відсутність джгутиків, капсули, здатність до спороутворення, фарбування по Граму. До культуральни ознак відносять загальний вигляд бактеріальної колонії, наявність пігменту і ін. Фізіолого-біохімічними ознаками є спосіб отримання енергії, потреби в поживних речовинах, відношення до факторів зовнішнього середовища та ін. Найсучаснішим визначником для ідентифікації бактерій є "Короткий визначник бактерій Бергі", який найбільш повно описує відомі бактерії. Згідно з Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology всі бактерії об’єднані в царство Procaryotae і поділяються на чотири відділи: I. Gracilicutes (грамнегативні еубактерії, які мають клітинну стінку); II. Firmicutes (грампозитивні еубактерії, які мають клітинну стінку); III. Tenericutes (еубактерії, які не мають клітинної стінки); IV. Mendosicutes (архебактерії). Назви відділів бактерій утворені від латинських слів: cutes – шкіра; gracilus – тонкий, стрункий; firmus – міцний; tener – м’який, ніжний; mendosus – помилковий. Відділи поділяються на класи, класи – на частини, частини – на порядки, триби, родини, роди. Для бактерій, так само як для рослин і тварин, використовується бінарна номенклатура: родова та видова назва, які записуються в латинській транскрипції. Найменування роду пишеться з великої літери, 19 виду – з малої. Видова назва, як правило, відображає якусь характерну ознаку чи властивість даного виду. Наприклад, Sarcina flava – сарцина жовта, Bacillus mycoides – грибоподібна паличка. До актиномицетів відносяться бактерії, що утворюють розгалужені нитки -міцелій. Мають різні способи розмноження. Більшість актиноміцетів розмножуються за допомогою спор, що утворюються на спорангіях, які можуть бути довгі чи короткі, прямі або зростаючі з різною кількістю завитків і розташуванням. Актиноміцети представлені двома родинами: Mycobacteriaceae і Streptomycetaccae. Більшість мікобактерій є сапрофітами, живуть в ґрунті і використовують різні органічні сполуки: білки, вуглеводи, жири, воски, парафіни. Деякі види патогенні, наприклад М. tuberculosis – збудник туберкульозу, М.leparae – збудник прокази. Представники сімейства Streptomycetaceae утворюють повітряний міцелій, розмножуються спорами, що формуються на кінцях діф, шматочками міцелію. Їх близько 500 видів. Багато стрептоміцетів синтезують антибіотики, які проявляють активність проти бактерій, грибків, водоростей, найпростіших, фагів і володіють протипухлинною дією. 2.2. Гриби 2.2.1. Загальна характеристика грибів Гриби – велика група мікроорганізмів, що включає в себе близько 100 000 видів. Гриби виділені в окреме царство, так як це древня група організмів, що існувала ще до розділення рослин і тварин. Гриби відрізняються від рослин і тварин насамперед типом харчування. Гриби не мають хлоропластів і самі не можуть синтезувати органічні речовини, а можуть лише утилізувати органічні речовини померлих організмів. На відміну від тварин гриби харчуються всмоктуванням поживних речовин з навколишнього середовища. Вони всмоктувачі, або осмотрофи. Особливості харчування поклали істотний відбиток на морфологію і фізіологію грибів. Вегетативне тіло гриба представлено міцелієм, або грибницею, складається з сильно розгалужених ниток – гіф. Така будова дозволяє грибам максимально окупувати субстрат та витягати з нього поживні речовини. Гіфи грибів бувають одноклітинними з великою кількістю ядер, що представляють одну гігантську клітину, і багатоклітиними, або септованими, тобто розділеними перегородками – септами – на окремі клітини, містять від одного до безлічі ядер . Гіфи ростуть апикально, тобто верхівкою. Осмотрофний тип харчування змушує все вегетативне тіло гриба максимально зануритися в субстрат – субстратний міцелій, а частина міцелію розташовується і на поверхні субстрату, утворюючи поверхневий, або повітряний, міцелій у вигляді пухнастих, паутино- або ватоподібних нальотів або плівок, пофарбованих у всі кольори. На повітряному міцелії зазвичай 20 утворюються органи розмноження – спори. Гриби повинні утилізувати складні органічні сполуки для отримання енергії. Ці з'єднання із-за великої молекулярної маси не можуть проникати в клітини через клітинні оболонки, тому гриби виділяють в навколишнє середовище ферменти, руйнують високомолекулярні полімери, такі, як полісахариди, нуклеїнові кислоти, білки і ін., до окремих мономерів, здатних проникнути всередину гіфи. Гриби подібно рослинам ведуть прикріплений спосіб життя, але не фотосинтезють; клітини грибів покриті полісахаридною клітинної стінкою, як у рослин, але важливим компонентом цієї стінки є хітин вуглевод, властивий тваринам. 2.2.2. Будова клітини грибів Клітина більшості грибів – це частина гіфи. У аскоміцетів і дейтероміцетів міцелій ділиться поперечними перетинками на окремі камери. Клітинна перетинка має центральну пору, через яку з однієї клітини до іншої можуть мігрувати поживні речовини, віруси і навіть ядра. Клітина грибів складається з добре вираженим клітинної стінки товщиною близько 0,2 мкм і цитоплазми з мембранними структурами. Клітинна стінка. Клітинна стінка визначає стійку форму гіфи. Вона являє собою щільну пружну полімерну структуру, що виконує опорномеханічну функцію, захищає клітини від впливу зовнішніх факторів, має вибіркову проникність для речовин різної хімічної природи. Клітинна стінка у грибів на 80... 90 % складається з полісахаридів, азотовмісних (хітин) і безазотистих сполук. У клітинній стінці також містяться білки, ліпіди, поліфосфати, нуклеїнові кислоти. Цитоплазма. Внутрішній вміст клітини становить цитоплазма – колоїдна фаза з різним ступенем в'язкості. Через цитоплазму здійснюється безпосередній зв'язок між органеллами клітини. В цитоплазмі розташовуються ядра, мембранні структури, рибосоми, лізосоми, мітохондрії, вакуолі. Ядро – основна структура будь-якого еукаріотного організму. Воно здійснює генетичну і метаболічну функції, контролюючи диференціацію клітини, синтез білка та інших з'єднань, обмінні процеси, розмноження, синтез клітинних структур de novo. Зазвичай в грибній клітині міститься не одне, а кілька ядер. Ядро грибів має чіткі межі, визначені подвійною мембраною, містить ядерце і хроматинову мережу. Ядерна мембрана має пори, через які йде перенесення макромолекул з ядра в цитоплазму. Розміри ядер знаходяться в межах 1 ...3 мкм, але у деяких грибів їх розміри досягають 20... 25 мкм. У вегетативному міцелії по мірі росту і ділення клітин переважно здійснюється мітотичний поділ ядра (усі стадії мітотичного ділення ядра добре описані цитологічно); при утворенні гамет і проростанні зиготи здійснюється мейоз. При мітотичному поділі 21 ядра йде подвоєння хромосом, утворюється диплоїдне ядро, при мейозі – зменшення хромосом і утворення гаплоїдного ядра. У міцелії грибів можуть бути одночасно ядра диплоїдні і гаплоїдні. Це так званий гетерокаріоз грибів. Мембранні структури представлені цитоплазматичною мембраною, цитоплазматичним ретикулюмом і апаратом Гольджі. Цитоплазматична мембрана виконує кілька функцій: бере участь в транспорті речовин, здійснює інші метаболічні процеси. Цитоплазматичний ретикулюм (система внутрішніх мембран, або ендоплазматична мережа) являє собою систему канальців, пухирців або цистерн. Апарат Гольджі являє собою групу дисковидних платівок з одинарною мембраною. Апарат Гольджі морфологічно пов'язаний з ядерною мембраною і іншими мембранами ендоплазматичного ретикулюма. Роль аппарату Гольджі багатогранна: це транспортна структура, а на його окремих елементах йде синтез нових мембран. Рибосоми – частинки, що складаються з РНК і білків, розташовані на внутрішній стороні канальців, пухирців або цистерни цитоплазматичного ретикулюма. На рибосомах здійснюється синтез білка. Рибосоми в основному містяться в цитоплазмі дифузно. Лізосоми, що є похідними апарату Гольджі, різноманітні за формою. Вони відшнуровуются від аппарату Гольджі у вигляді бульбашок і розподіляються по клітині, виконуючи різні функції: розщеплють білки; в них відкладаються і розщеплюються всі речовини, що підлягають видаленню з клітини. Ломасоми – утворення у вигляді бульбашок, що виникають між клітинною стінкою і цитоплазматичною мембраною в результаті відшарування мембрани від стінки. У ломасоми надходять ферменти лізису і синтезу клітинної. Мітохондрії – структури з подвійною мембраною. Зовнішня поверхня мітохондрій гладка, внутрішня утворює вгинання, які називають крістами. Крісти збільшують активну поверхню мітохондрій. На мітохондріях розташовуються багато ферментів, зокрема ферменти окисного фосфорилювання, ланцюга переносу електронів та ін. Тут відбувається біосинтез білків, вуглеводів, ліпідів. Мітохондрії мають власну ДНК, локалізовану у визначених зонах, які можна назвати мітохондріальними "нуклеотидами". Тому мітохондрії є саморепродукуючими структурами, а не виникають в клітині заново. Вакуолі – похідні або ендоплазматичного ретикулюма, або апарату Гольджі, які знаходяться в цитоплазмі. Якщо вакуолі є похідними ендоплазматичного ретикулюма, вони містять запасні поживні речовини: волютин, ліпіди, глікоген. Якщо ж вакуолі є похідними апарату Гольджі, то вони акумулюють продукти обміну, які стали токсичними. 22 2.2.3. Способи розмноження грибів Гриби мають три способи розмноження: вегетативне, бестатеве і статеве. Способи безстатевого і статевого розмножень грибів надзвичайно різноманітні і є основою для класифікації цих організмів. Вегетативне розмноження. Вегетативне розмноження – це розмноження без утворення спеціалізованих структур розмноження. Існують два шляхи вегетативного розмноження. Розмноження може відбуватися окремими ділянками міцелію, для чого шматочки міцелію переносять з одного середовища на інше. Можна також з шматочка плодового тіла стерильно вирізати шматочок і помістити на поживне середовище. Вегетативне розмноження дріжджів у відбувається шляхом брунькування клітин. Безстатеве розмноження. Безстатевим називається розмноження з утворенням спеціалізованих структур розмноження, утворенню яких не передує попереднє злиття клітин або об'єднання ядер. Безстатевий цикл у грибів зазвичай повторюється багато разів. Безстатеві спори в одних грибів утворюються в спеціальних вмістилищах (ендогенно), а в інших – відкрито (екзогенно). Безстатеві спори, що утворюються в спорангіях, називаються спорангієспорами. Вони можуть бути рухомими та нерухомими. Спорангії утворюються на спеціальних гіфах, які називаються спорангієносіями. Спорангієносій з спорангієм піднімається над субстратом. Таке розташування спорангіїв сприяє поширенню спор потоками повітря після їх вивільнення. Безстатеві спори, що утворюються екзогенно, називаються конідіями. Вони завжди нерухомі, утворюються на спеціальних гіфах – конідієносіях. Конідії і конідієносці дуже різноманітні. Наприклад, конідії бувають пофарбовані у всі кольори, варіюють в розмірах, бувають круглі, овальні, циліндричні, голкоподібні, зірчасті та ін.; мають різне число клітин – від однієї до безлічі. Перегородки в спорах можуть розташовуватися поперечно і вздовж . Статеве розмноження. Статевому розмноженню обов'язково передує злиття спеціальних клітин і подальше об'єднання або злиття ядер. Продукт злиття клітин – зигота, або зигоспора. Кінцевий результат статевого процесу - утворення спеціальних спор, за допомогою яких і здійснюється і подальше розмноження особи. До стадій статевого процесу відносяться плазмогамія, каріогамія і мейоз. Плазмогамія – злиття клітин і об'єднання двох протопластів, якіприносять два різних ядра в одну клітину. Каріогамія – злиття ядер в одне диплоїдні ядро – ядро зиготи. Мейоз – поділ диплоїдного ядра з редукцією числа хромосом івідновлення в ядрах гаплоїдного числа хромосом До базидіомицетів відносяться шапочні гриби (білий, 23 підберезник,сироїжка та ін.). 2.2.4. Класифікація грибів Нижче наведені основні класи грибів, а також основні представники цих класів, що мають значення в в харчовій промисловості. Хітридіомицети (Chitridiomycetes). У грибів цього класу міцелій розвинений слабко, вегетативне тіло являє собою одиночну, іноді позбавлену стінки клітину. Багато хітридиоміцетів є внутрішньоклітинними паразитами рослин. Найважливішим представником цього класу є гриб синхитриум (Synchytrium endobioticum) – збудник раку бульб картоплі. Рак картоплі – карантинна хвороба. Картопля, заражена раком, не підлягає реалізації. Основна міра боротьби – виведення стійких сортів картоплі, а також знезараження ґрунту. Ооміцети (Oomycets). У оомицетів міцелій добре розвинений і є неклітинним. Для цього класу грибів характерне безстатеве розмноження за допомогою зооспор з двома джгутиками. Клітинні стінки містять целюлозу і глюкани. Для сировини харчових виробництв найбільше значення мають два види грибів цього класу: фітофтора і плазмопара. Фітофтора (Phytophtora infestans) вражає бульби і бадилля картоплі. Міцелій гриба знаходиться в тканині господаря. Потрапляючи в краплю води, він проростає. Плазмопара (Plasmopara viticolа) викликає хворобу винограду – мілдью, або несправжньоборошниста роса. Гриб вражає листя, стебла, вусики, ягоди. Зараження відбувається тільки через устячка. Зигоміцети (Zygomycetes). Цей клас грибів налічує більше 500 видів. Більшість зигоміцетів має добре розвинений неклітинний міцелій. Безстатеве розмноження здійснюється переважно спорангієспорами. Статевий процес представлений гаметангіогамією. Клітинні стінки містять хітин і хітозан. До класу зигоміцетів належать чотири порядки. Для виробників харчової продукції найбільш цікавий порядок мукорових грибів (Mucorales). Мукорові гриби, кількість видів яких досягає 400, живуть сапрофітно в ґрунті, на рослинних залишках; паразитують на рослинах, грибах, тваринах і людині. Часто утворюють пухнасті плісняві нальоти білого або сірого кольору на харчових продуктах рослинного походження (хліб, варення, фруктах, овочах), розвиваються на насінні при зберіганні. Міцелій зазвичай розвивається у субстраті, пронизуючи його; на повітряних гіфах виростають спорангіїносії, що закінчуються спорангіями, в яких формуються спорангієспори. Важливими видами мукорових грибів є мукор (Мисог) і ризопус (Rhizopus). Мукор (Мисог) має великі кулясті спорангії на одиночних або гіллястих спорангієносіях. Мукорові гриби особливо характерні для 24 окультурених ґрунтів, де вони беруть участь у кругообігу речовин. Є види, які активно розкладають пектинові речовини. Деякі види використовують у Південно-Східній Азії для отримання алкогольних напоїв. Ризопус (Rhizopus) також широко поширений в природі. Для цього гриба характерні товсті повітряні гіфи – столони, що нагадують вуса у суниці. Вони перекидаються над субстратом, і в тому місці, де вони торкаються його, розвиваються бурі ризоїди, вкорінені в субстрат, а догори відходить пучок спорангієносіїв. Ризопус вражає ягоди і овочі, викликаючи "м'яку гниль" - руйнування тканин . Серед мукорових грибів є патогенні для людини і тварин. Аскоміцети (Ascomycetes). Клас аскоміцетів налічує біля 30 000 видів грибів, різноманітних як за будовою, так і за способом життя. До цього класу належать дріжджі – одиночні брунькуючі клітини, а також численні мікроскопічні гриби і гриби з великими плодовими тілами розміром від декількох сантиметрів до 10...30 см (трюфелі і ін.). У аскоміцетів міцелій, який добре розвинений, є клітинним. Клітинні стінки містять хітин і глюкани; у дріжджів – глюкани і маннани. Розмножуються аскоміцети як статевим, так і безстатевим способом. Статевий процес представлений гаметангіогамією. Спори статевого розмноження утворюються ендогенно – в сумках (асках) – замкнутих одноклітинних структурах, що містять певне число (зазвичай вісім) аскоспор. Сумки у багатьох грибів розвиваються у плодових тілах, але деякі аскоміцети не мають плодових тіл. Гриби, створюючі аскоспори в плодових тілах, називаються плодосумчатими, а гриби, які не мають плодових тіл, - голосумчатими. Найбільш відомими з аскоміцетів є часто зустрічаємі на харчових продуктах гриби аспергіли і пеніцилли. Гриби роду аспергіллус (Aspergillus) утворюють одноклітинні конідієносці, розширені у верхній частині, на якій розташовуються стеригми з ланцюжками конідій Конідії пофарбовані в різні кольори: зеленуваті, блакитнуваті, помаранчеві та ін. Конідієносій на вигляд схожий на доспілу кульбабу. Аспергіли є активними продуцентами органічних кислот: лимонної, ітаконової та ін. Використовуються вони і для отримання ряду ферментів – протеаз, амілаз та ін. Гриби роду пеніцилліум (Penicillium) утворюють багатоклітинні гілкуючі конідієносці, на кінцях яких розташовані стеригми з ланцюжками спор . Конідії пофарбовані в зелений, блакитний, сірозелений і інші кольори. Конідієносець з конідіями схожий на пензлик різної складності. Звідси і назва гриба – пеніцилліум, або кістевик. Представники родів Penicillium і Aspergillus поширені у багатьох грунтах земної кулі від Арктики до тропіків і є типовими грунтовими мешканцями. Вони можуть бути виявлені на різних субстратах 25 рослинного походження. На поверхні плодів і овочів вони розвиваються як слабкі паразити, викликаючи їх псування при зберіганні. Деякі з них викликають псування харчових продуктів, різних промислових товарів і матеріалів, паперу, творів мистецтва та ін. Деякі пеніцили використовують для отримання специфічних сирів: P. rogueforti – для сиру «Рокфор», P. camemberti – для сиру «Камамбер». Багато аспергіл і пеніцил є основними продуцентами антибіотиків – пеніциліну, цефалоспорину, гризеофульвіну, цитриніна, аспергіліна, фумігаліна та ін. Деякі аспергіли і пеніцили утворюють сильнодіючі токсини групи афлатоксинів (A. flavus), рубротоксинів (Р. rubrum, P. purpurogenum) та ін. Є серед них і патогенні види, що викликають важкі захворювання внутрішніх органів людини і тварин – аспергільози. Багато видів аскоміцетів є ксерофілами, тобто розвиваються за низької вологості. Наприклад, гриб Eurotium repens викликає пліснявіння зерна і багатьох інших харчових продуктів при вологості 13... 15 %. Цей гриб може рости і як осмофіл, тобто може розвиватися на харчових продуктах з підвищеним вмістом цукру (до 20 % і більше), часто утворюючи цвіль на джемах і вареннях. З паразитичних аскоміцетів найбільш відомими є роди Monilia (монілія), Sclerotinia (склеротинія) і Claviceps (ріжки). Монілія (Monilia fructigena) утворює склероції в плодах, викликає плодову гниль яблук і груш. Гриб заражає плоди з пошкодженою шкіркою. На уражених плодах утворюються плями відмерлої тканини, а на них концентричними колами розвиваються подушечки конідіального спороношення гриба. Заражені плоди обпадають з дерева і служать джерелом зараження. Плоди, що залишилися на дереві, перетворюються у склероції, які зимують, а навесні з них знову розвивається гриб з конідіальним спороношенням. Склеротинія (Sclerotinia sclerotiorurri) викликає білу гниль різних коренеплодів при зберіганні. Для склеротинії характерною ознакою є утворення склероціїв на поверхні повітряного міцелію, що є обов'язковою стадією у циклі розвитку. На поверхні корнеплодів (морква, буряк та ін.) утворюється білий пухнастий міцелій. Конідіальне спороношення у склеротинії відсутнє. Ріжки (Claviceps purpurea) є паразитом злакових культур. Гриб утворює темні тверді склероції в зав'язі рослини-господаря у вигляді темно-фіолетового ріжка Після зимівлі з склероція виростають червонопомаранчеві ніжки з округлими голівками нагорі. Склероції містять токсичні для людини і теплокровних тварин алкалоїди, які, потрапивши в борошно або корм, стають причиною важких захворювань людей і сільськогосподарських тварин, часто зі смертельним результатом. До аскоміцетів відносяться найбільш вишукані гриби – трюфелі. Трюфелеві (Tuberales) гриби мають замкнуті в зрілому стані плодові тіла клубневидної форми діаметром від 1 до 10 см з щільною шкірястою 26 поверхнею. Сумки з аскоспорами розташовуються в плодових тілах, які звільняються пассивно після руйнування плодового тіла. Найбільш цінним представником є чорний французький трюфель (Tuber melanogporum), утворює мікоризу з дубом, буком і грабом. Даний вид поширений на півдні Франції В деяких районах Європи зустрічається інший вид – літній трюфель (Tuber aestivum). М'якоть цього трюфеля жовтувато-біла. Гриб їстівний, але поступається за якістю чорному французькому трюфелю. Базидіоміцети (Basidiomycetes). Цей великий клас грибів налічує більше 30000 видів різноманітної будови і розмірів. Основною особливістю грибів цього класу є наявність спеціального органу – базидії, що розвивається в результаті статевого процесу і є його кінцевим етапом. На базидії, яка є репродуктивним органом, утворюються базидіоспори, за допомогою яких відбувається подальше розмноження особи. Іншою особливістю базидіальних грибів є своєрідна будова септ міцелію, що має добре розвинені септовані гіфи. До складу клітинної стінки входять комплекси хітин-ксилан і хітин-фруктозан. До базидіоміицетів відносяться такі добре відомі всім гриби, як білий, підберезник і т.д. Плодові тіла мають найрізноманітнішу форму і розміри: від мікроскопічних до 50 см. Представники цього класу поширені по всій земній кулі: одні (їх більшість) ростуть в лісах, на відкритих лугах, галявинах, навіть у містах; інші утворюють мікоризу з деревними породами; треті відомі як руйнівники деревини і рослинного опаду. Багато грибів цього класу є їстівними. Наприклад, спеціально культивуються Agaricus bisporus (шампіньйон), Pleurotus ostreatus (глива); в країнах Південно-Східної Азії більше 2000 років вирощують гриб сіїтаке (Lentinus edodes) та ін. Целлюлозоруйнуючі трутовики, розкладають целюлозу В результаті деревина стає крихкою, ламкою, утворюючи шматки темного кольору. Деревину заражають базидіоспори, міцелій гриба розвивається всередині дерева, а на його поверхні утворюються плодові тіла. У деяких грибів плодові тіла можуть рости до 80 років. Деякі трутовики відомі під назвою будинкових грибів. Їз них найбільш поширений домовий гриб Serpula lacrymans, що руйнує деревину в будівлях. Цей гриб є сапротрофом, споживає целюлозу клітин деревини, викликаючи гниття дерев’яних конструкцій різних споруд. Міцелій, має вигляд довгих шнурів і плівок, швидко поширюється в деревині і на її поверхні. Підвищена вологість сприяє швидкому розповсюдженню гриба. Дейтероміцети, або недосконалі гриби (Deuteromycetes). До цього класу належать гриби з добре розвиненим клітинним міцелієм, що не мають статевого розмноження. Розвиток деяких недосконалих грибів відповідає конідіальной стадії аскоміцетів, рідше базидіоміцетів. Дейтероміцети являють собою гетерогенний за походженням клас, який 27 ще називають формальним класом. Це один з найбільших класів грибів, що включає в себе близько 30 % всіх відомих видів. Спори безстатевого розмноження – конідії – утворюються безпосередньо на гаплоїдному міцелії на багатоклітинних, рідше одноклітинних конідієносіях, що представляють собою гілки міцелію, що зазвичай піднімаються над ним. Конідії різноманітні за формою, вони можуть бути одноклітинними, з різною кількістю перетинок. Зазвичай розповсюджуються повітряними течіями. У повітрі завжди можна виявити спори таких дейтеромицетів, як альтернарія (Alternaria), кладоспоріум (Cladosporium) і багатьох інших. Дейтероміцети широко поширені в природі у всіх регіонах земної кулі. Багато мешкають в ґрунті, удосталь на рослинних залишках, рідше на субстратах тваринного походження. Вони беруть активну участь у розкладанні органічних залишків, деякі викликають пліснявіння харчових продуктів і псування різних промислових виробів. Численна группа дейтеромицетів паразитує на вищих рослинах і викликає в'янення бавовнику та інших культур, різні гнилі харчових продуктів (Botrytis, Fusarium та ін.). Деякі дейтеромыцети викликають захворювання у тварин і людини (дерматофіти). Розвиваючись на зерні та інших продуктах харчування, окремі дейтероміцети, наприклад, представники роду Fusarium, виділяють у них токсини, які можуть викликати важкі отруєння при використання таких продуктів людиною або при годуванні ними тварин. Багато дейтеромицетів є продуцентами антибіотиків: гризеофульвіну, фумагілліну, меріхотеціну, а також різних ферментів і органічних кислот. Найбільш поширеними збудниками псування харчових продуктів є такі дейтеромицети, як ботрітіс, фузаріум, альтернарія, кладоспоріум, оїдіум, монілія, фома. Ботрітіс (Botrytis) утворює деревовидно-розгалужені конідієносці, що несуть на їх кінцях зібрані в пучки одноклітинні конідії димчатого кольору Ботрітіс вражає яблука, груші, овочі, особливо ягоди. Поверхня плодів, овочів покривається пухнастим сірим нальотом, тканина буріє, стає водянистою, розм'якшується. Фузаріум (Fusarium) має серповидно вигнуті багатоклітинні макроконідії, що розвиваються на коротких конідієносіях, і мікроконідії, які значно дрібніші, мають округлу або еліптичну форму, одноклітинні. Колір міцелію може бути білим, біло-рожевим, жовтуватим. Захворювання плодів і овочів, викликувані фузаріумом, називаються фузаріозами. Деякі види фузаріуму утворюють мікотоксини. Альтернарія (Alternria) утворює булавовидні, темнофарбовані, багатоклітинні конідії, розташовані ланцюжками або поодиноко на коротких конідієносіях. Гриб широко поширений в ґрунті, викликає захворювання багатьох сільськогосподарських культур – альтернаріоз, 28 при якому на поверхні плодів і овочів утворюються чорні вдавлені круглі плями. Кладоспоріум (Cladosporium) утворює бластоспори, які розвиваються у вигляді здутоїв на кінцях конідіогенної клітини, потім відшнуровуються від неї перетинкою, але зберігаються в ланцюжках (процес нагадує брунькування у дріжджів), гіфи пофарбовані в темний колір. Кладоспоріум є факультативним паразитом рослин (яблук, абрикосів, персиків, слив і ін.). Кладоспоріум виявляється на харчових продуктах при холодильному зберіганні у вигляді темних (чорних) плям. Оїдіум (Oidium) утворює розгалужений білий міцелій, гіфи якого легко розділяються на оідіоспори. Один з видів цього роду Oidium lactis (молочна цвіль) розвивається у вигляді бархатистого нальоту на поверхні кисломолочних продуктів, квашених овочів, вершкового масла, сиру та інших продуктів при тривалому їх зберіганні. Оїдіум використовує молочну кислоту, білки і жири молочних продуктів. Монілія (Mоnilia) утворює на поверхні плодів жовтувато-бурі подушечки конідіального спороношення, розташовані правильними концентричними колами. Подушечки складаються з щільного сплетіння гіф, від кінців яких відходять невеликі конідієносці з розташованими на них ланцюжками конідій. Конідії бувають округлі, лимоноподібні або еліпсоїдальні. Фома (Phomа) утворює безбарвні або іноді пофарбовані конідії, які розташовуються в пікнидах у вигляді дрібних кулястих утворень. Гриб вражає багато фруктів та овочів, викликаючи захворювання – фомоз. 2.2.5. Дріжджі У класифікації грибів особливе місце займають дріжджі – одноклітинні гриби, що відносяться до класу аскоміцетів (Ascomycetes). Клітини дріжджів нерухомі, іноді утворюють так званий псевдоміцелій. Дріжджі широко поширені в природі (у ґрунті, на поверхні рослин, плодів, ягід і овочів, в самих різних субстратах, що містять цукор) і використовуються людиною з найдавніших часів в харчовій промисловості, виноробстві, пивоварінні, хлібопеченні та інших виробництвах, пов'язаних з бродінням, тобто з перетворенням цукру в етиловий спирт і діоксид вуглецю під впливом життєдіяльності дріжджів. Однак спонтанний розвиток дріжджів у харчових продуктах, що містять цукор, викликає їх псування: продукт спучується, відбувається зміна його запаху і смаку. Форма і будова дріжджової клітини. Клітини дріжджів мають найрізноманітнішу форму: округлу, овальну, овально-яйцеподібну, еліптичну, циліндричну, лимоноподібну, серпоподібну тощо. Довжина дріжджової клітини не перевищує 10...15 мкм. Дріжджі є еукаріотами, будова клітини дріжджів подібна будові клітини грибів. До складу клітинної стінки дріжджів входять геміцеллюлози (60...70% сухої маси), невеликі кількості білків, ліпідів і 29 хітин. В цитоплазмі клітини дріжджів розташовані ядро з ядерною мембраною, є ендоплазматична сітка, апарат Гольджі, лізосоми, рибосоми, мітохондрії і вакуолі з запасними поживними речовинами, які можуть бути крапельками жиру, волютина, глікогену. При розвитку на рідких середовищах клітинні стінки деяких дріжджів можуть ослизнятися і склеюватися один з одним, утворюючи осідаючі на дно пластівці. Такі дріжджі називають пластівцевидними. Дріжджі, клітинні стінки яких не ослизняются, називаються пилоподібними. Основні представники дріжджів. Систематичний розподіл дріжджів на сімейства, роди і види заснований на особливостях їх розмноження, фізіологічних, біохімічних, морфологічних і генетичних ознаках. Для харчового виробництва найбільше значення має рід сахароміцес (Saccharomyces). У цей рід входять як природні види, так і види, отримані шляхом селекції. Їх називають расами дріжджів. Вони відрізняються здатністю зброджувати різні цукри, інтенсивністю бродіння, кількістю утвореного спирту, оптимальною температурою бродіння, утворенням спор та ін. У харчовій промисловості найбільш широко використовують два види дріжджів роду Saccharomyces: S. cerevisiae і S. ellipsoideus, або S. vini. Сахароміцес церевізіа (S. cerevisiae) мають круглу або овальну форму клітини. Їх використовують для отримання етилового спирту, а також у пивоварінні, виробництві квасу, хлібопеченні. Кожне виробництво використовує свої специфічні раси дріжджів, що дають можливість отримати кінцевий продукт із заданими властивостями. Сахароміцес елліпсоїдеус (S. ellipsoideus, або S. vini) має клітини еліптичної форми. Цей вид дріжджів використовується переважно у виноробстві. Кожна марка вина виробляється з використанням специфічної раси дріжджів. Всі види дріжджів роду сахароміцес і деякі природні дріжджі при спонтанному розвитку на харчових продуктах, що містять цукор, викликаютьїх псування: бродіння і прокисання. З інших родів дріжджів найбільше значення мають два: торулопсис (Torulopsis) і кандіда (Candida), які широко поширені у природі, не здатні викликати спиртове бродіння, але викликають псування харчових продуктів, а дріжджі роду Сandida мають до того ж патогенні форми, викликають кандидози слизової оболонки порожнини рота, особливо часто у дітей. Дріжджі роду торулопсис мають клітини круглої або овальної форми. Ці дріжджі викликають лише слабке спиртове бродіння. Окремі види цих дріжджів використовують при виробництві кумису і кефіру. Дріжджі роду Сandida мають клітини витягнутої, циліндричної форми, іноді утворюють псевдоміцелій. Є види, наприклад С. albicans, які можуть окисляти цукор і етиловий спирт у органічні кислоти і є 30 шкідниками при виробництві вин, пива, пекарських дріжджів. Вони викликають також псування квашених овочів, безалкогольних напоїв і багатьох інших харчових продуктів. Деякі види дріжджів роду Candida використовувалися у тваринництві і птахівництві для виробництва кормового білка, багатого вітамінами. Для цих же цілей використовувалися пігментні (жовті, червоні, рожеві) дріжджі з роду родоторула (Rhodotorula), багаті каротиноїдами. Розмноження дріжджів. Дріжджі розмножуються, як вегетативним, так і статевим шляхом. Найбільш широко поширеним способом вегетативного розмноження є брунькування; деякі види дріжджів розмножуються бінарним діленням клітини. При брунькуванні на поверхні дріжджової клітини з'являється брунька, яка поступово збільшується в розмірах до материнської клітини. Перед брунькуванням відбувається поділ ядра клітини, одна частина якого разом з цитоплазмою і клітинними мікроструктурами переходить в молоду бруньку. По мірі росту бруньки в місці її з'єднання з материнською клітиною утворюється перетинка, відмежовуючи бруньку, яка відокремлюється, залишивши на материнській клітині шрам. Брунькуючі дріжджові клітини можуть утворювати не одну, а кілька бруньок, які теж можуть почати утворення бруньок. На поверхні рідких середовищ такі дріжджові клітини утворюють тонку плівку, що легко руйнуєтьсяся при збовтуванні рідини. Такі плівчасті дріжджі викликаютьпсування квашених овочів, вина, пива. Аскоспори – спори статевого розмноження – утворюються. Гаплоїдні брунькуючи клітини дріжджів можуть зливатися (копулювати), при цьому зливаються ядра, а потім вони редукційно діляться і утворюються чотири аскоспори. У деяких видів дріжджів число аскоспор може бути два, чотири, вісім і навіть дванадцять. Диплоїдні клітини дріжджів крупніші і фізіологічно активніші гаплоїдних. У промисловості використовують переважно диплоїдні і поліплоїдні раси. Є і аспорогенні (не утворюють спори) дріжджі, більшість яких розмножується винятково брунькуванням: Torulopsis, Cryptococcus та ін. Як було сказано вище, дріжджі відносяться до сумчастих грибів – аскоміцетів. Проте в 70-і роки XX ст. у деяких дріжджів, які вважалися "недосконалими" (рід Rhodotorula), були виявлені життєві цикли з статевими стадіями, дуже схожими з такими як у базидіоміцетів. У зв'язку з цим одні дріжджі були віднесені до базидіоміцетів (Rhodotorula), а інші – аскоміцетів (Candida). Таким чином, дріжджі – це аско- і базидиоміцети, які у вегетативній стадії розмножуються брунькуванням або діленням (що призводить до їх одноклітинного росту) і не утворюють плодових тіл. Запитання для самоперевірки 1.Які морфологічні особливості бактерій? 31 2. Які морфологічні особливості грибів? 3. Які морфологічні особливості дріжджів? 4. Які типові форми агрегатів клітин кулястих бактерій? 5. Як класифікуються бактерії за морфологічними ознаками клітин? 6. Як класифікуються бактерії за фізіолого-біохімічними ознаками? 7. Як роль актиноміцетів у природі? 8. Що таке клітинна стінка бактерій? 9. Як використовуються дріжджі у народному господарстві? 10. Яким чином проходить розмноження дріжджів? 11. Яким чином проходить розмноження грибів? 12.Яка роль рибосом та мітохондрій в еукаріотичній клітині? Тема 3. Неклітинні інфекційні агенти 3.1 Будова вірусів Віруси — це паразитичні неклітинні системи, здатні розмножуватися в живих клітинах. Вивчення вірусів було розпочато 1892 р. Д. Й. Івановським, який з’ясував, що збудник мозаїки тютюну не росте на поживних середовищах і проходить крізь бактеріальні фільтри. Характерними особливостями вірусів є наявність у них лише одного типу нуклеїнової кислоти (залежно від виду вірусу це може бути ДНК або РНК) і відсутність у них власних систем синтезу білків та перетворення енергії. Через це віруси не можуть розмножуватися самостійно і є облігатними внутрішньоклітинними паразитами. Наразі описано вже більше двох тисяч видів вірусів, які уражають представників усіх царств живої природи. Вірусами називають (від лат. virus – отрута) найдрібніші неклітинні частинки, що складаються з нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК) і білкової оболонки (капсули). Віруси не є самостійними організмами і не здатні розмножуватися поза живою клітиною господаря. Поза клітиною вірус існує у вигляді вірусної частки (віріона), яку називають ще нуклеїнокапсидом. Нуклеїнокапсид може бути "голим" або оточеним білковою оболонкою – капсидом, складається з субодиниць білка - капсомерів. Капсид найчастіше має симетричну будову. Віруси розпізнаються за наслідками свого розвитку в клітинах господаря. Вони руйнують цілі комплекси клітин і викликають ураження тканин, що веде до появи некротичних плям, або зон лізису. Віруси вражають рослини, людину, тварини і мікроорганізми. Віруси, що вражають рослини, називають фітопатогенними. Вони потрапляють всередину рослинних клітин тільки через пошкодження, а не в результаті активного впровадження. Переносниками вірусів служать комахи. Віруси, що вражають людину і тварин, викликають такі захворювання, як віспа, вітряна віспа, кір, сказ, поліомієліт (дитячий 32 параліч), грип, ящур і ін., які передаються при контакті, а також комахами. Поза клітиною-хазяїном віруси існують у формі віріонів. їх розмір дуже малий — від 20 до 400 нанометрів. Віріон — це нуклеїнова кислота, упакована в спеціальну білкову оболонку — капсид. Якщо віріони вірусу мають тільки білкову оболонку, то такий вірус відносять до простих вірусів. На відміну від них група складних вірусів має ще одну оболонку — суперкапсид, яка формується із фрагмента мембрани клітини-хазяїна. У цю мембрану вбудовуються білки та глікопротеїди самого вірусу. Кількість білків, з яких складається капсид, невелика. їх характерною властивістю є здатність до самозбирання. Морфологічні форми капсидів також не дуже різноманітні. У більшості випадків вони мають форму палички, нитки, кульки або правильного багатогранника. Проте, трапляються віруси, які мають і більш складну форму. Невеликий розмір і простота будови вірусів пов’язана з невеликою кількістю генів у їхньому геномі. Деякі віруси кодують лише один білок (віруси-сателіти, які можуть розмножуватися лише з допомогою інших вірусів), багато вірусів кодує 5-10 білків, а деякі, найбільші, віруси можуть кодувати до 200 білків. Рекордним є геном мімівіруса (паразит амеб), який містить понад 900 генів. Це навіть більше, ніж кількість генів у геномі деяких найменших клітинних організмів. Проте, як і всі інші віруси, мімівірус не має генів, які кодують рибосомальні білки. Він не здатний самостійно рости й розмножуватися поза клітиною-хазяїном та підтримувати гомеостаз. Його компоненти синтезуються окремо системами клітини-хазяїна й самозбираються в цілий вірус, що теж є характерною для вірусів ознакою. 3.2 Життєвий цикл вірусів Життя вірусу можна поділити на дві головні фази. На одній з них він існує у вигляді віріона поза клітинами живих організмів, а на другій — усередині живих клітин. У формі віріона віруси не здатні до росту й розмноження та підтримання гомеостазу. Але в цьому стані вони здатні утворювати кристали, що не є характерним для живих організмів. Головне завдання віріона — знайти потрібну клітину і проникнути до неї. Здійснюватися це може як шляхом простого механічного перенесення (наприклад, крапельний шлях передачі вірусу грипу), так і з допомогою посередників (наприклад, перенесення вірусів рослин з допомогою попелиць). Після виявлення потрібної клітини (вірус упізнає її за специфічними рецепторами, які розташовані на мембрані) вірус проникає в її цитоплазму. Це може досягатися кількома шляхами. Віруси тварин можуть маскуватися під якусь важливу макромолекулу, і клітина сама їх поглинає шляхом ендоцитозу. Віруси рослин проникають у клітини, використовуючи механічні пошкодження клітинної стінки, а потім поширюються по цитоплазматичних містках між клітинами. Деякі бактеріофаги з допомогою спеціальних структур капсида просто 33 протикають клітинну стінку й мембрану клітини і впорскують усередину свою нуклеїнову кислоту. Після потрапляння в цитоплазму вірус блокує роботу ДНК клітинихазяїна й починає керувати роботою систем клітини. Він використовує її ресурси для синтезу власних білків і нуклеїнових кислот. Із синтезованих білків і нуклеїнових кислот шляхом самозбирання утворюються нові віріони. Коли ресурси клітини закінчуються, вона гине, а віріони виходять у навколишнє середовище. Існує ще один варіант розвитку подій після потрапляння вірусу в клітину. У цьому випадку ДНК вірусу (або ДНК, синтезована з вірусної РНК з допомогою спеціального фермента зворотної транскриптази) вбудовується в ДНК клітини-хазяїна. У такому стані вона може залишатися неактивною дуже довго. Цікаво, що під час свого розмноження клітина буде відтворювати і ДНК віруса, передаючи його двом своїм дочірнім клітинам. Такий стан клітини називається носійством. Якщо організм хазяїна через якісь причини починає слабшати і зменшує активність своєї системи захисту, приховане вірусне ДНК може розпочати активну діяльність і викликати гостру фазу вірусної інфекції. 3.3. Походження вірусів Існує кілька версій походження вірусів. Згідно з однією з гіпотез, віруси утворилися шляхом спрощення бактерій, які перейшли до внутрішньоклітинного паразитизму. На користь цієї теорії свідчать особливості будови мімівірусів та інших найбільших ДНК- вмісних вірусів. Згідно з іншою точкою зору, віруси утворилися з мобільних генетичних елементів клітини-хазяїна, які набули здатності переміщатися не лише в межах одного геному, а й поза батьківською клітиною. На користь цієї теорії свідчать особливості будови вірусівсателітів і віроїдів. Віроїди є паразитами рослин. Фактично це маленькі молекули РНК, які не мають клітинної оболонки, але ведуть себе як віруси. Вони здатні викликати певні симптоми захворювання й інфікувати незаражені рослини. Цілком можливо, що різні віруси мають різне походження, і правильними є обидві гіпотези. Вірусні захворювання людини: а) ДНК-вмісні вірусні інфекції (гепатит В, простий герпес, папілома, натуральна віспа)•, б) РНК-вмісні вірусні інфекції (грип А, В і С, гепатит А, енцефаліт, кір, свинка (епідемічний паротит), краснуха, поліомієліт, сказ, СШД). • Вірусні захворювання тварин: ящур, чумка собак, чумка курей, чумка ВРХ та ін. • Вірусні захворювання рослин (у літературі їх описано близько 700): мозаїка тютюну, картоплі, буряків, капусти, смугаста мозаїка пшениці, жовтяниця цукрових буряків, строкатолистість тюльпанів, 34 готика картоплі та ін. Бактеріофаги - це віруси, що мають здатність проникати в бактеріальні клітини, репродуктіроваться в них і викликати їх лізис. Фаги широко поширені в природі - у воді, грунті, стічних водах, в кишечнику тварин, людини, птахів, в ракових пухлинах рослин. Фаг був виділений з молока, овочів. Джерелом фагів патогенних мікробів є хворі люди і тварини, бактеріоносії. Виділяються з вмістом кишечника, сечею, його виявляли в мокротинні, слині, гної, носовому секреті. Особливо велика кількість фагів виділяється в період одужання. Фаг отримують шляхом додавання в реактори з бульйонними культурами спеціального виробничого фага, який витримують добу при 37 ° С, потім фільтрують. Перевіряють на чистоту, стерильність, нешкідливість і активність (силу дії). Структура і морфологія фагів: більшість фагів складається з головки, комірця і хвостового відростка, що закінчується базальної платівкою, до якої прикріплені фібрили. Вміст головки - це ДНК (іноді РНК). Хвостовий відросток має циліндричний стрижень, оточений скорочувальним чохлом. В оболонку фаговой частинки і відросток входить білок, що складається з поліамінів: спермін, путресцин, кислоторозчинних пептид. Фаги більш стійкі в зовнішньому середовищі, ніж бактерії. Витримують тиск до 6000 атм. Стійкі до дії радіації. До 13 років не втрачають своїх літичних властивостей, перебуваючи в запаяних ампулах. Деякі речовини, наприклад, хлороформ і ферментативні отрути (ціанід) не роблять впливу на фаги, але викликають загибель бактерій. Однак фаги швидко гинуть при кип'ятінні, дії кислот, УФ-променів. Фаги мають сувору специфічність, тобто здатні паразитувати тільки в певному виді мікроорганізмів: стрептококи, стафілококи і т. д. Фаги з більш суворою специфічністю, які паразитують тільки на певних представниках даного виду, називаються типовими. Фаги, які викликають лізис мікроорганізмів близьких видів, наприклад, видів, що входять в рід збудників дизентерії (шигел), називаються полівалентними. По механізму взаємодії з клітинами фаги підрозділяються на вірулентні і помірні. Феномен бактеріофагії, що викликається вірулентними фагами, проходить в 5 фаз: 1) адсорбція - за допомогою ниток хвостового відростка; 2 ) проникнення в клітину; 3) репродукція білка і нуклеїнової кислоти всередині клітини; 4)складання і формування зрілих фагів; 5) лізис клітини, вихід фага з неї. Віруси, здатні паразитувати в бактеріальних клітинах, репродукуватися в них і викликати їхнє розчинення (лізис), дістали назву бактеріофаги, або просто фаги. Тепер ці віруси відкриті не тільки в більшості хвороботворних бактерій, але й у деяких грибів. 35 Практичне застосування фагів обумовлене їхньою строгою специфічністю. Фаги використовують для терапії і профілактики інфекційних захворювань, а також при лабораторній діагностиці для визначення виду або штаму мікроорганізмів. Препарати бактеріофага випускають у вигляді рідини й у вигляді таблеток. 3.4. Віроїди та пріони Віроїди. Назва «віроїд» була запропонована в 1971 р. Т. Дінером. Від вірусів віроїди відрізняються за такими ознаками: 1. Відсутня білкова оболонка, віроїди складаються тільки із інфекційної РНК. 2. Віроїди – найменші, здатні до розмноження частинки, які відомі у природі. Їх РНК становить тільки 300-400 нуклеотидів. 3. Віроїди – це однокільцеві РНК. 4. Молекули РНК віроїдів не кодують власних білків. З 1971 р. виявлено біля 10 видів віроїдів, які відрізняються за первинною структурою, хазяїнами, яких вони вражають, сиптомами хвороб. Вони вражають рослинні клітини. Пріони — це білок, який нагадує нормальний білок мозку, що накопичується в ураженому організмі і має властивість проникати в організм інших людей та тварин, уражаючи ЦНС. Термін «пріон» запропонував С. Прузинер від анаграми англійських слів proteinaceous infectious (particle) — білкова інфекційна (частинка). Він визначив пріон як малу білкову частинку, стійку до інфекційних впливів, що модифікують нуклеїнові кислоти. Відомо біля 12 пріонових хвороб, шість з яких спостерігають у тварин. Шість хвороб описані і в людей (Коров’ячий сказ або хвороба Крейтцфельда-Якоба, куру, синдром Альперса). Це хвороби із сповільненою дією, які часто призводять до порушень діяльності ЦНС та смерті. Природа пріонів до цього часу остаточно не з’ясована. Із вірусами їх об’єднують малі розміри, нездатність розмножуватися на штучних поживних середовищах, специфічне коло хазяїнів. Але в той час від вірусів вони відрізняються тим, що по-перше, у пріонів немає власного геному, отже, вони не можуть розглядатися, як живі істоти, по-друге, вони не провокують імунної відповіді, а по третє, є набагато стійкішими за віруси до температури, дії УФ-опромінення, іонізуючої радіаії. Запитання для самоперевірки 1. Що таке віруси і в чому полягає їх особливість? 2. В чому полягає відмінність вірусів від мікроорганізмів? 3. Що таке фаги і їх будова? 4. Які віруси є помірними і вірулентними? 5. Які основні стадії розмноження вірусу (фага)? 6. Яке практичне значення вірусів (бактеріофагів)? 7. Що таке віроїди і пріони? 36 Тема 4. Живлення та обмін речовин мікроорганізмів 4.1. Харчові потреби мікроорганізмів. Хімічний склад клітин мікроорганізмів практично не відрізняється від хімічного складу клітин інших живих істот. Основну частину маси мікробної клітини складає вода, доля якої становить 70 – 90 %, суха речовина складає 10 -30 %. Суха частка мікробної клітини на 85 – 97 % представлена органічними сполуками, 3 – 15 % сухої частки припадає на долю мінеральних речовин. Вода. Велике значення в житті мікробів відіграє вода. Всі поживні речовини можуть потрапити в клітину тільки в розчиненому до окремих молекул стані. В клітині відбувається багато різних біохімічних процесів. одні складні сполуки розкладаються, інші утворюються із більш простих сполук; вода ж є тим небхідним середовищем, в якому і можуть здійснюватися всі ці реакції, з водою виводяться також із клітини продукти обміну. Частина води в клітині знаходиться в зв'язаному стані з білками, вуглеводами та іншими речовинами і входить в клітинні структури. Інша вода знаходиться у вільному стані і служить дисперсним середовищем для колоїдів і розчинником різних органічних і мінеральних сполук, які утворюються в клітині при обміні речовин. Вміст вільної води в клітині змінюється залежно від умов зовнішнього середовища, фізіологічного стану клітини, її віку та ін. Так, у спорах бактерій і грибів значно менше води, ніж у вегетативних клітинах. Втрата вільної води призводить до висихання клітини і зміни обміну речовин. Втрата зв'язаної води призводить до порушення клітинних структур і загибелі клітини. Суха біомаса клітини – це в основному полімери. Білки. Вміст білків в клітині становить близько 50 %. У різних мікроорганізмів Вміст білків наступний (%): у бактерій 40...80, у дріжджів 40...60, грибів 15...40. Білки виконують дві основні функції: по-перше, входять до складу всіх клітинних мембран; по-друге, входять до складу ферментів – біохімічних каталізаторів, які обумовлюють, спрямовують і прискорюють майже всі хімічні реакції, що відбуваються в живій клітині. Серед білків є й такі, які вбивають життя, – токсини. Бактеріальні токсини найбільш отруйні. Деякі мікроорганізми синтезують велику кількість білків в клітині – до 80 %. Такі мікроорганізми розглядаються як можливі продуценти кормового і харчового білка. Промислове виробництво таких білків рентабельно, так як мікроорганізми швидко ростуть незалежно від пори року і погоди. В якості сировини для їх росту використовуються відходи харчової та інших галузей промисловості. Продуцентами можуть бути дріжджі, бактерії і водорості, особливо ціанобактерії. Нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК). В клітині утримується від 3 до 4 % ДНК і від 10 до 20 % РНК. В молекулі ДНК закодована спадкова 37 інформація виду. ДНК зосереджена в основному в ядрі еукаріотної клітини і в нуклеоіді прокаріотної клітини. Частина ДНК знаходиться в плазмідах. РНК зосереджена головним чином в рибосомах (до 80%), які синтезують білок, і в цитоплазмі. Ліпіди. В клітині утворюється до 10 % ліпідів. Деякі дріжджі і плісняві гриби синтезують до 40... 60 % ліпідів. Ліпіди входять до складу цитоплазматичної мембрани і до складу всіх інших мембран. Можуть перебувати в цитоплазмі у вигляді гранул. Вуглеводи. До складу мікробної клітини входять як прості, так і складні вуглеводи, їх вміст становить 12 – 28 % сухої речовини. Вуглеводи входять до складу мембран клітин мікроорганізмів, використовуються для синтезу різних сполук та як джерело енергії. Деякі вуглеводи служать будівельним матеріалом – в стінках бактеріальних клітин міститься пептидоглікан мурен, у стінках клітин деяких плісеневих грибів присутні целюлоза та хітин. У багатьох мікроорганізмів полісахариди глікоген та гранульоза містяться в цитоплазмі у вигляді включень, що виконують функцію запасних харчових речовин. Мінеральні речовини (елементи) містяться в невеликих кількостях %: сірка – 1; калій – 1; кальцій – 0,5; магній – 0,5; залізо – 0,2 і ін. Мінеральні з'єднання грають велику роль в регуляції внутрішньоклітинного осмотичного тиску і колоїдного стану цитоплазми. Вони впливають на швидкість і напрямок біохімічних реакцій, є стимуляторами росту, активаторами ферментів. І. Потреби в хімічних елементах. За кількісним внеском у будову клітини розрізняють макроі мікроелементи. Макроелементи – 10 елементів, що входять в усі організми (С, О, Н, N, S, Р, К, Са, Mg, Fe). Мікроелементи – Mn, Mo, Zn, Сu, Ni, V, В, С1 – містяться в якості домішок у солях макроелементів, надходять із пилом зі скла лабораторного посуду. Тому для виявлення потреби в мікроелементах потрібні особливі методи. Більшість елементів вносять у середовище у вигляді солей. Приклад: КН2РO4 0,3г К2НРO4 0,5г NH4Cl 1,0 г MgSO4*7H2O 0,2 г FeSO4*7H2O 0,01 г СаСl2*7Н2O 0,01 г глюкоза 10,0 г вода 1000 мл розчин з мікроелементами 1 мл 38 ІІ. Джерела вуглецю. Організми отримують енергію за допомогою фотосинтезу й шляхом окиснення неорганічних сполук, здатні використовувати СО2 у якості головного джерела вуглецю. Ці автотрофні організми відновлюють СО2. Усі інші організми використовують вуглець із органічних речовин. Органічні речовини є джерелом енергії й вуглецю, частково вони асимілюються для побудови структур клітини й частково окиснюються для одержання енергії. Із природних органічних сполук на Землі кількісно переважають полісахариди – целюлоза й крохмаль. Структурним компонентом є молекула глюкози. ІІІ. Потреби мікроорганізмів у кисні. Кисень надходить у клітину в складі води, вуглекислого газу й органічних речовин. Необхідний і молекулярний кисень. Головна функція О2 полягає в тому, що він є кінцевим акцептором електронів у дихальному ланцюзі. Стосовно молекулярного кисню бактерії можна розділити на кілька фізіологічних груп. 1) Облігатні (обов’язкові, строгі) аероби – бактерії, здатні одержувати енергію тільки шляхом дихання й тому потребують молекулярного (атмосферного) кисню для дихання (21%). До них належать сарцини, сінна паличка, туберкульозні паличка, вібріони. 2)Мікроаерофіли – бактерії, що потребують низьких концентрацій (низького парціального тиску) вільного кисню (2-5%), адже високі концентрації кисню пригнічують їхній ріст. Для створення цих умов у газову суміш для культивування звичайно додають CO2, наприклад до 10 % концентрації. Представники – молочнокислі бактерії, актиноміцети, азотфіксатори, воденьокиснюючі бактерії. 3)Факультативні анаероби (або факультативні аероби) можуть споживати глюкозу й розмножуватися, як в аеробних, так і анаеробних умовах, тобто ростуть за будь яких умов аерації. Вони можуть перемикати свій енергетичний метаболізм із аеробного дихання (за присутності О2) на бродіння або анаеробне дихання (за відсутності О2). Серед них є мікроорганізми, толерантні до відносно високих (близьких до атмосферних) концентрацій молекулярного кисню – тобто аеротолерантні. Прикладом аеротолерантих мікроорганізмів є бактерії роду Clostridium, денітрифікуючі та сульфатредукуючі бактерії, а також велика група ентеробактерій. 4)Облігатні анаероби розмножуються тільки в анаеробних умовах, тобто за відсутності кисню, який для них є шкідливим чинником. Біохімічно анаеробне дихання протікає по типу бродильних процесів, молекулярний кисень при цьому не використовується (Metanosarcina, Metanobacterium, Cl. tetani, Cl. perfringes, Cl. acetobutylicum). Залучення кисню повітря в окисно-відновні реакції 39 супроводжується утворенням перекисного радикалу (О•) – атома кисню із зайвим електроном на зовнішній оболонці. Це дуже сильний окиснювач. Залежно від того, як бактерії вирішують проблему його нейтралізації, і залежить їхня здатність існувати в кисневому середовищі. На практиці найпростішим методом визначити відношення досліджуваного виду бактерій до кисню повітря, є реєстрація характеру росту цих бактерій при засіві уколом у стовпчик напіврідкого середовища. Облігатні аероби утворений перекисний радикал за допомогою ферменту супероксиддисмутази переводять у перекис водню. Перекис водню нейтралізується з утворенням води й молекулярного кисню за допомогою, наприклад, каталази. За відсутності кисню такі бактерії не ростуть, тому що не можуть використовувати інші молекули як акцептор електронів. Мікроаерофіли ростуть при більш низькому, ніж у атмосферному повітрі, вмісту кисню. До них належать, наприклад, молочнокислі бактерії, які у великій кількості населяють кишечник людини. Облігатні анаероби позбавлені не тільки ферментів, що нейтралізують перекис водню, але й супероксиддисмутази. У результаті чого вони гинуть при найменшому контакті з атмосферним повітрям. Аеротолерантні анаероби, не маючи ферментів, що нейтралізують перекис водню, містять супероксиддисмутазу. Такі бактерії витримують короткочасний контакт із атмосферним повітрям, наприклад під час узяття патологічного матеріалу або посіву його на живильне середовище, але культивуватися можуть лише в анаеробних умовах. Однак найчастіше харчова мікробіологія має справу з факультативними анаеробами, які мають повний набір ферментів, що дозволяють їм рости й розмножуватися як за присутності, так за відсутності кисню повітря – тобто в будь-яких умовах аерації. 4.2. Функціонування клітини як системи Клітина може бути розглянута як система, що складається з чотирьох підсистем: геном клітини з хромосомою, апаратом реплікації (репликсомою) і РНК-полімеразою; рибосома – апарат синтезу білка; цитоплазма (цитозоль), яка включає в себе мережу метаболічних шляхів з обслуговуючими їхніми ферментами; мембрана з енергетичним апаратом синтезу АТФ і транспортними системами, які здійснюють взаємодію клітини з навколишнім його середовищем. Геном клітини. Геном клітини являє собою постійну для виду компоненту і може бути оцінений аналізом ДНК. Встановлена послідовність основ ДНК, відповідних багатьом окремим генам. Хромосома містить: генетичну інформацію виду; генетичну інформацію для власної реплікації за рахунок попередників (азотистих основ), що надходять з цитоплазми, і енергії, що надходить від енергосинтезуючого мембранного апарату; інформацію для синтезу 40 білка РНК-полімеразним блоком. Рибосома. Рибосома являє собою РНК-вмісний аппарат синтезу білка з амінокислот-попередників, що поступають з цитоплазми та витрачають енергію енергосинтезуючого мембранного апарату. Рибосома діє згідно з командами, отриманими через РНК-полімеразу від хромосоми. Рибосома оцінюється за сумарним вмістом РНК в клітині. Цитоплазма клітини. Цитоплазма являє собою насамперед "котел" метаболічних перетворень речовин з утворенням енергетичних субстратів для синтезу АТФ (енергетичний обмін, або катаболізм) і з'єднань – попередників для синтезу компонентів клітини (конструктивний обмін, або анаболізм). Однією з найважливіших ознак життя є постійний обмін речовин між організмом та середовищем його існування. Сукупність процесів, які перебігають у клітині в певній послідовності, забезпечуючи відтворення її біомаси, називають обміном речовин, або метаболізмом. Існують два напрями метаболізму: Анаболізм, або конструктивний обмін, який поєднує процеси синтезу складових організму за рахунок надходження поживних речовин із навколишнього середовища. Катаболізм, або енергетичний обмін, що включає процеси розпаду органічних речовин із одночасним вивільненням енергії та надходження її в АТФ та інші високоенергетичні сполуки. Ці два процеси перебігають у клітині водночас. У більшості прокаріот вони тісно пов’язані між собою і їх важко розділити. Катаболізм і анаболізм в тій чи іншій мірі пов'язані метаболізмом, який є найважливішою характеристикою функціональної різноманітності мікроорганізмів. 4.3. Механізми енергетичного обміну клітини Енергетичний обмін клітини спрямований на підтримку і синтез речовин, з яких складається клітина, і видалення з клітини продуктів обміну. При вивченні механізмів енергетичного обміну необхідно мати уявлення про джерела енергії, механізм надходження поживних речовин в клітину, а також про ферменти, за допомогою яких відбуваються реакції обміну. Джерела енергії. Джерелами енергії для організмів можуть служити енергія світла і енергія окислювально-відновлювальних реакцій (хімічна енергія). При цьому якщо енергію світла можуть використовувати тільки фотосинтезуючі мікроорганізми, то здатність використовувати хімічну енергію властива всім без винятку організмам,особливо різноманітні можливості прокаріот. Окислювально-відновлювані реакції представляють собою перенесення електронів від окислюваної речовини (донора електронів) до окислювача (акцептор). Перенесення електронів від донора до акцепторів здійснюється 41 через ряд послідовно функціонуючих переносників. Частина переносників закріплена в мембрані, а частина знаходиться в цитоплазмі і з’єднує ці два комплекси клітини. Перший механізм синтезу АТФ – субстратне фосфорилювання. Цей спосіб реалізується у гліколізі, різноманітних бродіннях та інших процесах. Субстратне фосфорилювання здійснюється в цитоплазмі і може бути відтворене в безклітинних екстрактах. Другий механізм синтезу АТФ – мембранне фосфорилювання. Цей механізм реалізується в процесах дихального фосфорилювання і фотосинтезу (фотофосфорилювання). 4.4 Способи живлення й механізми надходження поживних речовин Для росту й розмноження мікроорганізми потребують речовин, що використовуються для побудови структурних компонентів клітини й одержання енергії. Поживні речовини можуть надходити до клітини в розчинному стані (це характерно для прокаріот) – осмотрофи, або у вигляді окремих часток – фаготрофи. Переважна більшість бактерій – осмотрофи (поглинання речовин розчинених у воді). Основним регулятором надходження речовин до бактеріальної клітини є цитоплазматична мембрана. Існує чотири основні механізми надходження речовин: – пасивна дифузія – за градієнтом концентрації, що не має субстратної специфічності; – полегшена дифузія – за градієнтом концентрацій, субстратспецифічна, здійснюється за участі спеціалізованих білків переносників пермеаз, що розміщені в мембрані; – активний транспорт– проти градієнта концентрації, субстратспецифічний (спеціальні білки в комплексі з пермеазами), енерговитратний (за рахунок АТФ), речовини надходять до клітини в хімічнонезміненому вигляді; – транслокація (перенос груп) – проти градієнта концентрацій, за допомогою фосфотрансферазної системи, енерговитратна, речовини (переважно цукри) надходять у клітину у фосфорильованому вигляді. 4.5 Типи живлення мікроорганізмів Життєдіяльність будь-якого мікроорганізму залежить від безперервного обміну з навколишнім середовищем. Автотрофи – мікроорганізми, здатні засвоювати або фіксувати вуглекислоту повітря як єдине джерело вуглецю й синтезувати з неї органічніречовини. Гетеротрофи – організми, що використовують для конструктивного обміну вуглець із складних органічних сполук. Розрізняють наступні типи гетеротрофії: паразитизм облігатний 42 внутрішньоклітинний, паразитизм факультативний, сапрофітизм. Гетеротрофи, які можуть використовувати в якості джерела вуглецю так звану «мертву органіку» (наприклад, розчин глюкози), називаються сапрофітами. Сапрофіти потребують різних концентрацій органічних речовин. Оліготрофи – здатні рости при низьких концентраціях органічної речовини (1–15 мг вуглецю в літрі розчину). Копіотрофи – віддають перевагу високим концентраціям поживних речовин (10 грам вуглецю в літрі розчину). Гетеротрофи, які використовують у якості джерела вуглецю органічні сполуки (метаболіти) живої клітини, називаються паразитами. Переважна більшість бактерій цієї групи можуть використовувати в якості джерела вуглецю як «мертву», так і «живу» органіку. Такі бактерії називаються факультативними паразитами. Вони здатні рости поза клітини хазяїна при сприятливих умовах, їх можна культивувати на штучних поживних середовищах, до складу яких входять розчини органічних сполук. Рикетсії й хламідії не можуть використовувати в якості джерела вуглецю «мертву» органіку. Вони можуть розмножуватися тільки в живих клітинах, використовуючи їх органічні речовини для своїх метаболічних процесів, оскільки мають скорочений метаболізм, який залежать від метаболізму хазяїна, Їх називають облігатними паразитами. Як і віруси, ці бактерії не ростуть на штучних поживних середовищах. Залежно від механізму перетворення енергії в доступну для клітини біохімічну (макроергічні зв’язки АТФ) розрізняють два типи метаболізму: фототрофний (світло) і хемотрофний. Фототрофи – організми, що використовують енергію сонячного світла, трансформуючи її в хімічну (ціанобактерії, анаеробні, фототрофні сіркобактерії). Хемотрофи – використовують енергію, звільнену при реакціях окиснення відновлення (ОВР). Залежно від того, які речовини є донорами електронів, мікроорганізми підрозділяються на 2 групи: органотрофи й літотрофи. Органотрофи – організми, що використовують у якості донора водню органічні речовини. Літотрофи – використовують у якості донорів електронів неорганічніречовини (Н2, NH3, H2S, S, CO, Fe2+ і ін.). За трьома вищевказаним критеріями (джерело енергії, джерело вуглецю, донор електронів) виділяють 8 фізіологічних груп (таблиця 1). Таблиця 1. Типи мікроорганізмів залежно від способів живлення Джерело енергії Донор електроні в Джерело вуглецю Типи живлення Представники 43 Неорганічні речовини Світло Органічні речовини Неорганічні речовини Окисновідновні реакції Органічні речовини СО2 Фотолітоавтотрофи Ціанобактерії, пурпурові бактерії, зелені бактерії, вищі рослини Органічна речовина Фотолітогетеротрофи Деякі ціанобактерії, деякі пурпурові зелені бактерії СО2 Фотоорганоавтотрофи Деякі пурпурові Органічна речовина Фотоорганогетеротрофи Галобактерії, Деякі ціанобактерії СО2 Хемолітоавтотрофи Нітрифікуючі, тіонові, водневі, ацидофільні, залізобактерії Органічна речовина Хемолітогетеротрофи Метаноутворюючі, Деякі водневі СО2 Хемоорганоавтотрофи Факультативні мети лотрофи (окисл. мурашину кислоту) Органічна речовина Хемоорганогетеротрофи Більшість еукаріотів, Всі тварини, гриби 4.6. Біохімічні процеси, викликувані мікроорганізмами 4.6.1. Бродіння, характеристика процесу До бродіння в строгому сенсі слова відносяться ті процеси отримання енергії, при яких водень, що відщеплюється від субстрату переноситься в кінцевому рахунку на органічні акцептори. Кисень у процесах бродіння не бере участь. Причини бродіння були встановлені ще в середині XIX в. Л. Пастером, який показав, що в аеробних умовах дріжджі утворюють з певної кількості цукру приблизно в 20 разів більше клітинного матеріалу, ніж в анаеробних. Л.Пастер називав бродіння життям без повітря. Він відкрив також, що кисень пригнічує бродіння. Цей ефект, що отримав назву ефекту Пастера, набув з тих пір популярність як один із класичних прикладів регулювання обміну речовин. У 1896-1897 рр. було виявлено "безклітинне бродіння" – бродіння, що викликається розтертими пресованими пивними дріжджами. Це перший складний біохімічний процес, здійснений поза клітиною. 44 і Пізніше було встановлено, що для зброджування глюкози дріжджам необхідний неорганічний фосфат. Інакше кажучи, бродіння – процес перетворення з'єднань вуглецю як в анаеробних, так і аеробних умовах. 4.6.2. Бродіння в анаеробних умовах Спиртове бродіння. Спиртове бродіння – це процес перетворення в анаеробних умовах цукру в діоксид вуглецю та етиловий спирт: С6Н12О6 2СО2 + 2С2Н5ОН Етиловий спирт – один з широко поширених продуктів зброджування цукрів мікроорганізмами. Навіть рослини і гриби в анаеробних умовах накопичують етиловий спирт. Розглянемо хімізм спиртового бродіння. Збудниками спиртового бродіння є дріжджі, які вирощують в аеробних умовах, підбираючи відповідні раси, що володіють необхідними властивостями для данного виробництва. Процес спиртового бродіння здійснюється з тим же запасом енергії у формі АТФ і тим же ферментативним шляхом, що і гліколіз, аж до утворення піровиноградної кислоти. Перетворення піровиноградної кислоти в етиловий спирт відбувається у два етапи. Спочатку піруват (піровиноградна кислота) декарбоксилюється піруватдекарбоксилазою за участю тіамінпірофосфата до ацетальдегіду, а потім ацетальдегід відновлюється алкогольдегідрогеназою в етанол за участю NADH2). При цьому дріжджі отримують енергію для розвитку біохімічних процесів в клітині: глюкоза етиловий спирт + CO2 + 166 кДж/моль. З енергетичної точки зору бродіння – процес малоефективний. Так, якщо при окисленні 1 грамму молекули глюкози до СО2 і Н2О в процесі аеробного дихання синтезується 36 моль АТФ, то в процесі спиртового бродіння – всього 2 моль АТФ. Дріжджі можуть переключати один тип обміну речовин (аеробний) на іншій (анаеробний). Поряд з основними продуктами бродіння – етиловим спиртом і СО2 – утворюються побічні продукти: гліцерин, оцтовий альдегід, оцтова кислота, янтарна кислота, а також так звані сивушні масла. До складу сивушних масел входять пропанол, 2-бутанол, 2-метилпропанол, аміловий (пентанол) і ізоаміловий (триметилбутанол) спирти, що представляють собою продукти нормального бродильного метаболізму дріжджів і виявляються при рості дріжджів на будь-яких середовищах. Шляхи синтезу цих речовин ще до кінця не вивчені. Вищі спирти беруть участь у формуванні аромату і смаку напоїв спиртового бродіння. Дріжджі здатні зброджувати крім глюкози і піровиноградну кислоту. В якості проміжного продукту при зброджуванні піровиноградної кислоти утворюється ацетальдегід; якщо до дріжджів, зброджуючим глюкозу, додати бісульфіт, то з'явиться 45 новий продукт – гліцерин, однак при цьому знижується вихід етилового спирту і СО2. Бродіння в присутності бісульфіту стали використовувати в промисловості при виробництві гліцерину. На умови спиртового бродіння впливають багато факторів: хімічний склад зброджуваного середовища, тобто його повноцінність, концентрація і кислотність середовища, вміст спирту, температура, наявність сторонніх мікроорганізмів. Більшість дріжджів здатні зброджувати моносахариди, а з дисахаридів – сахарозу і мальтозу. Пентози зброджуються тільки деякими дріжджами. Дріжджі не можуть зброджувати крохмаль, так як вони не утворюють амілолітичних ферментів. Найбільш сприятлива концентрація цукру в середовищі для більшості дріжджів становить 10... 15%. При підвищенні концентрації цукру енергія бродіння знижується, а при 30...35% цукру бродіння зазвичай припиняється. Енергією бродіння називається здатність певної кількості дріжджів зброджувати за певний проміжок часу ту чи іншу кількість цукру. В природі зустрічаються дріжджі, здатні викликати бродіння цукру навіть при концентрації його 50...60% і вище. Гарним джерелом азоту для більшості дріжджів є амонійні солі, але дріжджі можуть використовувати також амінокислоти і пептиди. Бродіння зазвичай протікає в кислому середовищі при рН 4...5. У лужному середовищі в результаті бродіння утворюється гліцерин. Найбільша швидкість бродіння спостерігається при температурі близько 30 °С; при температурі 45...50 °С бродіння припиняється в результаті загибелі клітин дріжджів. Зниження температури призводить до уповільнення бродіння, але повністю воно не припиняється навіть при температурі нижче 0 °С. Етиловий спирт, що утворюється в процесі бродіння, несприятливо впливає на дріжджі. Накопичення дріжджами спирту в концентрації 2... 5 % в залежності від виду і раси дріжджів діє на них вже гнітюче. У більшості випадків бродіння припиняється при накопиченні дріжджами 12...14% (об'ємних) спирту. Виведені селекціонерами раси дріжджів, стійкі до накопичення 16... 18 і навіть 20 % спирту. Використання спиртового бродіння лежить в основі виробництва етилового спирту, пива, вина і пекарських дріжджів. Для отримання більшості сортів пива використовують переважно дріжджі низового бродіння (раси Saccharomyces carlsbergensis), для деяких сортів пива – дріжджі верхового бродіння (Saccharomyces cerevisiae). Бродіння соків для виготовлення вин здійснюють із застосуванням чистих культур винних дріжджів низового бродіння S. ellipsoideus а для вин хересного типу ще й S. oviformis. Дріжджі пекарські, (раси S. cerevisiae) пресовані і сухі для виробництва хлібобулочних виробів отримують на спеціалізованих 46 дріжджових заводах. Молочнокисле бродіння. Молочнокисле бродіння – це процес перетворення молочнокислими бактеріями цукру в молочну кислоту в анаеробних умовах. Молочнокислі бактерії зазвичай знаходяться в молоці і молочних продуктах, на рослинах, в кишечнику людини та тварин, однак вони не зустрічаються у воді і грунті. За кінцевим продуктом бродіння молочнокислі бактерії поділяють на дві групи: гомоферментативні і гетероферментативні. У зв'язку з цим існують два види молочнокислого бродіння: гомоферментативне і гетероферментативне. Гомоферментативне молочнокисле бродіння широко застосовують при виготовленні простокваш, кумису, сквашуванні вершків, отриманні молочної кислоти, при квашенні овочів і силосуванні корму. При гомоферментативному молочнокислому бродінні відбувається розщеплення глюкози з утворенням двох молекул молочної кислоти: Глюкоза молочна кислота +197 кДж/моль. Молочна кислота – кінцевий продукту гомоферментативного бродіння – утворюється з піровиноградної кислоти: Піровиноградна кислота + 2Н2 молочна кислота. Якщо кількість утвореної кислоти достатня і рН сягає 4,6, відбувається згортання казеїну, тобто по мірі накопичення молочної кислоти щільність згустку збільшується. Збудниками гомоферментативного молочнокислого бродіння є бактерії, різні за формою (кулясті і паличкоподібні) і властивостями (мезофільні і термофільні). Наприклад, мезофільні молочнокислі бактерії мають оптимальну температуру росту 25...35°С, а термофільні – 40...45°С. Окремі молочнокислі бактерії холодостійкі і можуть розвиватися при температурі 5 °С і нижче. При нагріванні до 60... 80 °С вони гинуть протягом 10...30 хв, проте є і термостійкі бактерії, які не гинуть при нагріванні до 85 °С впродовж декількох хвилин. Деякі молочнокислі бактерії утворюють слиз, при їхньому розвитку рідкі субстрати стають тягучими. На розташування клітин бактерій впливають температура і продукти їх життєдіяльності. Наприклад, молоді культури, виращені при оптимальній і більш низькій температурі, представлені стрептококами, більш старі культури, вирощені при оптимальній температурі вищій, представлені диплококами і коками. Типовим представником молочнокислих бактерій гомоферментативного молочнокислого бродіння є молочнокислий стрептокок – Lactococcus lactis, який знаходиться майже у всіх молочних продуктах, відіграє важливу роль в сквашуванні молока і є основною складовою частиною мікрофлори простокваш. Найчастіше він зустрічається у вигляді коротких ланцюжків і диплококків. Вершковий стрептокок (Leuconostoc mesenteroides subsp. cremoriss) 47 являє собою довгі ланцюжки сферичних клітин. Оптимальна температура росту 25°С, мінімальна – до 10°С, максимальна – 36...38°С. Використовується у заквасках разом з молочнокислим стрептококом для виготовлення сметани, масла, сирів. Деякі штами утворюють антибіотик диплококцин. Термофільний стрептокок (Str. thermophilus) утворює довгі ланцюжки коків, добре розвивається при температурі 40... 45 °С. Утворює близько 1 % молочної кислоти. Використовується разом з іншими паличкоподібними бактеріями для отримання ряжанки, простокваші "Південна". Болгарська паличка (Lactobacillus bulgariucus) являє собою великі палички, що часто утворюють довгі ланцюжки. Оптимальна температура росту 40... +45 °С, мінімальна – 15... 20 °С. Є активним кислотоутворювачем, виділяє в молоці 2,5...3,5% молочної кислоти. Використовується при виготовленні простокваші "Південна", кумису. Є антагоністом гнилісної мікрофлори. Для зменшення гнилісної мікрофлори необхідно систематичне надходження болгарської палички в організм. Ацидофільна паличка (Lb. acidophilus) є постійним супутником шлунково-кишкового тракту молодняку сільськогосподарських тварин, звідки вона і виділяється. Вперше вона була виявлена у фекаліях дитини. Оптимальна температура росту 37...40°С, мінімальна – близько 20 °С. При сквашуванні в молоці накопичується до 2,2 % молочної кислоти. Деякі види мають здатність утворювати слиз. Використовується у виробництві ацидофільних молочнокислих продуктів, утворює антибіотичні речовини, нейтралізує отруйні продукти життєдіяльності гнильних мікроорганізмів. Дельбрюківська паличка (Lb. delbrueckii) – зернова термофільна паличка, яка зустрічається у вигляді окремих клітин або клітин, сполучених в короткі і довгі ланцюжки. У молоці не розвивається, так як не може зброджувати лактозу. Оптимальна температура росту 45... 50°С, мінімальна – до 20 °С. Утворює до 2,5 % молочної кислоти. Викорис, товується в хлібопеченні і у виробництві молочної кислоти. Молочнокисла паличка (Lb. plantarum) – паличкоподібні невеликі поодинокі клітини, зчеплені попарно або ланцюжком. Оптимальна температура росту становить 30 °С. При сквашуванні молока утворюється до 1,3 % молочної кислоти. Молочнокисла паличка є основним збудником бродіння при квашенні овочів і силосуванні кормів. Гетероферментативне молочнокисле бродіння здійснюють гетероферментативні молочнокислі бактерії, крім молочної кислоти утворюють етиловий спирт, СО2, оцтову кислоту, ацетоін і діацетіл. До гетероферментативних молочнокислих бактерій відносяться гетероферментативні молочнокислі стрептококи, характеристика яких наведена нижче. Ароматоутворюючі (Lc.lactis subsp. lactis biovar diacetilactis, Lb. 48 brevis) надають кисло-молочним продуктам приємні смак і аромат. Для приготування молочнокислих продуктів ароматоутворюючі стрептококи з'єднують з гомоферментативними – молочнокислим і вершковим. Вони мають майже однакову температуру росту (30 °С). Серед гетероферментативних молочнокислих бактерій є і термофіли – S. thermophilus, які розмножуються при температурі 45°С, що дозволяє використовувати їх з термофільними молочнокислими паличками при виробництві простокваші і таких сирів, як "Російський" і "Швейцарський". До гетероферментативних молочнокислих стрептококів відноситься рід Leuconostoc. Бактерії, що відносяться до цього роду, являють собою подовжені коки, які можуть бути поодинокими, парними, у вигляді коротких ланцюжків. При бродінні вони утворюють діацетіл. Оптимальна температура росту 20...25°С. Лейконосток вводять в закваски для ароматизації продукту. Деякі види Leuconostoc є активними слизеутворювачами, виділяючими багато полісахариду декстрину густої слизової консистенції. До групи гетерофементативних молочнокислих бактерій відноситься рід Bifidobacterium. Паличкоподібні форми виду Bifіdobacterium bifidum (лат. bifidus – роздвоєний) містяться в період молочного вигодовування в шлунково-кишковому тракті дітей і молодняку сільськогосподарських тварин. Біфідобактерії при зброджуванні вуглеводів утворюють молочну і оцтову кислоти – біологічно активні речовини, які пригнічують гнильні і патогенні мікроорганізми. Всі вони суворі анаероби. В даний час їх знаходять у кишковій флорі і дорослих людей. Використання молочнокислого бродіння пов'язано з антагоністичною і консервуючою дією молочнокислих бактерій. У поживному середовищі вони знижують рН до значень менше 5 і тим самим пригнічують ріст інших анаеробних бактерій, які не можуть розвиватися в настільки кислому середовищі. Молочнокисле бродіння використовують в сільському господарстві, в молочній промисловості, а також при різних заготовках у домашніх умовах. Велике значення молочнокислі бактерії мають при квашенні овочів, зокрема при приготуванні квашеної (кислої) капусти. У дрібно нарізаній, посипаній сіллю (2... 3 %) і спресованій білокачанній капусті при виключенні доступу повітря починається спонтанне молочнокисле бродіння, в якому беруть участь спочатку Leuconostoc (з утворенням СО2), а пізніше Lactobacillus plantarum. Молочнокисле бродіння використовують при приготуванні силосу – корму для худоби. Для цього застосовують листя цукрових буряків, кукурудзу, картоплю, люцерну, трави. Рослинну массу пресують, додають до неї мелясу, щоб підвищити співвідношення C/N, і яку-небудь органічну кислоту, щоб заздалегідь забезпечити переважний ріст 49 лактобацил і стрептококів. В результаті отримують чудовий корм для тварин. Особливо велика роль молочнокислих бактерій в молочній промисловості для отримання великого асортименту молочнокислих продуктів: кислого молока, сметани, сиру, йогурту, кефіру, кумису та ін. Молочну кислоту використовують в консервній, кондитерській промисловості, у виробництві безалкогольних напоїв як консервант. Однак треба пам'ятати, що молочнокисле бродіння, яке спонтанно виникає в продуктах (молоці, вині, пиві, безалкогольних напоях) призводить до їх псування: прокисання, помутніння, ослизнення та ін. Пропіоновокисле бродіння. Пропіоновокисле бродіння – це перетворення цукру або молочної кислоти та її солей в пропіонову і оцтову кислоти з виділенням СО2 і Н2О в анаеробних умовах. Пропіоновокислі бактерії мешкають в рубці і кишечнику жуйних тварин (корів, овець), утворюючи там пропіонову і оцтову кислоти. Пропионові бактерії не зустрічаються в молоці, їх не вдається виділити з грунту і природних вод. Для отримання накопичувальної культури цих бактерій поживне середовище з лактатом і дріжджовим екстрактом інокулюють швейцарським сиром та інкубують в анаеробних умовах. У швейцарський сир, в дозріванні якого пропионовокислі бактерії грають важливу роль, визначаючи його смак, вони потрапляють з сичужним ферментом, який застосовується в процесі приготування сиру для згортання молока. Сичужний фермент додають у вигляді водного екстракту з телячих шлунків, який містить безліч життєздатних пропіоновокислих бактерій. Існує кілька видів пропіоновокислих бактерій, з яких найбільш відомим є Propionibacterium freudenrеchii і його підвиди P.shermanii і P.acidipropionici. Бактерії роду Propionibacterium представляють собою грампозитивні нерухомі палички, не утворюють спор. Вони облігатні анаероби. Ростуть при температурі 14...35 °С; при температурі 60...70 °С гинуть. Для розвитку вимагають органічні азотисті з'єднання типу білка, набір амінокислот і т.д. Показник рН середовища нижче 4,5... 5,0. При розвитку пропіоновокислих бактерій в сирній масі молочна кислота, яка утворилася молочнокислими бактеріями, перетворюється в пропіонову і оцтову кислоти і СО2. Виділення СО2 викликає утворення сирних "вічок", а пропіонова і оцтова кислоти обумовлюють своєрідний гострий смак і аромат сиру. Якщо консистенція сирного тіста пластична, то вічка утворюються круглі, правильної форми. Якщо сирне тісто крихке, то вічка мають неправильну форму. При попаданні в сир газоутворюючих бактерій у великій кількості виділяється водень, який утворює тріщини і спучування сиру. Пропіоновокислі бактерії здатні виробляти вітамін В12. Цю культуру використовують у біотехнології для отримання цього вітаміну. Пропіонова кислота використовується як інгібітор пліснявих грибів 50 в харчовій промисловості, при зберіганні зерна і хліба. У концентрації 0,5% пропіонова кислота затримує ріст пліснявих грибів. Зерно, оброблене слабким розчином пропіонової кислоти, не пліснявіє навіть при підвищеній вологості. Пропіонова кислота запобігає пліснявінню хліба. Її вводять у хліб разом з тістом, для чого спочатку готують пропіоновокислі закваски, в яку входять Propionibact. acidopronionici і Lb. brevis. Через три доби культивування закваски накопичується невелика кількість пропіонової, оцтової і молочної кислот. Цю закваску вносять в тісто. Після випікання хліб містить по 0,1 % пропіонової і оцтової кислот і 0,2 % молочної кислоти по відношенню до маси борошна. Це додає хлібу ніжно-кислого смаку і запобігає його пліснявінню. Маслянокислое бродіння. Маслянокислое бродіння – це складний біохімічний процес перетворення цукру маслянокислими бактеріями в анаеробних умовах з утворенням масляної кислоти, діоксиду вуглецю і водню: Глюкоза масляна кислота + CO2 + Н2 + 63 кДж/моль Масляна кислота є летючою рідиною з дуже неприємним запахом. Збудники маслянокислого бродіння широко поширені в природі і належать до роду Clostridium, сімейства Васіllасеае. Клітини грампозитивні, паличкоподібні, форма клітини може змінюватися в залежності від умов середовища. У молодому віці рухливі, мають перитрихіальне джгутикування. Утворює спори, діаметр яких більший діаметру клітини. Маслянокислі бактерії є облігатними анаеробами, однак існують всі перехідні форми: від суворих анаеробів (Cl. pasteurianum, Cl. kluyveri) до майже аэротолерантных (Cl. hisfolyticum, Cl. acetobutylicum). Оптимальна температура росту 30... 40°С, але є термофільні види з оптимальною температурою 60...75°С (Cl. thermoaceticum, Cl thermohydrosulfucicum). Клостридії ростуть при нейтральній або лужній реакції середовища, тому небажаний ріст маслянокислих бактерій, наприклад у квашеній капусті, силосі, фруктових консервах, сирих ковбасах, можна повністю придушити, якщо продукт підкислити. Клітини клостридій утворюють специфічну запасну речовину – гранулезу у вигляді гранул. Прототипом бродіння, здійснюваного клостридіями, можна вважати зброджування глюкози Cl. butyricum і Сl. acetobutylicum з утворенням масляної і оцтової кислот, бутанола, етанолу, ацетону, СО2 і Н2. Вихід продуктів варіюється в залежності від умов бродіння. Для отримання масляної кислоти в промисловому масштабі використовують крохмалвмісну сировину: картоплю, зернові та ін. Крохмаль гідролізують 0,4...0,5%-ною сірчаною кислотою. Після нейтралізації середовища вапном і додавання азотовмісних речовин в поживне середовище вносять маслянокислі бактерії. Масляна кислота представляє собою безбарвну рідину з неприємним запахом, слабкі розчини цієї кислоти мають специфічний 51 сирний запах. Ефіри масляної кислоти мають приємний аромат: метиловий має яблучний аромат, амілові – ананасовий тощо. Ефіри масляної кислоти як ароматичні речовини використовують у кондитерській і парфумерній промисловості, при виготовленні фруктових напоїв. Маслянокислі бактерії широко поширені в природі, особливо в ґрунті, мулистих відкладеннях на дні водойм, у скупченнях рослинних залишків. Ацетонобутиловое бродіння. Збудником ацетонобутилового бродіння є бактерії виду Cl. acetobutylicum: це анаеробні бактерії, рухливі, грампозитивні, що утворюють спори. В цитоплазмі утворюється гранулеза. У 1930-х рр. за участю академіка В. Н. Шапошникова був побудований перший ацетонобутиловий завод, на якому мікроорганізми використовувалися як продуценти ацетону і бутилового спирту. Після відгону з бражки ацетону і спиртів залишаються клітини мікроорганізмів, що містять вітамін В2. В даний час ацетон і бутиловий спирт отримують і хімічним синтезом. 4.6.3. Неповне окислення Більшість аеробних мікроорганізмів окисляє органічні поживні речовини в процесі дихання до СО2 і води. Оскільки в молекулі СО2 досягається вищий ступінь окислення вуглецю, то говорять про повне окислення і відрізняють цей тип дихання від неповного окислення, при якому в якості продуктів обміну виділяються частково окислені органічні сполуки. Кінцевими продуктами неповного окислення можуть бути оцтова, лимонна кислоти і ряд інших сполук. Ці продукти схожі з тими, які утворюються при бродінні в анаеробних умовах (масляна, пропіонова кислоти та ін.). Оцтовокисле бродіння. Оцтова кислота утворюється оцтовокислими бактеріями, що окисляють етиловий спирт до оцтової кислоти (оцту) з виділенням невеликої кількості енергії: Етиловий спирт оцтова кислота + Н2О + 494 кДж/моль. Процес, який здійснюється оцтовокислими бактеріями, – це типове окислення (бродіння) в аеробних умовах, так як оцтова кислота далі піддається окисленню бактеріями до діоксиду вуглецю і води. Збудником оцтовокислого бродіння є Acetobacter aceti. Оцтовокисле бродіння було відомо з глибокої давнини. Наприклад, у посудині з виноградним вином або пивом з доступом повітря через день-два на поверхні напоїв з'являється сіренька плівка, а пиво і вино каламутніє і прокисає. Оцтовокислі бактерії – це короткі грамнегативні палички, розташовані ланцюжками. Зустрічаються як рухомі та нерухомі штами. Бактерії є суворі аероби, розвиваються тільки на поверхні субстрату, 52 утворюючи плівку, яка моментально розпадається при легкому погойдуванні рідини. Всі види бактерій об'єднані в рід Acetobacter. Оцтовокислі бактерії широко поширені в природі. Вони зустрічаються на зрілих плодах, ягодах, в квашених овочах, вині, пиві, квасі. Оцет (оцтова кислота) є продуктом широкого споживання, особливо у народів, що живуть в більш теплому кліматі. Спонтанний розвиток оцтовокислих бактерій в вині, пиві, квасі, безалкогольних напоях та інших продуктах призводить до їх псування: прокисання, помутніння, ослизнення. Оцтовокислі бактерії крім етилового можуть окисляти і інші спирти, наприклад пропіловий спирт в пропіонову кислоту, бутиловий – у масляну. Лимоннокисле бродіння. До 1890-х рр. лимонну кислоту одержували у вигляді кристалів з соку цитрусових. Проте вихід її становив 1...9 %, що було економічно невигідно. Після того як лимонна кислота була виявлена в культурах грибів, були розроблені основи отримання її в промисловому масштабі. Було встановлено, що один з видів грибів – Asp. niger – чудово росте на середовищах з початковим рН 2,5... 3,5 і виділяє великі кількості лимонної кислоти. Низький вихідний рН дозволяє уникнути бактеріального забруднення. Лимонна кислота використовується в кондитерській промисловості, виробництві безалкогольних напоїв, сиропів, в кулінарії, медицині та ін. 4.6.4. Руйнування деревини Деревина складається з клітковини (50... 55 %), лігніну (18... 30 %), геміцеллюлози (15 %) та деякої кількості смолистих та інших речовин. Суха деревина може довго зберігатися без змін, але у вологому стані вона досить легко вражається різними грибами, переважно трутовими, що відносяться до базидіоміцетів. Базидіомицети, що руйнують деревину, можна підрозділити на дві групи: збудники бурої гнилі і збудники білої гнилизни. Збудники бурої гнилі перетворюють деревину в червоно-коричневу масу; вони руйнують головним чином целюлозні і геміцеллюлозні компоненти деревини і не діють на лігнін. У складських приміщеннях заготовлена і оброблена деревина, використовувана для споруд, а також тара з деревини уражаються дуже активним руйнівником деревини – грибом Serpula lacrymans, боротьба з яким зводиться до профілактичних заходів і обробці деревини антисептиками. 4.6.5. Розкладання жиру Природні жири і жирні олії рослинного і тваринного походження являють собою тверді і напівтверді (жири) або рідкі (мастила) 53 тригліцеринові суміші. Тригліцериди являють собою з'єднання гліцерину ефірним зв'язком з залишком або однієї якоїсь кислоти, або з залишками різних жирних кислот. Тваринні жири, крім жирів морських тварин і молочного жиру, складаються переважно з насичених вищих жирних кислот: пальмітинової і стеаринової, а рослинні олії містять переважно ненасичені жирні кислоти: масляну, лінолеву, ліноленову. Порівняно з багатьма іншими харчовими продуктами чисті жири і олії більше схильні до псування в результаті хімічних перетворень, ніж в результаті життєдіяльності мікроорганізмів. Це пов'язано, по-перше, з тим, що мікроорганізми містять недостатню кількість ферментів, які розщеплюють жири, у порівнянні з системами ферментів для впливу на вуглеводи та білки. Наприклад, відомо дуже мало дріжджів, які синтезують ліпази. По-друге, в чистих жирах і олія відсутня вода, життєво необхідна мікроорганізмам, мало і мінеральних поживних речовин. Незважаючи на це, у свинячому жирі, що містить всього 0,3 % води, зустрічаються ліпофільні бактерії, що утворюють ліпази, мікрококи і спори Asp. niger. Псування жирів прискорюється багатьма факторами: світлом, киснем, вологістю та ін. В процесах ферментативного розщеплення жирів можуть брати участь не тільки мікроорганізми, які руйнують жири, але й ферменти, що містяться в самих харчових продуктах. Зіпсовані жири і олії називають прогірклими. Із-за неприємного смаку і запаху вони непридатні для харчування людей. Прогірклість жиру викликається насамперед окислювальними і гідролітичними процесами, які найчастіше протікають одночасно. Головною причиною згірклості харчових продуктів, що містять жири, є окислення ненасичених жирних кислот під дією ліпоксигеназ, що веде до утворення альдегідів і кетонів. Поширена кислотна прогірклість жирів і олій відбувається із-за гідролітичного розщеплення тригліцеридів зі звільненням жирних кислот. Низькомолекулярні жирні кислоти, наприклад масляна кислота, що міститься у великій кількості в оліях, є дурнопахнучою водорозчинною рідиною з гострим (до пекучого) смаком. Гліцерин, накопичується в жирах при повному їх ферментативному гідролізі мікроорганізмами, добре використовується і споживається бактеріями. Важко розчеплювані жирні кислоти, які звільнені при розкладанні жиру, переходять в субстрат, накопичуються і піддаються подальшим перетворенням. Вітамін Е і інші антиоксиданти можуть перешкоджати окисленню жирів. Псування фосфатидвмісних харчових продуктів відбувається в результаті гідролізу з утворенням 3-метиламіна N(CH3)3, з якого шляхом окислення виходить окис 3-метиламина, що надає характерного смаку рибі. Прогірклість сприймається органами почуттів людини як досить неприємна властивість продукту. Навіть незначний вміст прогірклого 54 жиру може призвести до неможливості споживання харчових продуктів. Наприклад, згіркла кокосова олія, доданий навіть у дуже малих кількостях в кондитерські вироби, негативно позначається на смакових якостях готового продукту. Деякі мікроорганізми, що руйнують жири (коки, спорові бактерії, гіфомицети) утворюють жовті, червоні або коричневі жиророзчинні пігменти (барвники), які шляхом дифузії потрапляють в харчовий продукт і викликають небажане фарбування його. Збудниками процесів розкладання жиру і жирних кислот і є різні бактерії й плісняві гриби. Серед бактерій – збудників процесів розкладання – відносяться роди Bacillus, Рseudomonas, Micrococcus, Serratia, Proteus й Achromobacter. Всі ці бактерії, крім ліпаз синтезують і інші ферменти, що розщеплюють білки і вуглеводи, тому вони зустрічаються в багатьох харчових продуктах. Психрофільні роди Pseudomonas і Achromobacter є причиною псування харчових продуктів, що містять жири. З пліснявих грибів значну ліполітичну активністю мають види Oidium lactis, Cladosporium herbarum, Candida lipolitica, Aspergillus, Penicillium, Fusarium та ін. Так як вони менш вимогливі до вологості, ніж інші плісняві гриби, вони грають велику роль при руйнуванні жирів і олій, а також харчових продуктів з високим вмістом жирів, таких, як горіхи, майонези, хлібобулочні вироби, олійні насіння і інші, завдаючи великої шкоди. Для підвищення стійкості продукту до прогіркання, особливо при тривалому зберіганні, використовують холод. Для маргаринів розроблені спеціальні пастеризаційні установки. У майонези, які особливо легко руйнуються бактеріями, дріжджами і гіфоміцетами, допускається в обмеженій кількості додавання хімічних консервантів (бензойної кислоти і її похідних). Сприятливі умови створює герметична упаковка, так як руйнуючі жир мікроорганізми є в основному аеробами. Розпад жирів мікроорганізмами в природі (у ґрунті, воді) відбувається постійно і має велике значення в загальному круговороті речовин у природі. 4.6.6. Процеси гниття Механізм перетворення мікроорганізмами азотовмісних речовин. Азот – один з найважливіших елементів на Землі - входить в складу білків і нуклеїнових кислот, його багато в складі атмосфери, у вигляді органічних і мінеральних сполук азот знаходиться в ґрунті і воді. В перетвореннях азоту в круговорот речовин у природі велику роль грають мікроорганізми. Як і інші високомолекулярні сполуки, білки спочатку розщеплюються екзопротеазами мікроорганізмів на фрагменти – полі- і олігопептиди, амінокислоти, які можуть проникати всередину клітини. Наприклад, пептиди, які потрапили всередину клітини, можуть 55 гідролізуватися ендоферментами до амінокислот і потім використовуватися клітиною для синтезу власних білків або піддаватися подальшим змінам і втягуватися в обмін речовин. Розпад білків супроводжується виділенням аміаку, тому цей розпад називають ще мінералізацією азоту або гниттям. Гниття – це процес глибокого розкладання білкових речовин мікроорганізмами. Гниття викликають численні гриби і бактерії. Амінокислоти, що утворилися піддаються декарбоксилюванню, дезамінуванню і трансамінуванню. Дезамінування – процес відщеплення аміаку від амінокислоти. Залежно від подальших перетворень вуглецевого "скелета" амінокислот розрізняють окисне і гідролітичне дезамінування і дезамінування, що закінчується утворенням ненасичених сполук. Окисне дезамінування – найбільш поширений тип розпаду амінокислот, при якому утворюються кетокислоти і аміак. Гідролітичне дезамінування призводить до утворення оксикислот та аміаку. Трансамінування супроводжується перенесенням аміногрупи амінокислоти на 2-оксикислоту, при цьому утворюються амінокислоти, які не можуть бути синтезовані шляхом прямого амінування аміаком. Це далеко не всі шляхи розпаду амінокислот. Подальші перетворення вуглецевого "скелета" у різних амінокислот різні. Утворюється багато різних органічних кислот, спиртів та ін. Такі продукти дезамінування, як піровиноградна, щавелевооцтова, 2оксиглутарова кислоти є одночасно і проміжними продуктами центральних шляхів катаболізму. Інші з'єднання через спеціальні катаболітичні шляхи залучаються до проміжнго обміну. При розкладанні деяких амінокислот утворюються такі проміжні продукти, як фенол, крезол, скамол, індол, які мають дуже неприємний запах. При розпаді амінокислот, що містять сірку, виходить сірководень або меркаптани з запахом тухлих яєць, який відчувається навіть при дуже малих концентраціях. Подальші перетворення азотистих і безазотистих речовин, що утворюються при розпаді амінокислот, залежать від навколишніх умов і складу мікрофлори. Анаеробні мікроорганізми окислюють амінокислоти з накопиченням проміжних сполук у вигляді органічних кислот, амінів та інших, в числі яких можуть бути речовини, що мають отруйні властивості, а також речовини, що надають гниючому матеріалу огидного запаху. Мікроорганізми – збудники гниття. Аммоніфікація білкових сполук є першим мікробіологічними процессом по перетворенню азотних сполук в природі, який протікає при температурі не нижче 10 °С з певною вологістю. Аммоніфікація здійснюється різними мікроорганізмами: аеробними, факультативно-анаеробними і анаеробними. 56 Аеробні мікроорганізми окислюють азотвмісні речовини до повної мінералізації, кінцевими продуктами якої є аміак, СО2, Н2О, сірководень, тощо. До аеробних бактерій відносять Вacillus subtilis, В. megaterium, В. mycoides, Serratia marcescenc. До факультативно-анаеробних мікроорганізмів відносяться Proteus vulgaris і E.coli. До анаеробних мікроорганізмів відносяться Clostridium putrificum і Clostridium sporogenes, які є одними з найбільш поширених збудників анаеробного розкладання білків і утворюють велику кількість газів. Крім бацил і бактерій білок розкладають актиноміцети і гриби, але аммоніфікуюча здатність їх нижча і виражена в різній мірі. Крім білків ці мікроорганізми здатні розкладати пектинові речовини, полісахариди рослинних тканин, зброджувати вуглеводи. Вони є збудниками псування багатьох харчових продуктів: м'яса, м'ясопродуктів, риби і рибопродуктів, яєць, молока і ін. Але ці мікроорганізми грають велику позитивну роль в круговороті речовин у природі, мінералізуючи білкові речовини, що попадають у ґрунт і воду. Запитання для самоперевірки 1. Які органічні і мінеральні сполуки водять до складу мікробної клітини? 2. В чому полягає механізм енергетичного обміну клітини? 3. Як поділяють мікроорганізми відносно джерел вуглецю та азоту? 4. Як поділяють мікроорганізми відносно відношенню до кисню, факторів росту, джерел енергії? 5. Яке практичне значення спиртового бродіння? 6. Яке практичне значення молочнокислого бродіння? 7. Яке практичне значення пропіоновокислого і ацетонобутилового бродінь? 8. Які види і практичне значення неповного окислення? 9. В чому полягає практичне значення мікробного розкладання жиру? 10. Яка роль мікроорганізмів – збудників гниття у зберігання харчових продуктів? Тема 5 Генетика мікроорганізмів 5.1 Синтез білка та генетичний код Кожна жива істота за більшістю своїх ознак подібна до своїх предків. Збереження специфічних властивостей, тобто постійність ознак у ряду поколінь, називають спадковістю. Генетика – це наука про спадковість і мінливість. Інакше кажучи, генетика – це наука, що вивчає передавання ознак і закономірності їх успадкування. Кожній ознаці як носій інформації відповідає певний ген. Тривалий час вважалося, що за своєю хімічною природою гени є білками. У 1944 р. англійські вчені О.Ейвері, К.М. Мак- Леод та М.Мак-Карті встановили, що матеріальним 57 носієм спадкової інформації є ДНК, тобто гени складаються з ДНК. Визначення поняття “ген”. Відомо, що основою життя є білки. Тому уже в 30-ті роки ХХ ст. було сформульовано правило: один ген – один білок (фермент). Це правило означає, що один ген містить інформацію, необхідну для синтезу певного ферменту. Але коли з’ясувалося, що гени побудовані з ДНК, з’явилося нове визначення: ген – це лінійна ділянка ДНК, в якій закодований один білок (фермент).Потім стало відомо, що багато які білки побудовані з декількох поліпептидних ланцюгів (субодиниць). Знову довелося модифікувати визначення гена: ген – це лінійна ділянка ДНК, в якій закодований один поліпептидний ланцюг білка.Проте близько 20 – 25 років тому з’ясувалося, що і це визначення потрібно змінювати. Було встановлено, що кодувальні послідовності багатьох генів у еукаріот містять вставки, які до даного білка відношення не мають. Тобто ген складається з кодувальних і некодувальних ділянок. Кодувальні ділянки гена називаються е к з о н а м и,а некодувальні вставки – і н т р о н а м и. Розмір інтронів може складати від кількох одиниць до кількох тисяч нуклеотидних залишків. Знову змінюється визначення гена: ген – сукупність ділянок ДНК, які кодують один поліпептидний ланцюг білка.Проте і цього замало: існують гени транспортних і рибосомальних РНК, які не кодують білків. У зв’язку з цим було запропоновано таке визначення: ген – нуклеотидна послідовність, яка виконує певну функцію.У наш час загальновизнаним є твердження, що кожний структурний ген кодує певний поліпептидний ланцюг. Реплікація ДНК. Яким чином зберігається спадкова інформація у процесі росту та розмноження клітин? Перед поділом клітин відбувається ідентична редуплікація, або реплікація генів. У 1957 р. американські вчені М.Дельбрюк і Г.С.Стент запропонували три можливі механізми реплікації ДНК: 1) Консервативний механізм – розкручування спіралі не відбувається, батьківська подвійна спіраль служить матрицею для синтезу двох нових ланцюгів. Дочірня подвійна спіраль будується повністю з нового матеріалу, абатьківська як така зберігається; 2) дисперсивний механізм – батьківська спіраль при подвоєнні на кожному півоберті розривається на безліч фрагментів. Синтез нових ланцюгів відбувається на фрагментах, які потім хрест-навхрест зливаються з відрізками нового матеріалу. У цьому разі кожний поліпептидний ланцюг повинен складатися з відрізків старого та нового матеріалу, які чергуються; 3) напівконсервативний механізм – батьківська подвійна спіраль розкручується, і на кожному полінуклеотидному ланцюгу утворюється новий комплементарний ланцюг. Отже, нова подвійна спіраль є “гібридом” старого та нового синтезованого ланцюга. Подальші експриментальні дослідження з використанням радіоактивної мітки та аналітичного градієнтного центрифугування 58 міченої ДНК у градієнті хлористого цезію підтвердили напівконсервативний механізм реплікації ДНК. Транскрипція ДНК. Виникає ще одне закономірне запитання: яким чином інформація, що міститься в генах, визначає специфічну активність та інші властивості ферментів, і як вона перетворюється на амінокислотну послідовність білка? ДНК як носій спадкової інформації не є матрицею для синтезу поліпептидів. Біосинтез білків відбувається на рибосомах, які безпосередньо з ДНК не стикаються. Передавання записаної в ДНК інформації до місць синтезу білка здійснюють матричні (інформаційні) РНК. Ці РНК є одноланцюговими. мРНК синтезується на одному з ланцюгів ДНК, причому механізм цього процесу є схожим на механізм реплікації ДНК. Утворення мРНК починається на 51-кінці і за послідовністю основ ланцюг мРНК є комплементарним ланцюгу ДНК. Таким чином, під час синтезу мРНК просто копіюється нуклеотидна послідовність ДНК. Цей процес називається т р а н с к р и п ц і є ю. Генетичний код. Кожний ген представлений певною ділянкою молекули ДНК. Специфічна інформація, яка міститься в гені, визначається послідовністю азотистих основ у ланцюгу ДНК. “Алфавіт”, за допомогою якого записана ця інформація ДНК, включає чотири “букви” – основи: А – аденін, Г – гуанін, Т– тимін і Ц – цитозин. У мРНК тимін замінений на урацил – У. Специфічність ферментних білків, синтез яких контролюють гени, визначається послідовністю амінокислот у поліпептидних ланцюгах. Для перекладу з мови нуклеїнових кислот на мову амінокислот служить специфічний код. Кожна амінокислота визначається групою з трьох сусідніх нуклеотидів – триплетом (кодоном). Чому саме три нуклеотиди кодують одну амінокислоту? У ДНК є чотири види основ, білки складаються з 20 амінокислот. Якби код був однобуквеним, то можна було б закодувати тільки чотири амінокислоти з 20. Двобуквеного коду також недостатньо: за його допомогою можна закодувати 42=16 амінокислот. А трибуквеним кодом (43=64) можна закодувати всі 20 амінокислот, та ще й з надлишком. Трибуквеність генетичного коду була доведена в лабораторіях Ф.Кріка. Генетичний код виявився виродженим: один і той самий амінокислотний залишок міг кодуватися різними кодонами. Причому код вироджений нерівномірно: аргінін, наприклад, кодується шістьма кодонами, а метіонін – лише одним. У 1966 р. зусиллями вчених багатьох країн було завершено розшифрування генетичного коду (таблиця). тРНК, рибосоми, ряд ферментів, АТФ. Спочатку амінокислоти за участю АТФ активуються з утворенням аміноацил-АМФ. Від АМФ аміноацильна група переноситься на кінцевий нуклеотид тРНК. Активація та приєднання амінокислоти до відповідної тРНК відбувається за участю фермента аміноацил-тРНК-синтетази. Цей фермент розпізнає і амінокислоту, і відповідну їй тРНК. Існує 20 таких 59 синтетаз – по одній на кожну амінокислоту. Якщо для амінокислоти існує кілька кодонів, то для кожної такої амінокислоти існує і кілька тРНК. Різні тРНК, призначені для однієї й тієї ж амінокислоти, називаються і з о а кцепторними т РНК. Отже, відповідна синтетаза може приєднувати амінокислоту до кількох ізоакцепторних тРНК. У молекулі тРНК є ділянка, комплементарна кодону мРНК (антикодон). Амінокислоти з’єднуються на рибосомах (рисунок). Рибосома переміщується вздовж мРНК, починаючи з 51-кінця, і з кожним її переміщенням на один триплет наступна амінокислота встановлюється транспортною РНК у потрібне положення і приєднується своєю аміногрупою до карбоксильної групи попередньої амінокислоти (утворюється поліпептидний зв’язок). До мРНК прикріплюється кілька рибосом, так що на одній і тій самій матриці одночасно синтезуються кілька поліпептидних ланцюгів. Такий комплекс однієї мРНК з рибосомами називається п о л і с о м о ю. На кінці мРНК міститься кодон, від якого залежить відділення сформованого поліпептидного ланцюга від рибосоми(УАА, УAГ, УГА). Було встановлено, що 20 амінокислотам відповідає 61 кодон. Деяким кодонам притаманні певні специфічні функції – вони означають “початок” або “кінець” поліпептидного ланцюга. Генетичний код виявився універсальним для всієї живої природи: бактерія, тигр і гвоздика використовують однакові кодони для певних амінокислотних залишків. Трансляція мРНК: синтез білка. Амінокислоти з’єднуються в поліпептидний ланцюг за порядком, який визначається триплетами мРНК. У цьому процесі беруть участь мРНК (рис.5.1). Рис. 5.1 Синтез білка Отже, нуклеотидна послідовність ДНК являє собою “закодовану інструкцію”, яка визначає (за посередництва мРНК) структуру специфічного білка. Передавання інформації від ДНК через РНК на білок називають “центральною догмою” молекулярної біології. Так відбувається перенесення інформації у всіх організмів, у яких генетичним матеріалом служить ДНК (еукаріоти, прокаріоти, ДНКвіруси). 60 Серед РНК-вірусів є такі, у яких РНК реплікується безпосередньо на матриці РНК. Проте у деяких РНК-онковірусів спочатку відбувається синтез ДНК, тобто РНК є матрицею для синтезу ДНК. Інформація, що міститься у вірусній РНК, передається на ДНК зворотною транскрипцією (за участю фермента зворотної транскриптази). Цей фермент використовується в генній інженерії (якщо як носій інформації виділяють не ДНК, а відповідну мРНК, то остання повинна бути переписана в ДНК, яка і вбудовується в плазміду). У прокаріотів зворотна транскрипція не виявлена. 5.2. Мутації та їх виникнення Термін“мутація” був уперше введений голландським ботаніком Г.де Фрізом, який вивчав мінливість і спадковість у рослин. Він визначив мутацію як стрибкоподібні зміни спадкових ознак. Пізніше це поняття М.В.Бейєрінк поширив і на бактерії. Базуючись на поняттях генотипу тафенотипу, можна дати таке визначення мутації: мутація – це зміни генотипу, які проявляються у фенотипі. Спонтанні мутації. Мутації, які виникають у клітинах без будьякого експериментального втручання, називаються с п о н т а н н и м и. Клітини, в яких виникли спонтанні мутації, називаються с п о н т а н н и м и м у т а н т а м и. Численна частка спонтанних мутантів у клітинній популяції становить 10-4 – 10-11. Частота виникнення мутантів – це кількість мутацій у перерахунку на одну клітину чи на одну генерацію. “Мовчазні” мутації. Якщо мутація – це зміна генотипу, яка проявляється у фенотипі, то на молекулярному рівні будь-яку стабільну спадкову зміну ДНК можна розглядати як мутацію. Проте завдяки виродженості генетичного коду не всяка мутація такого роду буде проявлятись у фенотипі. У багатьох триплетах зміна третьої основи залишається без наслідків (“мовчазні” мутації). Навіть заміна другої чи першої основи у триплеті не завжди супроводжується серйозними наслідками. Наприклад, мутація AУЦГУЦ веде до заміни ізолейцину валіном, тобто до заміни однієї ліпофільної амінокислоти на іншу. Проте мутація ЦУУЦЦУ призведе до заміни лейцину проліном, і наслідком такої заміни буде відхилення від нормальної просторової конфігурації поліпептидного ланцюга, що в свою чергу може сильно змінити структуру вищого порядку. Зворотні мутації та реверсії. У мутанта може відбутися і зворотна мутація, в результаті якої відновляться властивості дикого типу. Істинною зворотною мутацією називають тільки таку мутацію, в результаті якої точно відновлюється початковий генотип, тобто коли змінений у результаті першої мутації триплет буде знову кодувати ту саму амінокислоту, що й раніше. Якщо ж відновлюється початковий фенотип, то мова йде про реверсію або супресорну мутацію. Відповідно 61 клітини, в яких виникли реверсії, називаються р е в е р т а н т а м и. Індуковані мутації. Обробляючи клітини мутагенними речовинами, можна підвищити частоту виникнення мутацій. У цьому разі йдеться про індуковані мутації, а клітини, в яких вони виникли, називають і н д у к о в а н и м и м у т а н т а м и. Мутагенами можуть бути хімічні, фізичні та біологічні агенти. Щодо генетичної структури розрізняють три класи мутантів з такими дефектами: 1) одна пара основ замінюється іншою. Наприклад, замість АТ може бути ГЦ або навпаки; 2) у нуклеотидну послідовність включається додаткова пара основ, або втрачається одна з існуючих пар; 3) група основ чи навіть генів може бути втрачена (делеція), переміщена в межах хромосоми (транспозиція) або розірвана вставкою сторонньої ДНК (інсерція). Для мутацій першого класу характерною є висока частота реверсій, для мутантів другого класу реверсії зустрічаються рідко, а після мутацій третьогокласу ревертанти не з’являються (за деяким винятком). Передавання ознак і генетична рекомбінація В еукаріотів під час запліднення об’єднуються гаплоїдні набори генів і утворюється диплоїдна зигота. У дочірньому диплоїдному організмі після мітотичних поділів і редукційного поділу (мейозу) відбувається перекомбінування хромосом, які належали обом батьківським наборам, і знову утворюються клітини з гаплоїдним набором генів (гамети). Такому статевомуспособу “перетасування” генетичного матеріалу протиставляють парасексуальні процеси, до яких належить і рекомбінація ознак у прокаріот. Бактерії майже завжди є гаплоїдними, вони мають лише один набір генів. Зиготи утворюються і у бактерій, але вони ніколи не бувають продуктом об’єднання цілих клітин. Як правило, з клітини-донора у клітину-реципієнт переноситься лише частина генетичного матеріалу, тобто утворюється неповна зигота (мерозигота). Хромосома реципієнта спарюється з фрагментом хромосоми донора, і вони обмінюються окремими ділянками. При наступному поділі клітини виникає клітина, яка містить тільки рекомбіновану хромосому. У бактерій відомі три способи передавання ознак: кон’югація, трансдукція, трансформація. У результаті цих процесів ДНК переноситься з бактерії-донора у бактерію-реципієнт. Ці три процеси відрізняються один від одного способом транспортування ДНК. Після перенесення ДНК у клітині-реципієнті відбувається рекомбінація. При цьому ДНК донора вбудовується в ДНК бактерії-реципієнта. Клітину, в якій відбулася рекомбінація, називають р е к о м б і н а н т о м (р е к о мбінантна кл і т и н а). 5.3. 62 Кон’югація. Перенесення генетичного матеріалушляхом прямого контакту між двома клітинами називається к о н ’ ю г а ц і є ю.Перенесення генетичного матеріалу може відбуватися тільки в одному напрямку: від донора (чоловічий штам) до реципієнта (жіночий штам), а весь процес рекомбінації проходить у клітинах реципієнта. Рекомбінанти успадковують більшість своїх ознак від реципієнта, а від донора отримують тільки фрагменти геному. Дослідженням процесу схрещування бактерій було встановлено, що здатність клітини бути донором зумовлена наявністю особливого фактора, який під час кон’югації передається з однієї клітини в іншу – статевого фактора F (від англ. fertility – плодовитість). Клітини, які не містять фактора F (клітини F‾), можуть функціонувати тільки як реципієнти. Фактор F являє собою кільцеву дволанцюгову молекулу ДНК з масою 45·106 Да. Як позахромосомний елемент, який здатний автономно реплікуватися, фактор F можна віднести до плазмід. Кон’югація є одним з найпоширеніших способів передавання генетичної інформації у бактерій. За допомогою кон’югації здійснюють картування хромосом (побудову генетичної карти). Штучно перериваючи кон’югацію у різні терміни після початку схрещування визначають часову (у хвилинах) послідовність входження різних генів у жіночу клітину. Трансдукція. Трансдукція – це процес передачі ДНК від клітинидонора до клітини-реципієнта за участю бактеріофагів. Як правило, фаг переносить лише невеликий фрагмент ДНК хазяїна. Є два типи трансдукції – неспецифічна, за якої може бути перенесений будьякий фрагмент ДНК хазяїна, та специфічна, за якої переносяться лише певні фрагменти ДНК. У процесі трансдукції фаги часто втрачають здатність лізувати клітини-хазяїна. Трансформація. Гени можуть також передаватися з клітини в клітину без будь-якого міжклітинного контакту і без будь-яких переносників. Таке передавання генів за допомогою вільної розчинної ДНК, виділеної з клітин- донора, називають т р а н с ф о р м а ц і є ю. У бактерій цей спосіб передавання ознак став відомим раніше за інші, і це відкриття відіграловажливу роль в історії науки. Запитання для самоперевірки 1. Що таке реплікація? 2. Які типи мутації Ви знаєте? В чому полягає їх відмінність? 3. Які бувають механізми генетичної реплікації? 4. Які існують способи передачі спадкової інформації? 63 Тема 6 Культивування і ріст. 6.1. Культивування мікроорганізмів Культивування – це процес вирощування мікроорганізмів на певних живильних середовищах. Відповідно, мікроорганізми, які розвиваються на цих середовищах називаються культурою. При культивуванні відбувається ріст культури, в результаті чого збільшується біомаса. Біомасою називається загальна кількість живої речовини в будь-якій розглядуваній екосистемі. Для культивування мікроорганізмів використовують поживні середовища, які повинні не тільки містити всі поживні речовини, необхідні для конструктивного і енергетичного обміну, але й бути для цих мікроорганізмів середовищем існування. Через це в ньому повинні підтримуватися відповідні оптимальні для кожного виду мікроорганізмів фізико-хімічні умови (температура, кислотність, насиченість киснем тощо), в яких обмін речовин між клітинами мікроорганізмів і середовищем відбувається найбільш інтенсивно. Конструктивний обмін (анаболізм) – це процес синтезу необхідних для організму складових із поживних речовин, що надходять з довкілля. Енергетичний обмін (катаболізм) – це процес розпаду органічних речовин із одночасним вивільненням енергії та перетворенням її в АТФ (енергія) та інші високоенергетичні сполуки. Внесення клітин мікроорганізму (зразка ґрунту, проби води, продукту), в стерильне живильне середовище називається посівом. Перенесення уже вирощеної клітини із одного середовища в друге називається пересівом. Колонія мікроорганізмів –це скупчення клітин одного виду, які виросли з однієї клітини. Середовища для культивування мікроорганізмів. Будь-яке поживне середовище для культивування мікроорганізмів повинне містити всі елементи, з яких будується клітина, у доступній для засвоєння організмом формі. Такими основними компонентами поживного середовища повинні бути: органогенні елементи (C, H, О, N, Р, S ), зольні елементи ( Р, S, К, Ca, Mg, Fe ) і мікроелементи (Mn, Cu, Na, Cl, Zn, B, Mo), а також (у разі потреби) фактори росту. Необхідне також джерело вуглецю, енергії та джерела мінеральних сполук. Вуглець споживається такими мікроорганізмами, як гетеротрофи у виді глюкози, цукрів, органічних кислот, спиртів та інших сполук. Джерелом мінеральних сполук, а саме азоту можуть бути білки, амінокислоти. Решту елементів додають у вигляді солей. У ролі факторів росту можуть бути дріжджові екстракти або автолізати (під дією ферментів клітини дріжджів руйнуються і білок стає доступним для мікроорганізмів). 64 За складом усі живильні середовища поділяються на дві групи: природні (натуральні) та синтетичні (штучні). Натуральними називають середовища, які складаються із продуктів тваринного або рослинного походження. Основою таких середовищ можуть бути овочеві і фруктові соки, шматки картоплі, моркви, м’ясна вода, гідролізоване молоко, солодове сусло, дріжджова вода, риба, розведена кров, відвари. На натуральних середовищах добре розвиваються багато мікроорганізмів, тому що вони містять всі компоненти, необхідні для їх росту. Натуральні середовища використовують в основному для вирощування культури мікроорганізмів, накопичення біомаси і зберігання чистих культур. Але ці середовища мають складний невизначений хімічний склад і мало придатні для вивчення фізіологічних процесів мікроорганізмів. До натуральних середовищ, які широко використовуються в лабораторній практиці, відносять м’ясо – пептонний бульйон (МПБ), нехмільне пивне сусло, дріжджові і картопляні середовища, ґрунтовий екстракт, середовище Ешбі, середовище Ендо та інші. Синтетичними називаються середовища, в склад яких входять тільки відповідні хімічночисті з’єднання (органічні або неорганічні хімічні сполуки: амінокислоти, цукри, мінеральні солі, вітаміни), взяті в точно вказаних кількостях. Синтетичні середовища більш зручні для дослідження обміну речовин. Знаючи точний склад і кількість компонентів, які входять в середовище, можна дослідити закономірності росту мікроорганізмів, споживання ними певних речовин і перетворення відповідних продуктів обміну. В теперішній час в розпорядженні мікробіологів є достатня кількість синтетичних середовищ, які у своїх якостях не поступаються складним натуральним середовищам. Наприклад середовище Рідера для вирощування дріжджів чи середовище Чапека для культивування грибів, тощо. За призначенням розрізняють: універсальні; селективні; диференційно-діагностичні середовища. До універсальних належать середовища, що можуть використовуватися для вирощування багатьох видів мікроорганізмів (м’ясо-пептонний бульйон (МПБ), неохмелене пивне сусло та ін.). Селективні, вони ж вибіркові, середовища забезпечують розвиток лише певних мікроорганізмів чи груп споріднених видів мікроорганізмів. Диференціально-діагностичні, або індикаторні, середовища використовують для диференціювання (виділення) видів мікроорганізмів (наприклад середовище Кіта Тароцці чи середовище Ендо для виявлення кишкової палички в природних субстратах (воді, харчових продуктах), 65 де вона утворює червоні колонії з металевим блиском та ін.). Тобтоце такі середовища, за допомогою яких можна швидко відрізнити один вид мікроорганізмів від іншого. Їх склад підбирається з таким розрахунком, щоб можна було чітко виявити найбільш характерні властивості якогось певного типу мікроорганізмів. За консистенцією живильні середовища поділяються на: щільні; рідкі; сипкі. Основою рідких середовищ є вода. До них відносяться відвари, екстракти або розчини хімічних речовин інших компонентів. Такі середовища використовують для накопичення біомаси мікроорганізмів, дослідження їх фізіологічних та біохімічних властивостей, рідше – для їх зберігання. При розвитку у рідкому середовищі культури мікроорганізмів утворюється емульсія, осадок, або плівка, при розвитку на щільному середовищі – колонії. Щільні середовища служать для виділення та зберігання (навіть консервування, тобто тривалого зберігання у, наприклад, музеях) чистих культур, одержання ізольованих колоній. Їх отримують шляхом додаванням до рідких желатину, кремнекислого гелю або агар-агару. Желатин – білок, який одержують виварюванням кісток, хрящів, сухожиль тварин. Його використовують рідко. Кремнекислий гель (силікагель) готують змішуванням рівних об’ємівHCl і рідкого скла ( Na2SiO2 або К2SiO2 ). Агар – це складний полісахарид, який виділяють із червоних морських водоростей шляхом екстракції під час кип’ятіння. Готовий агар – це порошок, пластинки або стебельця світло-жовтого кольору. До середовищ додають 1,5 – 3 % агару. Агаризовані живильні середовища використовують: для вивчення характеру росту і класифікації мікроорганізмів; для кількісного обліку мікроорганізмів; для виділення чистих культур мікроорганізмів при мікробіологічному аналізі повітря, води, ґрунту т.д. Сипкі середовища (висівки, пшоно, буряковий жом, макуха та ін.) використовують для зберігання деяких видів мікроорганізмів та їх спор, приготування посівного матеріалу. Поживні середовища мають бути збалансованими за своїм хімічним складом, мати такий же осмотичний тиск, як і у вмісті клітин мікроорганізмів та оптимальні для росту певного мікроорганізму активнукислотність (рН) і в’язкість. 6.2. Способи культивування мікроорганізмів Культивування можна проводити поверхневим або глибинним, періодичним чи безперервним методами, в аеробних або анаеробних 66 умовах. Спосіб культивування залежить від кінцевої мети: накопичування біомаси або отримання окремого продукту життєдіяльності мікроорганізму (метаболіту). Поверхневий метод. Суть поверхневого культивування полягає у вирощуванні аеробних мікроорганізмів (організми, для життєдіяльності яких потрібен вільний молекулярний кисень) на поверхні рідких і твердих поживних середовищ. При цьому мікроорганізми отримують кисень безпосередньо із повітря. У зв’язку з цим при поверхневому культивуванні стараються збільшити площу контакту середовища з повітрям. При поверхневому культивуванні на рідких середовищах мікроорганізми ростуть у вигляді плівок (наприклад, при виробництві лимонної кислоти). Глибинний метод. Цей метод культивування використовують на рідких середовищах, в яких мікроорганізми розвиваються по всій товщі. Поєднання поживного середовища і мікроорганізмів, які ростуть в ньому, називають культуральною рідиною. Оскільки мікроорганізми можуть поглинати тільки розчинний в воді кисень, то для забезпечення росту аеробів середовище необхідно постійно збагачувати киснем. Процес підведення кисню в глибину рідкого середовища називається аеруванням. Аерування здійснюється шляхом продування стерильного повітря через культуральну рідину при постійному перемішуванні, що забезпечує максимальний контакт клітин із киснем повітря. Глибинний метод широко використовується для отримання біомаси мікроорганізмів (пресовані хлібопекарські дріжджі, кормові дріжджі) і різних продуктів життєдіяльності мікроорганізмів (органічні кислоти, ферменти, антибіотики, амінокислоти). Перевага глибинного культивування заключається у тому, що цей спосіб не потребує великих площ і громіздкого обладнання. Перевагою є також простота обслуговування, можливість автоматизації, а головне, зручність видалення непошкодженого цільного продукту із культуральної рідини. Глибинне культивування мікроорганізмів може бути періодичним або безперервним. 6.2.1. Фази росту мікроорганізмів при періодичному культивуванні При періодичному методі весь об’єм поживного середовища засівають чистою культурою і вирощування ведуть в оптимальних умовах протягом певного часу до накопичення потрібної кількості продукту. Оскільки культивування ведеться на поживному середовищі, яке не відновлюється, клітини весь час знаходяться в умовах що змінюються. Тобто спочатку мікроорганізми мають усі поживні речовини, а потім поступово їх кількість зменшується і починається отруєння шкідливими продуктами обміну. В зв’язку з цим культура в 67 своєму розвитку проходить чотири фази росту і розмноження, протягом яких змінюються розміри клітин, швидкість розмноження тощо. Перша фаза – фаза затримки росту, наступає зразу ж після внесення культури мікроорганізмів в живильне середовище. В цій фазі мікроорганізми не розмножуються, а пристосовуються до середовища, проходить підвищення вмісту нуклеїнової кислоти та збільшення їх розмірів. Ця стадія є своєрідною підготовкою до подальшого інтенсивного росту і розмноження. Друга фаза – фаза росту, що характеризується високою швидкістю розмноження клітин, бо в середовищі багато живильних речовин і мало шкідливих продуктів обміну. У сприятливих умовах клітини бактерій діляться кожні 20 – 30 хвилин, їх число збільшується в геометричній прогресії (1,2,4,8,16 і.т.д.). Третя фаза – стаціонарна (фаза зрілості), коли розмноження мікроорганізмів сповільнюється, швидкість розмноження і відмирання врівноважуються, в результаті чого число клітин залишається постійним. Четверта фаза – фаза відмирання, коли клітини починають гинути і їх кількість зменшується. Недоліком періодичного культивування є нераціональні витрати часу на проходження всіх чотирьох стадій розвитку культури, причому період найактивнішої з них – другої фази – займає невелику частину виробничого циклу. При безперервному методі, як і при періодичному,об’єм поживного середовища засівають чистою культурою і вирощування ведуть в оптимальних умовах протягом певного часу до накопичення потрібної кількості продукту. Відмінністю і перевагою над періодичним методом є те, що вирощувана культура міститься у спеціальному приладі, в який постійно надходить свіже живильне середовище. Із такою ж швидкістю з приладу відводиться культуральна рідина з мікроорганізмами. Безперервне культивування автоматично регулюється, тому воно дуже перспективне, оскільки забезпечує значне збільшення продуктивності цехів при зменшенні затрат праці. Аеробне та анаеробне культивування. Під час аеробного культивування мікроорганізми потребують наявності кисню у середовищі. Це досягається шляхом надходження кисню по спеціальних трубах з малими отворами по всій довжині. При цьому кисень надходить у середовище у вигляді дрібних пухирців, які розчиняються під дією мішалки. Коли такої потреби у надходженні кисню немає, використовують анаеробне культивування, наприклад для отримання вітаміну В12. Загальними поживними середовищами для культивування анаеробних мікроорганізмів є: середовище Вільсона – Блера або залізосульфітний агар та середовище Кітта – Тароцці. Вирощування у високому шарі середовища. Рідке середовище наливають до країв пробірок чи колб. Перед використанням середовище 68 прогрівають на водяній бані 30–40 хвилин, і швидко охолоджують, щоб не встиг розчинитись кисень. Посівний матеріал вносять на дно пробірки, яку закривають гумовими або скляними пробками. Якщо ріст мікроорганізмів не супроводжується виділенням газів, поверхню середовища заливаютьстерильним вазеліном або парафіном. Культивування у в’язкому середовищі. Проникнення кисню у рідину зменшується зі збільшенням її в’язкості. Готують середовище з додаванням 0,5% агар-агару. Вирощування у шарі щільного середовища. Посівний матеріал вносять у розплавлене та охолоджене до 45–50 ˚С агаризоване середовище. У пробірках поверхню заливають стерильною вазеліновою олією. Вирощування в анаеростатах. З анаеростатів відкачують повітря, а потім заповнюють сумішшю азоту (80–90%) та вуглекислого газу (10– 20%), за рахунок якої створюється надлишковий тиск, який перешкоджає проникненню кисню з повітря. 6.2.2. Культури мікроорганізмів . Чисті культури мікроорганізмів Чистою називають культуру мікроорганізмів, яка утворена потомством однієї клітини. Створюючи в пробірці певні вибіркові умови, з невеликої кількості землі чи харчових продуктів можна отримати накопичувальні культури, а з них – чисті культури більшості відомих мікроорганізмів. Головним методом виділення чистих культур мікроорганізмів до теперішнього часу є метод, який запропонував Кох. Для цього роблять посів суміші клітин накопичуваної культури на щільне середовище. Вони проростають, утворюючи колонії чистої культури. Звичайно мікроорганізми вирощують при постійній температурі в термостатах – спеціальних шафах. Культивування при відповідній температурі називається інкубацією. Чисті культури частіше всього зберігають у пробірках на щільних середовищах. При цьому потрібно постійно робити пересіви на свіже поживне середовище. У харчовій промисловості застосовують чисті культури дріжджів, молочнокислих, оцтовокислих бактерій, які володіють цінними для виробництва властивостями, що гарантують отримання продукції високої якості. 6.2.3. Методи виділення чистих культур Метод розведення. Досліджуваний матеріал розводять у фізіологічномурозчині (штучно приготований водно-сольовий розчин, за осмотичним тиском і сольовим складом близький до плазми крові). В залежності від кількості мікроорганізмів, розведення можуть бути в 100, 1000, 10000 і т.д раз. Із збільшенням розведення число мікроорганізмів 69 зменшується, що дозволяє відділити окремі мікробні клітини і відібрати культуру у чистому вигляді. Для цього із більших розведень роблять посіви на щільне живильне середовище, на якому потім із кожної живої мікробної клітини виростає окрема колонія. Схожі між собою колонії розглядають і аналізують під мікроскопом. Метод розсіву. На щільне середовище в чашку Петрі, наносять краплю досліджуваного матеріалу. Стерильним шпателем краплю розподіляють в другу чашку, і так в декілька чашок. В останню чашку попаде найменше мікроорганізмів, отже виросте менше колоній, вони можуть бути ізольованими, що дозволить легко виділити чисту культуру. Метод використання елективних (вибіркових) середовищ. Одні мікроорганізми для росту потребують відповідних умов і складу речовини. Інші мікроорганізми на такому середовищі не ростуть. При наявності в досліджуваному матеріалі мікроорганізмів, які ростуть на такому селективному середовищі, їх можна виділити в чисту культуру, що в подальшому підтверджується прогляданням під мікроскопом. Метод виділення бацил. В досліджуваному матеріалі можуть бути як спорові, так і вегетативні мікроорганізми. Розділити їх можна нагріванням матеріалу при температурі 70 – 80 ˚С протягом 10 – 15 хвилин. В результаті вегетативні форми гинуть, а спори і бацили залишаються. Метод біологічного очищення. Після нагрівання досліджуваного матеріалу, в якому передбачають наявність спор, ним заражають піддослідну тварину. Якщо тварина гине, із крові трупа можна виділити чисту культуру.В організмі проходить її очищення біологічним шляхом. Елективні культури (культури нагромадження) Це культури, які одержують на елективних середовищах при певних умовах культивування. Для цих культур використовують середовища, склад яких найкраще задовольняє потреби певної групи мікроорганізмів. До цієї групи відносяться: маслянокислі бактерії, молочнокислі бактерії, збудник гниття – протея, амоніфікуючі бактерії, як от сінна паличка, галофіли. Також можна виділити елективні культури за методом Грама. Приготувати мазок: нанести на предметне скло краплю водопровідної води, петлею відібрати шматочок плівки, внести його в краплю води на склі і приготувати мазок тонким шаром. Зафіксувати розчином Люголя, додати почергово з витримкою в 1-2 хв спирт та розчин Пфейффера (водний фуксин) та змити водою. Потім препарат висушується на вогні та розглядається під мікроскопом. За методом Грама так звані грампозитивні мікроорганізми зафарбовуються в синьо-фіолетовий колір,а грамнегативні – в рожевочервоний. Асоціативні культури мікроорганізмів Асоціативні мікроорганізми відіграють важливу роль у житті рослин – вони забезпечують рослини елементами живлення та 70 підвищують здатність до пристосування до умов навколишнього середовища. Яскравими представниками є азотфіксуючі ґрунтові мікроорганізми роду Azotobacter пристосовані до вільного існування та родів Azospirillum, Beijerinсkia, що мешкають на поверхні коренів вищих рослин Запитання для самоперевірки 1. Які типи поживних середовищ ви знаєте? 2. Які існує способи культивування мікроорганізмів? 3. Які існують методи виділенння чистих культур? Тема 7. Дія зовнішніх факторів на життєдіяльність мікроорганізмів. 7.1. Фізичні фактори 7.1.1. Вологість середовища Великий вплив на розвиток мікроорганізмів має вода. Мікробна клітина на 75 – 85 % складається із води, всі поживні речовини потрапляють в клітину тільки в розчиненому вигляді, з водою виводяться із клітини продукти життєдіяльності. Мікроорганізми можуть розвиватися в харчових продуктах і на нехарчових предметах у присутності вільної води і не нижче певного рівня. Потреба у воді у різних мікроорганізмів коливається в широких межах. За потребою у воді мікроорганізми поділяють на такі групи: гідрофіти – вологолюбиві, мезофіти – середьовологолюбиві і ксерофіти – мінімально споживаючі воду. Більшість бактерій є гідрофітами, багато пліснявих грибів і дріжджів – мезофітами, проте серед них є і гідро-, і ксерофіти. Для любого продукту важливий абсолютний вміст вологи, який визначають висушуванням продукту до постійної маси і виражають в відсотках. Знання цього показника важливо для оцінюваня якості продукту. Вода може знаходитися у міжклітинному просторі у вигляді вільної води або бути зв’язаною з білком. Активна вода у харчовому продукті – це частина загальної води, яка не зв’язана з розчиненими солями, цукром, білками і іншими водорозчинними речовинами. Активна вода виражає ту кількість води, яка може бути використана при фізичних, хімічних і мікробіологічних змінах. Вона знаходиться в тісному зв’язку з відносною вологістю повітря називається ще активністю води (aW ). Активність води показує відношення тиску водяних парів розчину (субстрату) Р і чистого розчинника (води) Ро при одній і тій температурі: aW=Р/Ро =1. Активність води виражається величинами від 0 до 1: aW= 0 і вказує на те, що продукт зневоднений, aW= 1 є показником дистильованої води. Ріст мікроорганізмів відбувається при значеннях aW від 1 до 0,16…0,65. Оптимальне значення aW для бактерій 0,98…0,99. Приблизно 71 в таких же межах знаходиться aW швидкопсуючих продуктів: м’яса, риби, плодів і овочів. Наразі відомо багато мікроорганізмів – збудників псування харчових продуктів, для яких визначено значення aW. Перспективним способом продовження терміну придатності харчових продуктів є створення в них таких значень aW при яких мікроорганізми не розвиваються. Цього можна досягнути наступними шляхами. По-перше, при виробництві харчових продуктів можна добавити до них речовини, які здатні зв’язувати воду продукта, не справляючи впливу на його якість. По-друге, висушити (вилучити воду) продукт. Таким способом користуються з давніх давен (сушать фрукти, виноград, овочі, зелень). Сухі фрукти містять багато різних мікроорганізмів, так як багато з них добре переносять висушування. серед них можуть бути і патогенні мікроорганізми. В суих продуктах може бути велика кількість спор батерій і грибів, які зберігають життєздатність до проростання проягом десятків років. Зволоження сухих продуктів в період зберігання викликає розвиток мікроорганізмів і, як наслідок, псування продуктів. Для збереження сухих продуктів велике значення має відносна вологість і температура повітря. Сухі продукти гігроскопічні і можуть як віддавати, так і поглинати воду з повітря. Між вологістю повітря і вологістю продукта встановлюється певна рухома рівновага. При одній і тій же відносній вологості повітря різні продукти можуть мати різну вологість, тобто вологість, яка встановлюється при даній відносній вологості повітря. Величина відносної вологості повітря при одному і тому ж вмісті в ньому вологи змінюється залежно від температури: із зниженням температури повітря зменшується зменшується його волого здатність і навпаки. Тому при зниженні температури в процесі зберігання продуктів кількість водяних парів в повітрі може виявитися надлишковою, тобто вища межі його насичення. Надлишок водяних парів будуть осідати у вигляді крапель на поверхні продукту, що призведе до розвитку мікроорганізмів. При зберіганні та транспортувані сухих харчових продуктів необхідно приймати міри для попередження зміни їх вологості, тобто дотримуватись встановленого режиму зберігання і пакування сухих продуктів в спеціальну тару. Це збереже продукцію ще від попадання мікроорганізмів ззовні. Сублімаційна сушка (висушування в вакуумі продуктів в замороженому вигляді) продуктів сприяє кращому зберіганню їх якості: краще зберігаються вітаміни, смакові якості. Однак необхідно пам’ятати, що мікроорганізми добре витримують і таке висушування, зберігають життєздатність при багаторічному зберіганні сублімаційно висушених харчових продуктів. 72 7.1.2 Температура Температура середовища являється одним з фізичних факторів зовнішнього середовища, який визначає можливість і іінтенсивність розвитку мікроорганізмів. Всі мікроорганізми розвиваються у певних межах температури. При цьому для кожного мікроорганізму існують три температурні кардинальні точки розвитку: мінімум – температура, нижче якої розвиток мікроорганізмів не відбувається; оптимум – краща температура для розвитку мікроорганізмів; максимум – температура, вище якої розвиток мікроорганізмів не відбувається. По відношенню до температури мікроорганізми підрозділяються на такі групи: психрофіли, термофіли, мезофіли. Психрофіли (холодолюбиві мікроорганізми) добре ростуть при низьких температурах: мінімум в межах від -10 до 25 °С. Психрофіли – це мікроорганізми, які живуть і ґрунтах полярних зон, в північних морях, снігах Арктики, на охолоджених і заморожених продуктах. Термофіли (теплолюбиві мікроорганізми) розвиваються при відносно високих температурах: мінімум не нижче 30, оптимум 55... 65 °С, максимум близько 70... 80°С. Деякі мікроорганізми живуть і при більш високій температурі, що досягає 90 °С. Термофіли мешкають в гарячих джерелах, гейзерах Камчатки, самонагріваючих скупченнях різних органічних матеріалів (в зерні, сіні, гної,компост і ін.), в продуктах, які пройшли теплову обробку. Мезофіли (середньотеплолюбиві) розвиваються при невисокій температурі: мінімум 5... 10, оптимум 25...35°С. Серед мезофілів одні мікроорганізми здатні розвиватися при високой температурі, а інші – при низькій. Більшість найбільш поширених в природі бактерій, грибів і дріжджів, в тому числі і багато збудників псування харчових продуктів, відносяться до мезофілів. Температурні точки розвитку мікроорганізмів відповідають оптимальнійтемпературі дії їх ферментів. З підвищенням температури тривалість її згубного впливу на мікроорганізми швидко зменшується. Так, спори Clostridium botulinum відмирали при 100 °С через 33 хв; при 105 °С – через 32 хв; при 115 °С –через 10 хв; при 120 °С – через 4 хв. Спори більшості дріжджів і пліснявих грибів менш стійкі до нагрівання, ніж спори бактерій, і гинуть при нагріванні до 65...80° С, спори деяких пліснявих грибів витримують навіть нагрівання до 100 °С. При нагріванні клітини і спори гинуть не одночасно, серед них завжди є більш і менш стійкі. Термостійкість може змінюватись в залежності від рН і концентрації середовища, в якій відбувається нагрівання. Нагрівання викликає незворотні зміни в клітині – денатурації білків і нуклеїнових кислот. Висока термостійкість спор бактерій обумовлена, вочевидь, малим вмістом в них вільної води, вмістом дипіколінової кислоти (піридин-2,6дикарбонових кислот) і кальцію. Дипіколінова кислота виявлена тільки в 73 спорах. На згубний вплив високих температур засновані багато прийомів знищення мікроорганізмів у харчових продуктах: кип'ятіння, варіння, обсмажування, бланшування. Виробниче обладнання харчових виробництв пропарюють. У харчовій промисловості використовують два способи впливу високих температур на мікроорганізми: пастеризацію і стерилізацію. Пастеризація – це нагрівання продукту при температурі 63... 80 °С протягом 20...40 хв. Іноді пастеризують при температурі 90... 100°С протягом декількох секунд. При пастеризації гинуть вегетативні клітини мікроорганізмів, а термостійкі бактерії і спори багатьох мікроорганізмів залишаються життєздатними. Тому натуральні продукти слід негайно охолодити до температури 10 °С і зберігати на холоді, щоб стримати проростання спор і розвиток решти клітин. Пастеризують багато харчових продуктів: молоко, вино, пиво, ікру, фруктові соки та ін. Стерилізацією називається повне звільнення будь-якого харчового продукту від живих мікроорганізмів або спор. Мікроорганізми проявляють різну чутливість до засобів, застосовуваних для їх знищення. Існують видові особливості і чутливості, а також відмінності, що залежать від вмісту води, значення рН, віку клітин або спор і т.д. Результат впливу різних агентів, застосовуваних для знищення мікроорганізмів, висловлюють через час, необхідний для того, щоб у певній популяції за певних умовах середовища спричинилась загибель 90 % клітин. Повна або часткова стерилізація здійснюється за допомогою вологого і сухого жару, фільтрації, опромінення та ін. При використанні вологого жару вегетативні клітини бактерій і грибів гинуть через 5…10 хв при температурі 60 °С, для загибелі спор дріжджів і грибів необхідна температура 120 °С протягом 15 хв. Для досягнення температури вище точки кипіння води користуються автоклавом, в якому температура насиченого пару залежить від тиску.Тривалість стерилізації залежить від теплоємності судин, в яких проводиться стерилізація. Можна досягнути тих же результатів при дрібній стерилізації (тендалізації) в текучому парі при 100 °С протягом трьох днів підряд по 30 хв щоденно. В проміжках між нагріванням продукт зберігають в термостаті для того, щоб спори проросли, а далі вегетативні клітини були знищені при наступному нагріванні. При стерилізації сухим жаром бактеріальні спори переносять більш високі температури і протягом більш довгого часу. Скляний посуд стерилізують сухим жаром протягом 2 год при 160°С. Знищення мікроорганізмів жаром засноване на коагуляції клітинних білків. Фільтрацією найзручніше стерилізувати розчини, що містять термолабільні речовини. В лабораторії Пастера вперше були використані свічки Шамберлана (неглазуровані порцелянові циліндри). В даний 74 час в лабораторіях і для стерилізації питної води використовують фільтр Беркефельда з пресованого кизельгуру. Використовуються також азбестові платівки і фільтрі Зейтца. Скляні і мембранні фільтри, а також деякі фільтрувальні матеріали випускаються з різною величиною порів, що дозволяє розділяти мікроорганізми різної величини і форми. Опромінення використовують для повної або часткової стерилізації. У цьому випадку застосовують ультрафіолетові, рентгенівські промені. У лабораторних умовах найбільше значення мають ультрафіолетові промені (УФ-випромінювання). У випромінюванні більшості ультрафіолетових ламп переважають промені з довжиною хвилі близько 260 нм, які поглинаються переважно нуклеїновими кислотами. При тривалому впливі ці промені викликають загибель всіх мікроорганізмів. УФ-випромінювання використовується для стерилізації приміщень. При цьому бактерії гинуть дуже швидко, а спори грибів, які являются менш чутливими до ультрафіолету, – значно повільніше, або зовсім не гинуть. Дія на мікроорганізми низької температури. Більшість мікроорганізмів не може розвиватися при температурі нижче 0 °С. Наприклад, гнилісні бактерії і бактерії, що викликають харчові отруєння, не розмножуються при температурі нижче 4... 5, гриби – 3...5 °С. Патогенні мікроорганізми не розмножуються вже за 10°С. Проте багато мікроорганізмів можуть досить довго зберігати життєздатність при зниженій температурі, переходячи у анабіозний стан, тобто стан "прихованого життя", подібно зимовій сплячці тварин, знову оживаючи при підвищенні температури. При низькій температурі (нижче мінімальної) багато мікроорганізмів гине. Причин загибелі клітин мікроорганізмів може бути кілька: порушення обміну речовин, інактивація ферментів, зниження активності води та пошкодження клітин кристалами льоду та ін. Однак існує досить багато мікроорганізмів, що розмножуються при низьких температурах. Їх називають психрофілами і вони поширені в місцях проживання з низькою температурою: в Арктиці, Антарктиді, в холодних морях і океанах, тундрі; наприклад, в трупах мамонтів, що пролежали у вічній мерзлоті сотні років, збереглися життєздатні спори бактерій. Холодостійкість психрофілівколивається в широких межах. Низька температура широко застосовується при зберіганні харчових продуктів. Використовують два способи холодильного зберігання: в охолодженому стані і в замороженому вигляді. Охолодження харчових продуктів здійснюється при температурі від +10 до - 2 оС. У такому вигляді харчові продукти краще зберігають свої натуральні властивості, але ріст мікроорганізмів на охолоджених продуктах не виключається, а лише сповільнюється. Терміни зберігання охолоджених харчових продуктів нетривалі і залежать від температури зберігання та вихідної контамінації (обсіменіння) продукту психротрофними мікроорганізмами: чим їх більше, тим менший термін 75 зберігання. Для подовження термінів зберігання харчових продуктів в охолодженому стані застосовують додаткові заходи впливу на мікроорганізми: опромінення ультрафіолетовими променями, підвищення вмісту СО2 в атмосфері, створення анаеробних умов, що перешкоджають розвитку холодостійких мікрорганізмів (аеробів) – збудників псуванняхарчових продуктів. Велике значення при зберіганні харчових продуктів в охолодженому стані має відносна вологість повітря в приміщенні: як тільки вона збільшується, мікроорганізми развичуються швидше. В холодильних камерах завжди знаходиться яке-число різн мікроорганізмів, які потрапляють туди разом з харчовими продуктами, тарою, з вступникам повітрям. Тому холодильні камери необхідно утримувати в чистоті і підтримувати температурно-режим зволоження. Заморожування харчових продуктів здійснюється при температурі від - 12 до -30 °С, при цьому швидко відмирає значна частина мікроорганізмів, що знаходяться на них. Однак заморожений стан не звільняє харчові продукти від мікроорганізмів. У холодильниках зберігається досить багато мікроорганізмів – психрофілів. Їх розвиток тільки сповільнюється. Під час розморожування харчових продуктів, особливо при витіканні соку, мікроорганізми знову розмножуються і викликають псування продуктів, тому відтавати заморожені харчові продукти потрібно безпосередньо перед вживанням. 7.1.3. Промениста енергія Випромінювання різних типів мають потенційну здатність справляти на мікроорганізми руйнівну дію. Однак, одноклітинні організми мають безліч захисних механізмів; багато видів мікроорганізмів використовують не один, а велику кількість способів боротьби з радіаційними випромінюваннями. Випромінювання в навколишньому середовищі підрозділяються на неіонізуючі, найбільш небезпечні для мікроорганізмів, і на іонізуючі. Неіонізуюче випромінювання. З усіх природних випромінювань неіонізуюча сонячна радіація володіє найбільшим потенціалом біологічношкідливого впливу. Підраховано, що тільки 0,00028 % сонячної радіації справляють летальну дію на бактерії. Велика небезпека сонячного випромінювання проявляється в появі мутантних організмів, дефектних за спроможністю здійснювати репаративні (відновні) процеси. Наприклад, більше 99,9 % клітин Е. coli, в яких порушені репаративні механізми, гинуть при опроміненні сонячним світлом протягом 3 хв. Таким же чином сонячні промені впливають на мутантні штами дріжджів. Весь спектр сонячного випромінювання з довжинами хвиль аж до 700 нм справляає на мікроорганізми летальну дію, але найбільш небезпечні довжини хвиль лежать в ультрафіолетовій області спектра (менше 400 нм). Хоча ці 76 промені мають низьку проникаючу здатність, вони викликають у одноклітинних організмів фотохімічні реакції. До найбільш важливих з них відноситься утвореня піримідинових димерів в ДНК. В даний час УФ-опромінення досить широко використовується на практиці: для дезінфекції операційних в лікарнях, лабораторних приміщень, холодильних камер та ін. Крім того, УФ-промені можуть бути використані для дезінфекції тари, обладнання, посуду, а також для стерилізації плодових соків і вин (в тонкому шарі). Іонізуюче випромінювання. Існують природні джерела іонізуючого випромінювання двох типів: позаземні і земні. Позаземні джерела випромінювання виникають в космічному просторі як первинні космічні промені. Вони дають початок вторинним космічним променям, дії яких і піддаються живі організми. Земні джерела випромінювання можуть бути природними і штучними. Природними джерелами випромінювання є радіоактивні ізотопи в скельних породах ґрунту, гідросфери і атмосфері. Деякі з них поглинаються живими організмами, і, отже, опромінення може бути не тільки зовнішнім і внутрішнім. Середня доза зовнішнього опромінення від земних джерел становить 50 мрад в рік, внутрішня – 20 мрад в рік. Джерела штучного іонізуючого випромінювання виникають у результаті випробувань ядерної зброї, роботи атомних електростанцій, застосування радіоактивних ізотопів з медичною метою та ін. Як правило, вони суворо локалізовані. Значуща доза від штучних джерел випромінювання становить лише близько 1 % природних джерел. Мікроорганізми можуть періодично або постійно отримувати високі дози опромінення. Чутливість мікроорганізмів до опромінення варіює в дуже широких межах. Причини настільки значних варіацій радіаційної чутливості неясні. Знайдено вид Pseudomonas, що мешкає в ядерних реакторах. Іонізуючі випромінювання викликають пошкодження в клітині, які поділяються на дві категорії: безпосередні та опосередковані. Безпосередні пошкодження – це одноланцюгові або дволанцюгові розриви в ДНК. Вони відносно рідкісні. Опосередковані пошкодження виникають у зв'язку з утворенням вільних радикалів, які теж викликають одноланцюгові і дволанцюгові розриви. В даний час для обробки сільськогосподарської сировини, харчових продуктів і інших використовують іонізуючу радіацію, зокрема γпромені. Таку обробку називають радуризацією. Однак радуризація харчових продуктів дозволяється органами охорони здоров'я з великою обережністю. 7.1.4. Радіохвилі Радіохвилі – це електромагнітні хвилі великої довжини – від міліметрів до кілометрів і частотами від 3 х 104 до 3 х 106 Гц. Проходження коротких і ультрарадіохвиль (з довжиною хвилі від 10 м 77 до міліметрів) через середовище викликає в ньому виникнення змінних струмів високої (ВЧ) і надвисокої (НВЧ) частоти. В електромагнітному полі електрична енергія перетворюється в теплову. Характер нагрівання в полі ВЧ і НВЧ відрізняється від звичайних способів нагрівання і має ряд переваг. Наприклад, харчовий продукт нагрівається швидко і рівномірно по всій масі; вода в склянці закипає через 2...3 с, риба (1 кг) вариться до готовності за 2 хв, м'ясо (1 кг) – за 2,5, курка – за 6...8 хв. В останні роки використання ВЧ і НВЧ для приготування харчових продуктів все більш широко застосовується в харчовій промисловості, так і в громадському харчуванні, в побуті. 7.1.5. Ультразвук Ультразвук (УЗ) – це механічні коливання з частотами більше 20 000 коливань в секунду (20 кГц). Коливання такої частоти перебувають за межами чутливності людини. УЗ-хвилі поширюються у твердих, рідких і газоподібних середовищах, володіють великою механічною енергією івикликають ряд фізичних, хімічних і біологічних явищ. Різні мікроорганізми мають неоднакову чутливість до впливу ультразвуку. Штами мікроорганізмів одного і того ж виду мають різну стійкість. Бактерії більш чутливі, ніж дріжджі; при цьому більш стійкі, ніж паличкоподібні. Спори бактерій значно стійкіші вегетативних клітин. Ефективність дії УЗ при одній і тій же інтенсивності і частоті коливань залежить від тривалості впливу, хімічного складу опромінюваного середовища, її в'язкості, рН, температури, кількості бактерій в об'єкті. УЗ все більш широко застосовується в різних областях техніки і галузях промисловості. Ведуться дослідження по застосуванню УЗ для стерилізації питної води, харчових продуктів (молока, фруктових соків, вин). 7.2.Хімічні фактори 7.2.1.Реакція середовища Реакція середовища (рН) справляє великий вплив на життєдіяльність мікроорганізмів. Для кожного мікроорганізму існує своя оптимальна зона рН,в межах якої він може розвиватися. Більшість мікроорганізмів розвивається в нейтральному середовищі, тобто при рН близько 7, і відчуває пригнічення в більш кислому або більш лужному середовищі. Проте в залежності від місця проживання можуть бути лужнолюбиві і кислотолюбиві мікроорганізми. Як загальну закономірність можна відзначити, що бактерії більше тяжіють до нейтрального середовища, гриби – до слабокислого. Проте є чимало винятків із цього правила. Сапрофіти, що живуть в грунті або в водоймах, а також на харчових продуктах, можуть розвиватися в середовищі зі значними 78 коливаннями рН. Тому вони пристосувалися існувати в досить широкому діапазоні рН, вимірюваному кількома одиницями. Паразитичні форми, пристосовані до умов тіла господаря, живуть зазвичай в дуже вузькому діапазоні рН – у межах одиниці. Плісняві гриби можуть розвиватися в широкому діапазоні рН – від 1,2 до 11,0. Спори грибів проростають в більш вузькому інтервалі рН. Мікроорганізми, які живуть в широкому діапазоні рН, зазвичай досить значно змінюють свій обмін речовин в більш кислотних або лужних умовах. У більш кислих умовах обмін речовин здійснюється таким чином, що в середовище продукуються лужні речовини, що нейтралізують кислотність. У більш лужних умовах багато мікроорганізмів посилено продукують кислоти, що зменшують лужність середовища. У багатьох мікроорганізмів є здатність у відомих межах регулювати рН середовища. Цю здатність мікроорганізмів можна назвати "пристосувальним обміном", коли одні й ті ж мікроорганізми, наприклад дріжджі, в кислому середовищі утворюють з цукру велику кількість етилового спирту і мало гліцерину, а в лужному – велика кількість гліцерину і мало спирту. Встановлено, що деякі органічні кислоти (оцтова, бензойна, масляна) мають бактерицидну дію на мікроорганізми. Оцтова кислота згубно діє на мікроорганізми в концентрації 0,5... 2 %. Молочнокислий стрептокок припиняє розмножуватися в присутності молочної кислоти при рН 4,4... 4,7, а оцтової – при рН 4,8 ... 5,1. Знаючи відношення мікроорганізмів до реакції середовища і регулюючи рН, можна пригнічувати або стимулювати їх розвиток, що має велике практичне значення. Несприятливий вплив кислого середовища на гнилісні мікроорганізми використовується при зберіганні деяких харчових продуктів в маринованому і квашеному вигляді. При маринуванні до продукту додають оцтову кислоту. При квашенні дають можливість розвиватися молочнокислим бактеріям, які утворюють молочну кислоту і перешкоджають розвитку гнильних бактерій. Мариновані та квашені продукти слід пастеризувати і зберігати при зниженій температурі. 7.2.2.Окисно-відновні умови середовища Кисень, як один з найважливіших факторів зовнішнього середовища, необхідний мікроорганізмам (за винятком анаеробів) для здійснення окислювальних процесів, які дають енергію для життя. Мікроорганізми при поверхневому рості (на субстраті) отримують кисень безпосередньо з повітря. При глибинному рості (всередині субстрату) мікроорганізми можуть використовувати тільки розчинений кисень. Аэробам потрібно багато кисню. Наприклад, для окислення 1 г глюкози до СО2 і Н2О їм потрібно приблизно 1 г кисню: С6Н12О6+ 6О2= 6СО2+ 6Н2О Із-за різких коливань умов аерації мікроорганізми повинні мати 79 велику лабільність і пристосовуватися до різних умов постачання киснем. Мікроорганізми мають різні потреби в умовах аерації. Ті з них (а їх більшість), які живуть за рахунок окиснення речовин киснем, називаються облігатними аеробами, а ті, які отримують енергію без участі кисню повітря за рахунок окиснення-відновлення речовин субстрату, називаються облігатними анаеробами. Для облігатних анаеробів кисень шкідливий, так як в його присутності у них утворюється перекис, які викликає небажані окиснення, в результаті чого їх життєдіяльність припиняється. Поряд з облігатними анаеробами і аеробами є проміжні форми з ознаками двох типів: мікроорганізми, які мають лабільний обмін речовин, тобто. що живуть за рахунок окиснення киснем повітря і за рахунок окислювально- відновлювальних реакцій без участі кисню повітря; їх називають факультативними аеробами; при нестачі кисню вони можуть переходити на анаеробний спосіб існування; мікроорганізми, для яких кисень не обов'язковий, так як вони живуть за рахунок їх окислення-відновлення; називають факультативними анаеробами; кисень для них або неядовитий, абослабо отруйний. Ступінь аеробності або анаеробності може бути кількісно охарактеризований величиною окислювально-відновного потенціалу, при якій мікроорганізми можуть розвиватися. В мікробіології окислювально-відновлювальний потенціал виражають через індекс гН2, який аналогічний рН, але рН виражає ступінь кислотності та лужності, а гН2 – ступінь аеробності. У водному розчині, насичений киснем, гН2 = 41, а в умовах насичення воднем гН2 = 0. Шкала від 0 до 41 характеризує будь-який ступінь аеробності і анаеробності. Облігатні анаероби можуть жити при гН2 не вище 18...20, але не розмножуватися. У цих умовах вони виділяють в середовище відновлювачі. Розмножуються ж вони лише при дуже низьких значеннях гН2 – не вище 3... 5. Для облігатних аеробів нижньою межею життєдіяльності є гН2 = 10, а при гН2 = 30 і вище умови життєдіяльності є несприятливими. Облігатні аероби захищаються від надмірного окиснення виділенням в середовище сильних реставраторів. Види мікобоцидів. З неорганічних сполук найбільш сильнодіючими антагоністами мікробів є солі важких металів, особливо ртуті. При дії ртуті концентрацією 1:1000 протягом декількох хвилин більшість бактерій гине. Більш стійкими є спори бактерій. Пагубну дію на мікроорганізми справляють іони важких металів (золота, міді, особливо срібла), присутні у розчинах навіть у дуже малих концентраціях. Таку специфічну дія називають олігодинамічною (oligos – малий, dinamys – сила). Наприклад, у воді, в якій знаходиться срібло металеве, хоча звичайними методами навіть сліди розчиненого срібла не визначаються, мікроорганізми гинуть. Це пояснюється тим, що іони срібла адсорбуються на поверхні клітини і змінюють властивості та 80 функції цитоплазматичної мембрани. Олігодинамічну властивість срібла можна використовувати для дезінфекції питної води. Препарати срібла і посріблені матеріали використовують в медицині. Бактерицидну дію проявляють багато окислювачів (хлор, йод, перекис водню, перманганат калію) і мінеральні кислоти (сірчиста, борна, фтористо- воднева). Згубні для мікроорганізмів сірководень, окис вуглецю, сірчистий газ, діоксид вуглецю. Отрутами для мікроорганізмів є деякі органічні з'єднання – формалін, феноли. Вегетативні клітини бактерій гинуть в 2...5%-ному розчині карболової кислоти досить швидко, а спори навіть у 5%-ному розчині карболової кислоти зберігають життєздатність протягом 2 тижнів і більше. Згубно діють на мікроорганізми спирти, органічні кислоти (саліцилова, масляна, оцтова, бензойна, сорбінова). Бактерицидною дією володіють ефірні масла, дубильні речовини, деякі барвники (генціанвіолет, діамантова зелень, фуксин). Багато з названих антисептиків використовують в медицині, сільському господарстві, промисловості, в побуті як дезінфікуючі засоби для боротьби з патогенними бактеріями. Наприклад, для дезінфекції питної води, тари, устаткування, інвентарю широко використовують хлор. Антисептики використовують для захисту від мікробних вражень текстильних матеріалів, деревини, паперу та інших матеріалів і об'єктів. Дія біоцидів на мікроорганізми. Механізм дії біоцидів зводиться до таких явищ: пошкодження поверхневих структур клітини і ферментів, порушення метаболізму мікроорганізмів і синтезу клітинних компонентів. Пошкодження поверхневих структур клітини відбувається під дією таких речовин, як етанол, феноли, крезоли, нейтральні мила, поверхневоактивні речовини (ПАР). Етанол 70%-ної концентрації викликає коагуляцію білків і справляє бактерицидну дію. Феноли, крезоли, нейтральні мила і ПАР (детергенти) діють на зовнішні шари клітин і порушують вибіркову проникність цитоплазматичної мембрани. Оскільки клітинні мембрани складаються головним чином з ліпідів і білків, то детергенти, що мають полярну структуру (їх молекули містять як ліпофільні, так і гідрофільні іонізовані групи), накопичуються в ліпопротеїнових мембранах (теж мають полярну структуру) і порушують їх функції. Детергенти володіють широким спектром антимікробної дії. Їх зазвичай застосовують для дезінфекції різних поверхонь і одягу. З детергентами схожі по своїй дії деякі поліпептидні (поліміксин, колістин, бацитрацин, субтілін) і антимікробні речовини рослинного походження. Під дією біоцидів відбувається пошкодження ферментів і порушення метаболізму мікроорганізмів. Так, деякі важкі метали (мідь, ртуть, срібло та ін.) діють на ферменти як сильні отрути навіть у малих концентраціях. Це так звана олігодинамічна дія. Як у вигляді солей 81 (НgС12, CuCl2, AgNO3), так і у формі органічних сполук вони пов'язують SH-групи (сульфгідрильні групи) і тим самим глибоко змінюють третинну і четвертинну структуру ферментних білків. Блокується і функціональна сульфгідрильна группа коферменту А. Як ферментна отрута діє ціанід: він пов'язує залізо і блокує функцію дихального ферменту – цитохромоксидази. Оксид вуглецю також пригнічує функцію цитохромоксидази, тобто діє шляхом "конкурентного гальмування". Порушення синтезу клітинних компонентів відбувається під дією сульфонамідів. Використання хімічних сполук при виробництві та збереженні продовольчих товарів. Для обробки свіжих плодів, овочів, плодовоягідних напівфабрикатів застосовуються сірчистий ангідрид, сірчиста кислота та її солі. Наприклад, солі сірчистої кислоти(бісульфіт калію і натрію, метабісульфіт калію та ін.) вигляді гранул або таблеток закладають або в масу плодів і овочів, або пакувальний матеріал; консервантом є сірчистий ангідрид, що виділяється поступово. Для консервування напівфабрикатів з плодово-ягідної сировини, рибних консервів, кетової ікри та інших продуктів використовують бензойну кислоту і її натрієву сіль. Бензойна кислота знаходиться у брусниці, чорниці. Підвищена стійкість до мікробного забруднення цих ягід і продуктів їх переробки, можливо, пов'язана саме з наявністю бензойної кислоти. Як консервант безалкогольних та алкогольних напоїв, напівфабрикатів, маринадів, кулінарних виробів використовують сорбінову кислоту і її солі. Сорбінова кислота менш токсична, ніж бензойна і сірчиста, і більш активна по відношенню до мікроорганізмів. У природі в невеликих кількостях її знаходять у ягодах горобини. При вмісті її в кількості 0,03...0,1 % вона безпечна для людей, не надає продукту сторонніх присмаків і запахів, але тривало затримує ріст мікроорганізмів, навіть бактерій групи кишкової палички та сальмонел. Особливо ефективно її дія в кислому середовищі при рН 3,0...4,5. Однак на ріст молочнокислих і оцтовокислих бактерій сорбінова кислота не впливає. Сорбінова кислота не може вноситися безпосередньо в продукт, нею можна обробляти як поверхню продукту, так і обгорлювальних матеріалів. Для запобігання пліснявіння і появи картопляної хвороби хліба використовують пропіонову кислоту, її вводять в тісто або нею обробляють обгорлювальний папір. Пропіонову кислоту можна використовувати для збереження деяких рибних продуктів. Багато швидкопсувних продуктів успішно можна зберігати в атмосфері з підвищеним вмістом діоксиду вуглецю. Так, при концентрації СО2 в атмосфері близько 20 % ріст пліснявих грибів – збудників псування продуктів – гальмується, а при концентрації 40...50 % зовсім припиняється. Бактерії стійкіші до діоксиду вуглецю, їх ріст пригнічується при концентрації 40...50 % СО2, а деякі спороутворюючі 82 анаероби розвиваються навіть при 60...80 % СО2. Високий вміст СО2 в атмосфері сховища погіршує якість деяких продуктів. Найбільш доцільно використовувати діоксид вуглецю в поєднанні з охолодженням продуктів. Терміни зберігання м'яса, птиці, ковбас і інших продуктів при температурі близько 0 °С в атмосфері, що містить 10... 15 % СО2, збільшуються в 2-3 рази в порівнянні з термінами звичайного зберігання при тій же температурі. Деякі харчові продукти (ковбаси напівкопчені, сир, копчена риба) добре зберігаються при періодичному озонуванні невеликими дозами безпосередньо в холодильних камерах або в камерах, озонованих перед завантаженням продуктів. Періодичне озонування повітря овочесховищ невеликими концентраціями сприяє ефективному зберіганню цибулі, моркви,білокачанної капусти. Озон О3 – речовина нестійка, розпадається на молекулярний і атомарний кисень. Саме атомарний кисень, будучи сильним окислювачем, вбиває мікроорганізми. Чутливість різних мікроорганізмів до хімічних сполук неоднакова. Доцільно застосовувати їх суміш, підбираючи її з таким розрахунком, щоб при впливі на мікрофлору харчового продукту один консервант доповнював інший. Найдавніший спосіб обробки харчових продуктів – копчення м'ясних і рибних продуктів – заснований на принципі антисептики. При копченні м'ясо і риба просочуються летючими антисептичними речовинами диму. Найбільшими бактерицидними і фунгіцидними властивостями з компонентів диму мають формальдегід, феноли і органічні кислоти. Крім димового копчення існують різні коптильні препарати, що дозволяють проводити копчення бездимних способом. 7.3.Фізико-хімічні фактори У природі мікроорганізми живуть в субстратах (середовищах) з різноманітним вмістом розчинених речовин, що мають різний осмотичний тиск. Відповідно в середовищі існування мікроорганізмів внутрішньоклітинний осмотичний тиск у різних мікроорганізмів коливається в широких межах. В одних збудників псування харчових продуктів осмотичний тиск становить 0,5...1,5 МПа, у деяких пліснявих грибів – до 20 МПа, у грунтових бактерій – 5... 8 МПа. Представники одного і того ж виду мікроорганізмів, що живуть у різних умовах, мають різний осмотичний тиск. Зазвичай внутрішньоклітинний осмотичний тиск декілька вищий, ніж осмотичний тиск середовища проживання. При попаданні мікроорганізмів в середовище з мізерно малим вмістом речовин (дистильована вода) цитоплазма клітин починає швидко переповнюватися водою, відбувається розрив клітинної стінки (плазмоптис) і клітина гине. Підвищення концентрації речовин в середовищі вище певної межі викличе зневоднення (плазмоліз) клітин, при цьому припиняється надходження поживних речовин в клітину. У 83 стані плазмолізу одні мікроорганізми довго зберігають життєздатність, інші гинуть. Для підвищення стійкості харчових продуктів при зберіганні широко використовують поварену сіль і цукор. Більшість бактерій мало чутливі до повареної солі у концентрації 0,5...2 %, а 3%-вий вміст солі вже несприятливий для існування багатьох мікроорганізмів: придушуються процеси дихання, ферментативна активність,порушуються функції клітинних мембран. Розмноження багатьох гнильних бактерій при концентрації повареної солі 3... 4 % пригнічується, а за 7... 10 % припиняється. Розвиток деяких збудників харчових отруєнь (ботулінуса, сальмонел) припиняється при концентрації повареної солі 6... 10 %. Проте багато мікроорганізмів довго зберігають життєздатність навіть при концентрації солі 20 %. Серед мікроорганізмів є пристосовуючі види, які можуть розвиватися як при невисокому, так і при високому осмотичному тиску, наприклад при підвищеному вміст солі та цукру. Такі мікроорганізми називаютьосмотолерантними. Існують мікроорганізми, які нормально розвиваються в субстратах звисоким осмотичним тиском. Їх називають осмофільними. Ці мікроорганізми, що розвиваються при високих концентраціях повареної солі(20 %і вище), називають галофілами(солелюбивими). Зниження концентрації солі до 10... 13 % приводить до зупинки розмноження галофілів.Концентрація солі, необхідна для призупинення розвитку мікроорганізмів, залежить від рН середовища. Розвиток дріжджів в солоних продуктах у кислому середовищі пригнічується при концентрації солі 14 %, а в нейтральному – при 20 %. Псування солоних продуктів (риби, бекону та ін.) під впливом галофільних мікроорганізмів відбувається досить часто. Наприклад, дефект риби, названий фуксином, викликається неспороутворювальними бактеріями Halobacterium salinarium, що виробляють червоний пігмент. Ці бактерії заносяться в продукт з сіллю, тому солоні харчові продукти слід зберігати при низьких температурах, щоб не дати розвиватися мікроорганізмам. Кондитерські вироби, варення, джеми, фруктові сиропи і інші цукровмісні продукти, для отримання яких використовується цукор, при зберіганні можуть зброджуватися, пліснявіти, прокисати за рахунок розвитку осмофільних пліснявих грибів, дріжджів і бактерій. Наприклад, осмофільні термофільні дріжджі, що залишилися у продукті після пастеризації, викликають псування харчових продуктів, що пройшли теплову обробку. Псування цукристих харчових продуктів можуть викликати мікроорганізми, які потрапили в продукт вдруге ззовні. Щоб уникнути повторного інфікування харчових продуктів мікроорганізмами, слід розливати продукт в гарячому вигляді в 84 стерильну тару, закривати її герметично і зберігати при низькій температурі. 7.4.Біологічні фактори 7.4.1.Форми взаємовідносин мікроорганізмів У природних субстратах (ґрунт, водойми, рослинні та тварини залишки, харчові продукти) мікроорганізми існують як складні асоціації, усередині яких складаються різноманітні взаємини. Ці взаємини визначаються фізіолого-біохімічними особливостями організмів і відповідними екологічними факторами (стану середовища, природи, концентрації і доступності субстрату – поживних речовин, визначених видів мікроорганізмів, характеру їх дії і ін.). Велике значення мають ті взаємини між організмами, які складаються в місцях їх природного проживання. Вони включають в себе широкий діапазон різноманітних форм: від мирного співжиття до явного антагонізму. Умовно всі форми взаємин мікроорганізмів можна поділити на декілька типів: метабіоз, симбіоз, комменсалізм, паразитизм, антагонізм. Симбіоз. Симбіотичні відносини мікроорганізмів характеризуються тим, що два види мікробів або більше у спільному розвитку створюють для себе взаємовигідні умови. Так, і кефірних зернах одночасно розвиваються молочнокислі бактерії і дріжджі, створюючи при цьому взаємовигідні умови: молочнокислі бактерії (лактобацили, стрептококи, мікрококи) отримують від дріжджів вітаміни, а дріжджі завдяки підкисленню середовища молочнокислими бактеріями знаходять сприятливі умови для свого розвитку. Приблизно те ж саме відбувається в «чайному грибі", де спільно розвиваються кілька видів оцтовокислих бактерій і дріжджі. Метабіоз. У природі це явище поширене. При метабіозі продукти життєдіяльності одного мікроорганізму, містять в собі ще значну кількість енергії, споживаються іншими мікроорганізмами як поживний матеріал. Це має місце при послідовному використанні якого-небудь одного складного субстрату. Наприклад, при використанні білкових речовин послідовно в цьому процесі можуть брати участь амоніфікатори, нітрифікатори, денітрифікатори. Ті ж процеси відбуваються в харчових продуктах при їх мікробному псуванні. Комменсалізм. При комменсалізмі взаємна користь від спільного співжиття мікроорганізмів чітко не виражена, але і не приносить шкоди. Класичний приклад комменсалізма – нормальна мікрофлора шлунковокишкового тракту людини. Паразитизм. Паразитизм характеризує таку форму взаємин, при якій розвиток деяких мікробів відбувається за рахунок речовин тіла (клітини) інших організмів. Бактерії-паразити у своєму еволюційному розвитку втратили здатність синтезувати багато речовини; вони отримують їх в готовому вигляді за рахунок свого господаря. "Господар" 85 ж ніякої користі від такого співжиття не отримує. Внутрішньоклітинними паразитами є бактерії, а внутрішньоклітинними – рикетсії і фаги віруси. Бактеріофаг в клітині бактерії і актинофаг в клітині актиноміцета розвиваються за рахунок речовин цих мікроорганізмів, призводячи свого "господаря" до загибелі. Бактерії паразитують на гіфах грибів, велика група грибів-паразитів розвивається на інших грибах. Антагонізм. У природних умовах розвитку мікробів досить часто спостерігаються явища не тільки взаємно сприятливі, але і такі, при яких один вид мікроорганізмів тим або іншим способом пригнічує або повністю пригнічує ріст і розвиток інших видів. Така форма взаємин називається антагонізмом. Це явище поширене серед бактерій, актиноміцетів, грибів та інших організмів. Узагальнив окремі факти мікробного антагонізму І. І. Мечников. Він запропонував шляхи використання цього явища на практиці. І. І. Мечников пов'язував передчасне старіння людини з постійною інтоксикацією організму продуктами життєдіяльності гнильних бактерій в кишечнику. Він запропонував використовувати молочнокислі палички простокваші для витіснення цих гнильних бактерій з кишечнику людини. Розглянуті типи взаємин, існуючі в світі мікроорганізмів, не вичерпують все те різноманіття зв'язків, яке існує серед мікроорганізмів як у природі, так і на харчових продуктах. На різних етапах росту мікроорганізмів залежно від умов їхнього розвитку один тип взаємин може змінюватися іншим, взаємодіючи мікроби в одному типі можуть мінятися місцями. Все це свідчить про наявність досить складного і різноманітного характеру взаємин організмів, які перебувають у природних місцях проживання, в тому числі іна харчових продуктах. 7.4.2.Антибіотики Явище антагонізму послужило підставою для виникнення науки про антибіотики – хімічні речовини, синтезовані мікроорганізмами, які затримують ріст інших мікроорганізмів або викликають їх загибель. Перший антибіотик – пеніцилін – був відкритий англійським мікробіологом А.Флемингом у 1929 р. Відкриття пеніциліну стало величезною перемогою сучасних біологічної, медичної та хімічної наук у боротьбі з різними інфекційними і запальними процесами, а також потужним стимулом для пошуку нових антибіотиків, синтезованих різними групами мікроорганізмів: бактеріями, актиноміцетами, дріжджами, пліснявими грибами, вищими грибами, рослинами і тваринами. Дія антибіотиків заснована на придушенні ними синтезу білків і нуклеїнових кислот. Такі антибіотики, як стрептоміцин і неоміцин, гальмують процес зв'язування амінокислот між собою. Еритроміцин порушує функцію субодиниць рибосоми. Тетрациклін перешкоджає приєднанню аміноацил т–РНК до рибосом. Пеніцилін порушує процес 86 утворення клітинної стінки бактерій. Антибіотики є незамінними лікувальними препаратами і використовуються для лікування великого числа інфекційних захворювань як людей, так і тварин. Крім того, в сільському господарстві окремі антибіотики використовуються як стимулятори росту тварин. При широкому застосуванні антибіотиків в якості лікувальних препаратів відбувається швидке накопичення резистентних (стійких) до цих сполук форм мікроорганізмів, а це вимагає заміни одного антибіотика іншим,тобто пошуку все нових і нових антибіотиків. Антибіотики використовуються також у харчовій та консервній промисловості, наприклад при збереженні свіжої риби (тріски, камбали та ін.) шляхом занурення її на 1 ...5 хв у морську воду, що містить хлортетрациклін в концентрації 5... 100 мг/л. Гарні результати виходять при зануренні риби в охолоджену до 1...1,5°С морську воду з вмістом у ній всього 2 мг хлортетрацикліна на 1 л. Можна подовжити термін зберігання свіжої риби на 5 днів і більше при утриманні риби на льоду, у складі якого є 1... 2 мг хлортетрацикліна або 25 мг біоміцина на 1 л. До застосування антибіотиків органи охорони здоров'я відносяться з великою обережністю, оскільки при багаторазовому надходженні з їжею навіть у дуже малих кількостях антибіотиків в організмі людини можуть з'явитися стійкі форми хвороботворних мікроорганізмів за рахунок витіснення антибіотиками корисних мікроорганізмів з нормальної мікрофлори шлунково-кишкового тракту. Дозволяється використання лише деяких антибіотиків (ністатину і біоміцину) і тільки в обмежених випадках (транспортування на далекі відстані сирих продуктів, наприклад м'яса, риби). Допустимий вміст антибіотиків у продукті чітко регламентується і потрібно повне руйнування його в процесі звичайної теплової кулінарної обробки. Для консервування харчових продуктів дозволено використовувати спеціальні антибіотики, що не застосовуються у медицині. Таким антибіотиком є, наприклад, нізин, що синтезується молочнокислими стрептококами, який пригнічує ріст стафілококів, деяких стрептококів, анаеробних термофільних спорових бактерій – збудників псування консервів і пресервів. Нізин, що затримує проростання спор, використовують при виготовленні згущеного молока, плавлених сирів. До антибіотиків, що синтезуються тваринами, відносяться лізоцим, еритрин, екмолін. Лізоцим – білкові речовини, що виробляються різними тканинами та органами тварини та людини. Він міститься в слізній і слинній рідині людини, яєчному білку, рибній ікрі. Лізоцим не тільки вбиває чутливі до нього бактерії, але і розчиняє (лізує) їх. Еритрин – антибіотик, одержуваний з червоних кров'яних кульок (еритроцитів) тварин. Еритрин активний проти стафілококів і стрептококів. Екмолін – антибіотик, одержуваний з тканин риб. Екмолін активний 87 проти бактерій, що викликають кишкові захворювання. 7.4.3.Фітонциди або антибіотики рослинного походження Фітонциди – леткі речовини, які виділяються деякими рослинами, а також тканинні соки, які викликають загибель інфузорій, бактерій, дріжджів, пліснявих грибів. Фітонциди виявлені у представників всіх груп вищих рослин. Найбільшими антибіотичними властивостями володіють фітонциди цибулі, часнику та деяких інших рослин. Фітонциди представляють собою не окремі речовини, а комплекси з'єднань. Фітонцидними властивостями володіють бальзами, смоли, речовини ліпідної будови, дубильні речовини, глюкозиди, антоціани, ефірні олії. Фітонциди можуть стимулювати або пригнічувати розвиток інших рослин на відстані. Біологічна активність фітонцидів змінюється в одного і того ж виду рослини в залежності від сезону року: наприклад, хвоя сосни восени менш бактерицидна, ніж хвоя, зібрана у травні або червні. До теперішнього часу вивчено велику кількість різних фітонцидів, деякі з них отримані у чистому хімічно вигляді. До їх числа відноситься аліцин, рафинін та ін. Аліцин – фітонцид часнику – є дуже нестійким з'єднанням: при кімнатній температурі він руйнується протягом декількох днів. Однак незайманий часник зберігає антибіотичну активність протягом року і більше. Показано, що в часнику аліцин міститься не у вигляді вільної речовини, а у вигляді з'єднання, яке може переходити у антибіотик. Аліцин пригнічує розвиток грампозитивних і грамнегативних мікробів і розвиток туберкульозної палички. Аліцин токсичний і не застосовується в медицині. Рафинін міститься в насінні редиски, коріння і листя салату не містять антибіотика. З 1 кг насіння можна отримати до 3 г чистого рафиніна, який пригнічує розвиток грамнегативних і грампозитивних бактерій за високоїконцентрації – 40...200 мкг/мл. До антибіотичних речовин відносяться також фітоалексини, які утворюються в результаті проникнення в рослину певного паразита. Процес утворення фітоалексинів стимулюється одним або декількома продуктами життєдіяльності, які паразит вводить в клітини рослини"господаря". Запитання для самоперевірки 1.Які фізичні фактори і як впливають на мікрорганізми? 2. Які хімічні фактори і як впливають на мікрорганізми? 3. Які біологічні фактори і як впливають на мікрорганізми? 4. Які методи зберігання харчових продуктів з використанням факторів зовнішього середовища? 88 Тема 8. Патогенні мікроорганізми та харчові захворювання 8.1. Основні властивості патогенних мікроорганізмів Фахівцям з виробництва харчових продуктів та їх безпеки необхідно знати основи знань про патогенні мікроорганізми – збудників різних інфекцій, захворювань і отруєньлюдини і тварин. Патогенними називаються такі мікроорганізми, які викликають захворювання людини, тварин і рослин. Вони характеризуються трьома основними властивостями: патогенністю, вірулентністю і токсиноутворенням. Патогенністъ – здатність патогенних мікроорганізмів викликати захворювання (гр. pathos – страждання, хвороба, genes – народжує). Патогенність є видовим властивістю бактерій, тобто вона властива увазі в цілому, але в той же час у різних представників даного виду вона може бути різною. Вірулентність (лат. virulentus - отруйний) – це ступінь (міра) патогенності. Вірулентність може бути посилена (підвищена) або ослаблена (знижена) в результаті впливу на патогенний мікроорганізм різними способами. Наприклад, Л.Пастер отримав вакцину проти сибірської виразки шляхом вирощування її збудника при високій температурі (42 °С), яка сприяла втраті плазміди, що визначає патогенність збудника. Вакцину проти сказу він отримав шляхом селекції штаму вірусу сказу, високовірулентного для кроликів, але нешкідливого для людини. Токсиноутворення – здатність патогенних мікроорганізмів виробляти токсини двох типів: ендотоксини і екзотоксини, які володіють своєрідною дією і викликають глибокі порушення життєдіяльності організму. Ендотоксини, що утворюють тільки грамнегативні бактерії, представлені ліпополісахаридами і пов'язаними з ними білками. Вони термостабільні і вивільняються з бактеріальних клітин після їх руйнування, не мають специфічність дії. Ендотоксини є запалюючими агентами: вони збільшують проникність капілярів і справляють руйнівну дію на клітини. Запальна дія неспецифічна. Екзотоксини синтезують як грампозитивні і грамнегативні бактерії. У грампозитивних бактерій вони виділяються в навколишнє клітинне середовище. У грамнегативних бактерій (холерний вібріон, токсигенні кишкові палички, сальмонели) деякі екзотоксини синтезуються тільки при певних умовах безпосередньо в інфікованому організмі, звільняючись з клітини тільки після її руйнування. Всі відомі екзотоксини є білками, серед яких є термолабільні і термостабільні. Всі вони володіють високою силою дії (найсильніші токсини в природі – мікробного походження), високою вибірковістю і специфічністю дії, яку вони виявляють після деякого інкубаційного періоду. Екзотоксини є сильними антигенами і індукують утворення в організмі антитіл, тобто антитоксинів, які нейтралізують їх дію. 89 Екзотоксини руйнують еритроцити, лейкоцити, тромбоцити і інші формені елементи крові, а також клітини культур тканин. Інші екзотоксини пригнічують життєво важливі процеси в клітині: синтез білка (дифтерійний токсин), перенесення електронів по ланцюгу. Наприклад, екзотоксин Cl. botulinum пригнічує виділення ацетилхоліну в нервово-м'язовому синапсі і блокує передачу нервового імпульсу на м'язове волокно. Особливим чином проявляють свою дію екзотоксини, синтезовані стафілококами. Вони володіють властивостями суперантигенів, тобто антигенів, які стимулюють синтез зайвої кількості Т-лімфоцитів, що виробляють величезну кількість інтерлейкіну-2, що і призводить до токсичного ефекту. Фахівцям необхідно знати умови розповсюдження патогенних мікроорганізмів, які потрапляють на харчові продукти та кулінарні вироби, про харчові інфекційні захворювання і отруєння, які вони можуть викликати. 8.2 Харчові (кишкові) інфекції і інфекційні захворювання, викликані патогенними мікроорганізмами 8.2.1 Основні джерела інфекції Інфекція (лат. infectio – заражаю) – це процес взаємодії між макро- і мікроорганізмом, що протікає в конкретних умовах зовнішнього середовища (в тому числі соціального). Існують три основні джерела інфекції: людина, тварини та об'єкти зовнішнього середовища, через які розповсюджуються патогенні мікроорганізми та які служать природним середовищем існування деяких патогенних бактерій. Інтерес представляють патогенні мікроорганізми, які потрапляють в організм людини з зовнішнього середовища, головним чином з ґрунту, води і харчових продуктів. Особливо важливу роль в епідеміології кишкових інфекцій грають інфіковані вода і харчові продукти. На харчових продуктах збудники харчових інфекцій можуть довго зберігатися життєздатними і вірулентними, багато з них стійкі до низьких температур і виживають навіть в заморожених продуктах. Їжа, інфікована патогенними мікроорганізмами, служить причиною виникнення інфекційних захворювань. Патогенні мікроорганізми потрапляють на харчові продукти різними шляхами: з рук персоналу; з повітря з пилом; з забруднених води або льоду, які використовуються при зберіганні; при контакті з зараженої тарою. М'ясо, молоко та інші продукти можуть бути заражені патогенними мікроорганізмами, якщо вони одержані від хворої тварини або бациллоносія. Для виникнення інфекційного захворювання досить вмісту в їжі невеликої кількості живих клітин патогена, які внаслідок високої патогенності активно розмножуються в організмі людини і викликають специфічне захворювання. 90 8.2.2. Характеристика інфекційного захворювання Розвиток інфекційного захворювання. Однією з форм інфекції (найважчою, але не єдиною) є інфекційне захворювання. Розвиток інфекційної хвороби характеризується певною циклічністю, зміною періодів. Розрізняють інкубаційний і продромальний періоди, періоди розвитку (розквіту) хвороби і одужання. Інкубаційний період – це період від моменту зараження до появи перших ознак захворювання. В організмі відбувається активне розмноження збудника і накопичення токсинів до потрібної кількості, після якого настає наступний період – продромальний. Продромальний період – період провісників неспецифічних загальних проявів: слабкості, розбитості, головного болю, загальне нездужання, підвищеної температури. Тривалість продромів становить 24...48 год. У період розквіту хвороби відбувається наростання симптомів: лихоманка, інтоксикація, запалення, поява висипки. Період одужання – наступ клінічного одужання, яке відбувається зазвичай раніше бактеріологічного. В цей період людина практично здорова, але продовжує залишатися бактеріоносієм. Роль імунітету у захисті організму від інфекції. Живий організм, який перехворів певним інфекційним захворюванням, набуває імунітету (від лат. immunitas – позбавлення від чогось). Основоположниками вчення про імунітет стали російський вчений І.І.Мечников і німецький учений П.Ерліх. В даний час можна дати наступне визначення імунітету. Імунітет – це цілісна система біологічних механізмів самозахисту організму, з допомогою якої він розпізнає і знищує все чужорідне (тобто генетично відрізняється від нього), якщо воно проникає в організм чи виникає в ньому. За допомогою цих механізмів підтримується структурна й функціональна цілісність організму протягом усього його життя, тобто зберігається фізичне здоров'я людей і забезпечується зцілення від багатьох хвороб. Імунітет буваєвроджений (спадковий), або неспецифічний, і набутий або специфічний. Вроджений імунітет – це несприйнятливість до інфекції, обумовлена вродженими біологічними особливостями, що передаються у спадок як будь- який інша ознака виду. Набутий імунітет формується в процесі індивідуального життя людини в результаті взаємодії з відповідними збудниками інфекції. Він є строго специфічним, тобто завжди спрямований проти конкретного збудника. Людина протягом свого життя може набувати несприйнятливість до багатьоххвороб. Залежно від механізму утворення набутий імунітет підрозділяється на штучний і природній, а кожен з них, у свою чергу, – на активний і 91 пасивний. Природний активний імунітет виникає внаслідок перенесення захворювання в тій або іншій формі, в тому числі легкій і прихованій. Його ще називають постінфекційний. Природний пасивний імунітет створюється в результаті передачі дитині від матері антитіл. Штучний активний імунітет утворюється в результаті щеплень вакцинами. Штучний пасивний імунітет обумовлений введенням імунних сироваток або препаратів гаммаглобуліна, що містять відповідні антитіла. Антитіла, будучи специфічними захисними речовинами, спрямованими проти чужорідних речовин, що утворюються після перенесеного захворювання або після щеплень як реакція на введення мікробних тіл. Антитіла є унікальними сироватковими білками – глобулінами. В даний час їх називають імуноглобулінами. Унікальність антитіл полягає у тому, що вони здатні взаємодіяти тільки з тим антигеном, який індукував їх утворення. Практично антитіла можуть бути отримані до будь-якого антигену. Утворення антитіл можуть викликати антигени, які потрапляють в організм (гр. anti - проти, genes - рід) – речовини, які несуть ознаки генетично чужорідної інформації. Антигени володіють високою молекулярною масою. Чим крупніша молекула, тим вища антигенність. Повноцінні антигени – це білки. У мікробній клітині містяться різні антигени: капсульні, джгутикові, соматичні, що розрізняються за складом, властивостями і дією. 8.2.3. Види харчових інфекційних захворювань Збудниками гострих бактеріальних кишкових захворювань (діарея) є багато видів бактерій, але найбільш часто – представники сімейства Enterobacteriaceae з наступними ознаками: всі вони є короткими паличками; спор не утворюють; рухливі (перитрихи), але є і нерухомі; грамнегативні; факультативні анаероби або аероби; місце проживання – шлунково-кишковий тракт і дихальні шляхи, шлях зараження – фекально-оральний. Сімейство налічує більше 30 родів і більше 100 видів. Найбільш важливими для людини є наступні роди: Escherichia, Salmonella, Shigella, Vibrio, Brucella, Bacillus, Mycobacterium, Yersinia, Listeria та інші. Харчові інфекційні захворювання протікають як типові заразні хвороби,з характерними для кожної клінічними ознаками. Ешеріхіози. Збудниками цих інфекційних захворювань є бактерії виду Е. coli роду Escherichia. Бактерії Е. coli викликають різні захворювання, у тому числі гнійні запалення, але найчастіше вони є збудниками діареї За українським і міжнародним стандартами наявність Е. coli є показником ступеня фекального забруднення харчових продуктів і особливо питної води. На середовищі Ендо Е. coli ростуть у вигляді темно-малинових з металевим блиском колоній. Для росту 92 бактерій оптимальною є температура 37 °С . Бактерії Е. coli є представниками нормальної мікрофлори шлунково-кишкового тракту всіх ссавців, птахів, рептилій і риб. Патогенні Е. coli проникають в епітеліальні клітини кишечника, розмножуються в них і викликають їх руйнування. Бактерії Е. coli утворюють два типи екзотоксинів: цитотоніни і цитотоксини, а також ендотоксини – ліпополісахариди. Цитотоніни сприяють гіперсекреції рідини, що містить іони Na+, Ка+ і бікарбонати, в клітинах кишечнику, що призводить до порушення водно-сольового обміну та розвитку діареї. Цитотоксини викликають руйнування клітин епітелію і стінки капілярів кишечнику. Лабораторна діагностика хвороби заснована на виділенні чистої культури Е. coli. Лікування захворювань проводиться антибіотиками. Для відновлення водно-сольового обміну застосовують оральні сольові розчини. Черевний тиф (гр. typhos – туман). Це тяжке гостре інфекційне захворювання характеризується глибокою загальною інтоксикацією, бактеріємією, специфічним враженням лімфатичного апарату тонкого кишечника. Інтоксикація проявляється сильним головним болем, запамороченням, маячнею. Збудником черевного тифу є патогенні мікроорганізми роду Salmonella, які включають в себе велику групу бактерій, але тільки три з них – S. typhi, S. paratyphi А й S. paratyphiВ викликають захворювання у людей з клінічною картиною черевного тифу. Оптимальною для росту бактерій є температура 37 °С. На середовищі Ендо колонії всіх трьох сальмонелл безбарвні, на вісмут- сульфіт-агарі мають чорний колір. Найважливішою біологічною особливістю збудників черевного тифу і паратифів А і В є їх здатність протистояти фагоцитозу. Основним фактором патогенності є ендотоксин, що відрізняється надзвичайно високою токсичністю. Джерелом черевного тифу та паратифу А є тільки хвора людина. Зараження – фекально-оральне (через їжу, воду, особливо молоко). Найбільш великі епідемії викликало інфікування збудниками водопровідної води. Інкубаційний період при черевному тифі триває 15 днів, але може варіювати від 7 до 25 днів, що залежить від дози, що заражає, вірулентності збудника і імунітету хворого. Для лікування використовують такі антибіотики, як левоміцетин, ампіцилін та ін. Дизентерія. Це одне з найбільш частих гострих кишкових захворювань, яке характеризується загальною інтоксикацією організму, проносом і своєрідним ураженням слизової оболонки товстого кишечника. Збудниками дизентерії є велика група бактерій, об'єднаних в рід Shigella, який включає у себе 40 серотипів. Оптимальною температурою для росту бактерій є 37 °С. Шигелли мають досить високу стійкість до факторів зовнішнього 93 середовища. Вони виживають на бавовняній тканині і на папері протягом 30...36 днів, в ґрунті – до 3...4 міс, в воді – 0,5...3 міс, на фруктах і овочах – до 2 тижнів, в молоці і молочних продуктах – до декількох тижнів. Шигелли чутливі до розчинів хлораміну, активного хлору і інших антисептиків. Найважливіша біологічна властивість шигел, що обумовлює їх патогенність, – здатність впроваджуватися в епітеліальні клітини, розмножуватися в них і викликати їх загибель. Джерелом інфекції є тільки людина. Тварини дизентерією не хворіють. Зараження – фекально-оральне (через воду, їжу, особливо молоко і молочні продукти), а також контактно- побутове. Інкубаційний період при дизентерії триває протягом 2...5 днів, іноді менше доби. Найбільш типові клінічні прояви наступні: пронос і загальна інтоксикація. Основний шлях боротьби з дизентерією полягає в поліпшенні системи водопостачання та каналізації, забезпеченні суворих санітарногігієнічних режимів на підприємствах харчової, особливо молочної промисловості, в дитячих установах, місцях громадського користування та дотримання особистої гігієни. Шигелли утворюють ендотоксин і два типи екзотоксинів. Холера. За визначенням ВООЗ, холера – це хвороба, для якої типовий гострий важкий зневоднювальний пронос з випорожненнями у вигляді рисового відвару, що є наслідком зараження холерним вібріоном. Широке поширення, важкий перебіг хвороби і висока летальність роблять холеру особливо небезпечним інфекційним захворюванням. Холерний вібріон може довго зберігатися у воді і розмножуватися при сприятливих умовах. Сприятливими умовами для холерного вібріона є висока температура (середньорічна від 25 до 29 °С), велика кількість опадів, висока щільність населення, велика кількість органічних речовин у воді (безперервне забруднення води стічними водами), низький матеріальний рівень життя і своєрідні релігійнокультові обряди населення. Збудником холери є бактерії роду Vibrio, який налічує понад 25 видів. Бактерії роду Vibrio – це короткі вигнуті або прямі грамнегативні палички. Спор і капсул не утворюють, рухливі, мають один джгутик, добре і швидко ростуть на звичайних середовищах. Холерні вібріони добре виживають за низької температури: у льоді зберігають життєздатність до 1 міс., в морській воді – до 47 діб, в річковій воді – від 3…5 днів до декількох тижнів, на варених продуктах (рис, м‘ясо, каші) – 2…5 днів, на сирих овочас – 2…4 дні, в молоці і молочних продуктах – 5 днів; на полотняній білізні – термін виживання збільшується на 7 днів. Холерні вібріони гинуть при 80 °С через 5 хв, при 100 °С – відразу, високочутливі до кислот та хлору. Основним джерелом інфекції є хвора людина або вібріоносій, і забруднена вода. Забруднення – фекально94 оральне ( в основному через воду і їжу), а також контактно-побутовим шляхом. При виникненні захворювання холерою проводяться ряд заходів, направлених на виявлення і ізоляцію хворих, припинення шляхів розповсюдження інфекції. Особлива увага приділяється водопостачанню, дотриманню санітарно-гігієнічного режиму в закладах харчування, торгівлі і сфери обслуговування, харчових виробництвах тощо. Бруцельоз. Це своєрідне аворювання людей і тварин спричиняють бактерії роду Brucella. Людина заражається бруцельозом від домашніх тварин (вівці, кои, корови, свині), які є головним природним резервуаром збудника. Зараження відбувається при виванні сирого молока. Бруцели мають хорошу стійкість у зовнішньому середовищі. вони берігаються у грунті і воді до 2…3, інколи до 4,5 міс, в молоці до 275 днів, в маслі – до 142 днів, в сирі – до 1 року, в кефірі до 11 днів. Бактерії чутливі до підвищеної температури: при 70 °С гинуть через 10 с, при кипятіні за декілька секунд. Бруцели чутливі до різних дезинфіктантів. Людина заражається від тварин головним чином контактним чи контактно-побутовим шляхом. Аліментарний спосіб зараження спостерігається в основному при вживанні не пастеризованого молока від хвори тварин чи молочних продуктів, приготовлених з нього. Сибірська виразка. Це гостре інфекційне захворювання людей і тварин, збудником якого є бактерії Bacillus antracis. Бактерії В. anthracis – грампозитивні; не мають джгутиків; утворюють спори, які розташовуються центрально, і капсули; оптимальною для росту є температура 37... 38 °С. Бактерії ростуть на звичайних поживних середовищах, на щільних середовищах утворюють характерні великі матові шорсткуваті колонії. Одним з важливих факторів вірулентності В. anthracis є капсула, що оберігає бактерії від фагоцитозу. Втрата капсули призводить до втрати вірулентності. Іншим важливим фактором вірулентності є складний комплекстоксину. У вегетативній формі збудник гине при температурі 75 °С через 5... 10 хв, спори ж надзвичайно стійкі: у ґрунті зберігаються десятки років. Спори довго зберігаються в шерсті і шкірі тварин, використовуваних для різної вичинки. Основним джерелом сибірської виразки є хворі травоїдні тварини, які протягом всього періоду хвороби виділяють збудник з сечею, випорожненнями і слиною в ґрунт, інфікуючи її, внаслідок чого вона тежстає резервуаром збудника. Зараження тварин відбувається аліментарним шляхом через корм або питну воду, заражені спорами. При безпосередньому контакті від хворої тварини до здорової збудник не передається. Зараження людини сибірською виразкою відбувається при безпосередньому контакті з трупами тварин; обробленні туш вимушено 95 вбитих тварин; догляді за хворими тваринами; вживанні м'яса та м'ясних продуктів, отриманих від хворих тварин; контакті з шерстю, шкірою, щетиною, зараженими спорами збудника. Інфекція проникає через шкіру і слизові оболонки шлунковокишкового тракту і дихальних шляхів. Захворювання сибірської виразкою протікає в шкіряній (до 98 % всіх випадків захворювань), кишковій або легеневій формі. Профілактика захворювання сибірською виразкою зводиться до вакцинації тих осіб, у яких існує можливість зараження сибірською виразкою. В даний час для профілактики сибірки у людей і тварин застосовують високоефективну живу споровую бескапсульную вакцину, яка готується з авірулентного штаму палички сибірської виразки. Туберкульоз (від лат. tuberculum – горбок). Це інфекційне захворювання людини і тварин, при якому відбувається утворення маленьких горбків, переважно локалізованих у легенях і лімфатичних вузлах. Туберкульоз розповсюджений повсюди. У захворюваності туберкульозом і його поширенні вирішальне значення мають соціальнопобутові умови життя, так як і вроджена стійкість, і придбаний до нього імунітет визначаються цими умовами. Збудником є бактерії туберкульозу виду Mycobacterium tuberculosis. Мікобактерії широко поширені в природі: вони зустрічаються в грунті, воді,в організмі теплокровних і холоднокровних тварин. М. tuberculosis – тонкі короткі і довгі нерухомі палички, не утворюють спор і капсул; грампозитивні; аероби; оптимальною для росту є температура 37 °С. Багато біологічних властивостей мікобактерій пояснюються високим вмістом в клітині ліпідів (до 40 %). Джерелом зараження є людина, хвора на туберкульоз, рідше – тварини. Від хворої людини збудник виділяється головним чином з мокротинням, а також з сечею, випорожненнями і гноєм. Туберкульозна паличка проникає в організм частіше всього повітряно-крапельним (через дихальні шляхи) або повітряно-пиловим шляхом. Інфекція проникає через будь-які слизові оболонки і будь-яку пошкоджену ділянку шкіри. Зараження від великої рогатої худоби відбувається в основному аліментарним шляхом через інфіковані молоко і молочні продукти. Туберкульозна паличка може вражати практично будь-який орган і будь-яку тканину. Організм людини володіє високою природною резистентністю до збудника туберкульозу. У більшості випадків первинне зараження призводить не до розвитку захворювання, а до формування вогнища, його відмежування і вапнінню. Природна резистентність багато в чому визначається соціально-побутовими умовами життя. Лікування туберкульозу проводять за допомогою антибіотиків і хіміопрепаратів. Профілактика туберкульозу передбачає проведення широких соціально- економічних заходів, раннього і своєчасного виявлення хворих на туберкульоз і надання їм ефективної лікувальної допомоги. 96 Велике значення має планова вакцинація проти туберкульозу вакциною БЦЖ. Ієрсиніоз. Це зоонозна гостра бактерійна інфекційна хвороба з фекально-оральним механізмом передачі збудника. Збудником є бактерії виду Yersinia enterocolitica, належать до роду Yersinia сімейства Enterobacteriaceae. Збудник має оптимальну для росту температуру 22...25 °С, але може розмножуватися і при температурі 0... +4 °С. Викликає у людини гастроентерит з пошкодженням стінок кишечнику, з лихоманкою, з симптомами інтоксикації. Джерелом зараження ієрсиніозом є різні види тварин, головним чином свині і велика рогата худоба, а також собаки, кішки, гризуни, птиця. Заражені тварини та люди виділяють збудник з випорожненнями і сечею, забруднюючи воду, рослини, інші об'єкти зовнішнього середовища, через які заражається і людина. Зараження відбувається в результаті вживання в їжу сирих або недостатньо термічно оброблених продуктів: м'яса, м'ясних продуктів, молока, овочів, фруктів, зелені. Збудник здатний розмножуватися як на рослинах, так і всередині них, наприклад в салаті, горосі та ін. Механізм передачі збудника – фекально-оральний, основний шлях передачі – харчовий, але буває і через воду, а також побутовий. Кишковий ієрсиніоз виявлений у всіх країнах світу, проте рівень захворюваності більш високий в економічно розвинених країнах з розвиненою мережею централізованого постачання харчовими продуктами. Групові захворювання найчастіше пов'язані з вживанням різних овочевих салатів, особливо з капусти, що зберігалася у забруднених виділеннями гризунів овочесховищах. Хворіють в основному жителі міст і селищ міського типу, де населення частіше користується підприємствами громадського харчування. Хворіють люди різного віку, але частіше діти. Захворюваність реєструється протягом всього року, кількістьзбільшується в жовтні – листопаді. Профілактика пов'язана з попередженням проникнення гризунів в овочесховища, продовольчі склади, магазини, заклади громадського харчування. Лістеріоз. Це зоонозна бактеріальна інфекційна хвороба з фекально- оральним механізмом передачі збудника. Збудник Listeria monocytogenes викликає у заражених тварин різке збільшення кількості моноцитів в крові. У людини лістеріоз характеризується строкатою клінічною картиною, у тому числі враженням нервової системи, лімфатичних вузлів та ін. Лістерія - пряма або злегка вигнута рухома бактерія, не утворює спор і капсул; грампозитивна. Оптимальною для росту є температура 37 °С. У зовнішньому середовищі лістерії досить стійкі. В ґрунті і воді зберігаються при помірних або низьких температурах місяцями і навіть роками, а при сприятливих умовах навіть розмножуються. На зерні 97 лістерії можуть зберігатися при низьких позитивних температурах протягом трьох років. Інтенсивно розмножуються бактерії в молоці, м'ясі, причому розмноження відбувається і при низьких позитивних температурах (4... 6 °С). Термічна обробка продуктів кип'ятінням вбиває лістерії протягом 3 хв, при70 °С лістерії гинуть через 20... 30 хв. Зараження людини відбувається при вживанні м'яса (особливо свинини) і молока хворих тварин, забрудненої їжі і води, а також при контакті з хворими тваринами, вдиханні пилу, що містить лістерії, обробці шкіри, шерсті та ін. Лістерії поширені повсюди, у всіх природних зонах. Вони є факультативними паразитами, тобто можуть існувати і як паразити, і як сапрофіти. Профілактика захворювання включає в себе раннє виявлення, ізоляцію та лікування хворих лістеріозом домашніх тварин, поховання їхніх трупів; дезінфекцію і дератизацію в осередку; дотримання правил особистої гігієни, особливо людей, що працюють у тваринництві та харчовій промисловості; вживання молока тільки після кип'ятіння, а м'яса – після ретельної термічної обробки. 8.3. Харчові отруєння, що викликаються мікроорганізмами 8.3.1. Токсикози Токсикози, або харчові інтоксикації, викликаються екзотоксинами, які продукують бактерії в період їх життєдіяльності поза організмом на різних харчових продуктах. Токсикози можуть бути бактеріальної та грибкової природи. Бактеріальні токсикози. До бактеріальних токсикозів відносяться ботулізм і стафілококова інтоксикація. Ботулізм – важка форма харчової інтоксикації, пов'язана з вживанням продуктів, заражених Clostidium botulinum, і характеризується специфічним ураженням центральної нервової системи. C. botulinum – досить великі палички із закругленими кінцями; розташовуються безладно, іноді парами, у вигляді коротких ланцюжків; грампозитивні; рухливі. Бактерії не утворюють капсул, мають овальні спори, які розташовуються субтермінально, надаючи паличці форму, що нагадує ракетку. C. botulinum не розмножується на продуктах при кислій реакції (рН 3...4) і при концентрації NaCl вище 10%. С. botulinum утворює цілий ряд різних токсинів, які розрізняються за антигенною специфічністю. Важливою ознакою є здатність збудника виробляти протеолітичні ферменти. С. botulinum довго зберігається в природі та у харчових продуктах, так як утворює спори, які при сприятливих умовах у літній час можуть проростати і розмножуватися. Спори добре переносять низькі температури, не гинуть навіть при -190 °С. У висушеному вигляді зберігають життєздатність десятиліттями, стійкі до нагрівання. Спори переносять кип'ятіння протягом 5 год, при температурі 105°С гинуть через 1...2год, при 120 °С – через 20... 30 хв. 98 Є штами, спори яких переносять температуру 120 °С протягом декількох годин. Спори С.botulinum стійкі до багатьох бактерицидних речовин: 20%- ний розчин формаліну вбиває їх через 24 год, етиловий спирт – через 2 міс., 10%-ний розчин НС1 – лише через 1 год. Токсини С. botulinum стійкі до дії фізичних і хімічних факторів. Вони не руйнуються протеолітичними ферментами шлунковокишкового тракту. У кислому середовищі (рН 3,5...6,8) вони більш стійкі, ніж у нейтральному або лужному, високі концентрації NaCl у харчових продуктах їх не руйнують. В консервах токсини зберігаються тривалий час. Токсини Cl. botulinum володіють певною термостійкістю: при 58 °С руйнуються через 3 год, при 80 °С – через 30 хв, при 100 °С – протягом декількох хвилин. Стійкість токсинів до високої температури залежить від виду продукту, його рН та інших умов. Зокрема, при наявності жирів і високій концентрації сахарози стійкість токсинів до високої температури зростає. Головний фактор патогенності збудника ботулізму – екзотоксин (нейротоксин), який складається з токсичних білкових компонентів. Крім нейротоксичнї активності різні типи С. botulinum володіють лейкотоксичною, гемолітичною і лецитиназною активністю. Наприклад, лейкотоксин пригнічує фагоцитоз без руйнування лейкоцитів. Природним середовищем існування С. botulinum є ґрунт, звідки потрапляє у воду, на харчові продукти, в кишечник людини, ссавців, птахів, де вони розмножуються. Встановлено, що носіями С. botulinum є домашні тварини та птиця (коні, рогата худоба, свині, кури), а також гризуни. Забруднюючи своїми випорожненнями ґрунт, вони сприяють широкому обсеменінню клостридіями навколишнього середовища. Всі сільськогосподарські продукти, забруднені ґрунтом, випорожненнями людини і тварин, можуть бути заражені збудниками ботулізму і стати причиною захворюваннялюдини. Так як С. botulinum – строгий анаероб, то в консервах, куди спори можуть потрапити з частками грунту, створюються найкращі умови для його розмноження і утворення токсину. Спори можуть витримувати термічну обробку, а потім проростати і продукувати токсин, чому сприяє тривале зберігання консервів. Організм людини вражається не тільки токсином, що міститься в харчовому продукті, але і токсином, який утворюється у травному тракті і тканинах у зв'язку з проникненням туди збудника. Отруєння спостерігалися навіть тоді, коли людина брала в рот заражений продукт, не ковтаючи його. В основі профілактики ботулізму лежить суворе дотримання санітарно- гігієнічного режиму при обробці продуктів на підприємствах харчової промисловості, особливо пов'язаних з приготуванням консервів, шинки, ковбас, а також при копчені, солінні риби і приготуванні з неї баликів. Виготовлені консерви після термічної обробки повинні піддаватися термостатному контролю. Їх витримують в 99 термостаті при 37 °С протягом певного часу. Клостридії, що збереглися в консервах, викликають бомбаж (здуття) банок, а вміст банок видає запах прогірклої олії. Такі консерви підлягають вилученню. Для соління риби необхідно використовувати міцні сольові розчини – розсоли, що містять 10... 12 % NaCl. Особливо небезпечними можуть бути консерви домашнього приготування, насамперед грибні, виготовлені без дотримання необхідного режиму. Стафілококова інтоксикація викликається такими патогенними мікроорганізмами, як стафілококи, що представляють собою грампозитивні, правильної форми кулясті клітини, розташовані зазвичай у вигляді грон. Широко поширені у природі, стафілококи не мають джгутиків і не утворюють спор. Головним джерелом розповсюдження стафілококів є шкірні покриви людини і тварин та їх слизові оболонки, сполучені з зовнішнім середовищем. Стафілококи – факультативні анаероби; добре ростуть на звичайних середовищах при температурі 35...+37°С. Опис стафілококів включає в себе понад 20 видів, які поділяють на дві групи: коагулазопозитивні і коагулазонегативні стафілококи. Патогенними для людини є коагулазопозитивні стафілококи. Стафілокок є унікальним мікроорганізмом: може викликати більше 100 різних захворювань. Стафілококи можуть вражати будь-які тканини й органи. Ця властивість стафілококів обумовлена наявністю у них великого комплексу чинників патогенності. Стафілококи викликають харчову інтоксикацію (харчове отруєння), що пов'язане зі здатністю стафілококів утворювати ентеротоксини А і D, механізм дії яких мало вивчений. Отруєння найчастіше пов'язано з вживанням інфікованих стафілококом молочних продуктів (морозива, тістечок, тортів, сиру, і т.п.) і консервів з маслом. Інфікування молочних продуктів може бути пов'язано з маститами у корів або з гнійнозапальними захворюваннями людей, що мають відношення до виробництва продуктів. Інкубаційний період 2...4 год. Стафілококи володіють великою стійкістю до зовнішніх факторів: добре переносять висихання, залишаються життєздатними і вірулентними тижнями і місяцями в сухому пилу, будучи джерелом пилової інфекції. Вони стійкі до високої температури: витримують сухий жар (110 °С) протягом 2 год, нагрівання до 80 °С протягом 30 хв, добре переносять низькі температури. Профілактика стафілококової інфекції полягає в суворому дотриманні правил особистої гігієни, відстороненні від роботи пов'язаної з безпосередньою обробкою харчових продуктів і їх виготовленням, осіб з гнійничковими захворюваннями, фарингітами, ангінами, іншими проявами стафілококової інфекції. На підприємствах харчової промисловості і громадського харчування необхідно забезпечити суворе дотримання технологічних норм при обробці харчових продуктів, їх транспортуванні і зберіганні. 100 Токсикози грибкової природи. Отруєння, причиною яких служать гриби, синтеуюючі токсини, називають мікотоксикозами. Відомі різні види мікотоксикозів. Розглянемо деякі з них. Аліментарно-токсична алейкія – інтоксикація, що виникає в результаті вживання в їжу продуктів переробки зерна хлібних злаків, що перезимували в полі або прибраних з запізненням. Збудником є холодостійкий гриб Fusarium sporotrichiella. Оптимальною для розвитку гриба є температура 12... 27 °С , але гриб здатний рости і виробляти токсин і при температурі нижче 0 °С (2...-3 °С). Токсин володіє великою стійкістю; навіть тривале зберігання зерна протягом декількох років не знижує його токсичності. При випіканні хліба з борошна, варінні каш, супів з крупою, отриманих з зараженого зерна, токсин не руйнується. Симптомами отруєння є крововиливи, некрози і порушення кровотворення. "П'яна хвороба" хліба – отруєння, нагадує важке сп'яніння. Отруєння викликається використанням хліба та інших продуктів переробки зерна, уражених грибом Fusarium. Токсин, що виробляється цим грибом, відноситься до азотвмісних глюкозидів і виявляє дію на центральну нервову систему. Хоча отруєння зустрічаються рідко, але в зернопродуктах визначають вміст мікотоксинів. 8.3.2. Токсикоінфекції Токсикоінфекції – хвороби, збудники яких розмножуються у шлунково- кишковому тракті людини, викликаючи отруєння своїми компонентами і продуктами життєдіяльності, і утворюють ендотоксини. Харчові отруєння типу токсикоінфекцій виникають при вживанні в їжу продуктів, які містять велику кількість живих клітин токсигенних мікроорганізмів, що размножуються на цих продуктах. У шлунковокишковому тракті людини ці клітини відмирають, вивільняється ендотоксин, який і є причиною отруєння. Харчові токсикоінфекції найчастіше зоонозні бактеріальні інфекції з фекально-оральним механізмом передачі збудника. Вражається переважно шлунковокишковий тракт. До токсичних мікроорганізмів належать патогенні бактерії родів Salmonella, Escherichia, Proteus й Clostridium. Сальмонельоз. Збудником захворювання є дрібні грамнегативні палички сімейства Enterobacteriaceae роду Salmonella. Відомі більше 2000 серотипів сальмонел, кількість їх щороку зростає. В організмі людини сальмонели утворюють ендотоксин. Сальмонели є факультативними анаеробами з оптимальною для росту температурою 37 оС; вони досить стійкі у зовнішньому середовищі: у воді відкритих водойм зберігаються від 11 до 120 днів, в ґрунті – до 140 днів, в кімнатному пилу – до 90 днів, у м'ясі і ковбасних виробах – від 60 до 130 днів, в замороженному м'ясі – від 6 до 13 міс, в молоці при кімнатній температурі – до 10 днів, у холодильнику – до 20 днів, у вершковому маслі – 52... 128 днів, в яйцях 101 – до 13 міс, на яєчній шкаралупі – від 17 до 24 днів. При 70 °С сальмонели гинуть протягом 5... 10 хв, в товщі шматка м'яса (10см) витримують кип'ятіння протягом тривалого часу (до 2 год.). Відомі резистентні (госпітальні) штами сальмонел, які відрізняються підвищеною стійкістю до антибіотиків і фізико-хімічних факторів зовнішнього середовища, включаючи дезінфектанти. Джерелом збудника є багато видів домашніх тварин і птахів (у тому числі і диких), які часто бувають тільки носіями сальмонел і не схильні до їх впливу. Тварини можуть виділяти збудник місяцями, хвора людина – від 3 днів до 3 тижнів. Механізм передачі збудника – фекально-оральний, через харчові продукти тваринного походження (м'ясо, молоко, яйця), менше епідеміологічне значення мають риба і рибні продукти, а також продукти рослинного походження. Природна схильність людей до цього збудника висока, особливо у дітей в перші місяці життя і у людей похилого віку. Сальмонельоз поширений повсюди, реєструються випадки і епідеміологічних спалахів. Провідна роль у профілактиці сальмонеллезів належить епідеміологічному нагляду та санітарно-гігієнічним заходам, спрямованим на знешкодження джерел, шляхів і факторів передачі збудника. В комплекс заходів, спрямованих на знешкодження шляхів і факторів передачі збудника інфекції, входять: регулярне проведення санітарного нагляду за забезпеченням належних умов технологічної та кулінарної обробки, зберігання, транспортування та реалізації харчових продуктів на підприємствах харчової промисловості, об'єктах громадського харчування і торгівлі харчовими продуктами; належна організація ветеринарно-санітарної експертизи на м'ясопереробних підприємствах, бойнях, у місцях первинного збору молока; суворе дотримання гігієнічних вимог до технологічного процесу переробки продуктів на м'ясокомбінатах, птахофабриках, молокозаводах; здійснення повного потрошення тушок птахів, особливо з неблагополучних по сальмонеллезу господарств; планове проведення дезінфекційних і дератизаційних заходів на м'ясопереробних підприємствах харчових і сировинних складах, в холодильниках і інших об'єктах; ретельне знезараження стічних вод м'ясопереробних підприємств. Розмноження сальмонел в харчових продуктах (салатах, вінігретах, студнях, ліверних і кров'яних ковбасах, рибопродуктах) не призводить до помітних змін їх органолептичних властивостей: зовнішній вигляд, смак і аромат зазвичай не змінюються. Виявити збудник можна тільки мікробіологічними методами аналізу. Ешерихіози (колі-інфекція, колі-ентерит, діарея мандрівників). Збудниками є діареєгенні штами кишкової палички Е. coli, яка крім інфекції може викликати токсикоінфекції. Захворювання 102 характеризується загальною інтоксикацією організму і дисфункцією кишечника. Особливо велика роль Е. coli як збудника діареї (ешеріхіозів). Патогенні Е. coli стійкі у зовнішньому середовищі: у молоці зберігають життєздатність до 34 днів, в дитячих поживних сумішах – до 92 днів, на іграшках і предметах побуту – до 3... 5 міс. При температурі 60 °С гинуть через 10 хв, під струменем окропу – миттєво; 1%-ний розчин хлораміну, 1 ...2%-ний розчин хлорного вапна, 1%-ний розчин фенолу вбивають кишкову паличку за 15...30 хв. Основним джерелом збудника є хвора людина. Механізм передачі збудника – фекально-оральний, через харчові продукти, воду, забруднені руки, іграшки і т.п. Природна сприйнятливість людей до цього збудника дуже висока, особливо серед новонароджених і ослаблених дітей. Профілактичні заходи направлені на попередження захворювання дітей до 1 року. Основними правилами профілактики є суворе дотримання санітарно-протиепідеміологічного режиму, пастеризація або кип'ятіння молока і молочних сумішей. Хворі підлягають ізоляції. Обов'язковій госпіталізації підлягають особи, які працюють на підприємствах харчовоїпромисловості та громадського харчування. Протеї. Важливу роль як збудників харчової токсикоінфекції грають два вида: Proteus vulgaris і P. mirabilis. Всі представники цього роду є факультативними анаеробами. Це грамнегативні палички із заокругленими кінцями, не утворюють спор і капсул, є перитрихами. Оптимальною для росту температурою є 37 °С; добре ростуть на простих середовищах. Ліпополісахарид клітинної стінки протея, є найважливішим фактором патогенності, грає роль ендотосина. Протеї зазвичай є сапрофітами гнильних паразитів, в невеликій кількості присутні в кишечшку людини і тварин, виявляються в стічних водах і грунті. Зараження найчастіше відбувається аліментарним шляхом, коли в організм людини з їжею потрапляє велика кількість протеїв. Іноді протуї виступають як збудники дисбактеріоза. Протеї стійкі у зовнішньому середовищі, добре переносять заморожування. При 60 °С гинуть протягом 1 год, при 80 °С – протягом 5 хв. Протеї викликають у людини різні захворювання, що частіше протікають за типом харчової токсикоінфекції, яка пов'язана з масовим руйнуванням протеїв в шлунково-кишковому тракті і всмоктуванням в кров. Ступінь тяжкості захворювання знаходиться в прямій залежності від кількості потрапивших в організм протеїв. Захворювання виявлено у різних країнах світу. Реєструються випадки епідемічного спалаху серед відвідувачів закладів громадського харчування, а також пасажирів морських суден, авіарейсів (діарея подорожувачів), що вживали в дорозі різні харчові прдукти, контаміновані протеями. Захворювання реєструється протягом всього року, але частіше в літній час. Профілактика зводиться до дотримання 103 санітарно-гігієнічних правил і технологічного режиму заготівлі, приготування, зберігання та реалізації харчових продуктів. Токсикоінфекції, викликані патогенними клостридіями. Збудниками є анаеробні спороутворюючі бактерії, що відносяться до роду Clostridium. Спори овальні або круглі, їх діаметр, як правило, перевищує діаметр клітини, тому паличка з спорою схожа з веретеном, звідки і її назва (Clostridium – веретеноподібний). Клостридії живуть тільки в умовах відсутності кисню, або при незначному його вмісті. Вони дуже широко поширені в природі: у ґрунті, особливо в глибоких шарах, мулі, різних водоймах, стічних водах, шлунково-кишковому тракті ссавців тварин, птахів, риб і людини. Найбільш часто токсикоінфекції викликає вид C. perfringens, який зберігається роками в ґрунті у вигляді спор і виявляється майже у 100 % її зразків. Бактерії цього виду представляють собою товсті нерухомі грампозитивні палички. Токсикоінфекції, що викликаються С. perfringens, як правило, пов'язані з вживанням в їжу м'ясних продуктів: котлет, приготовлених з готового м'ясного фаршу; вареного м'яса, що зберігалася при кімнатній температурі; холодних м'ясних закусок; пиріжків з лівером. Оптимальною для росту бактерій є температура 45 °С (ростуть в діапазоні від 20 до 50 °С). С. perfringens утворює екзотоксин. Розрізняють шість типів цього серологічного збудника: А, В, С, D, E, F. Клостридії типу А викликають діарею, а також газові гангрени. У природі широко поширені термостійкі штами С. perfringens, тому існує реальна небезпека виживання спор цього мікроорганізму в процесі кулінарної обробки харчових продуктів і подальшого їх розмноження при сприятливих умовах зберігання. Інтенсивність розмноження С. perfringens в готових стравах залежить від індивідуальних властивостей штаму, величини обсіменіння, виду продукту, його кислотності, температури зберігання. Вегетативні форми швидко гинуть при доступі кисню повітря, сонячного світла, наявності в середовищі різних антисептиків і антибіотиків. Вегетативні клітини гинуть при 80 через 30 хв. Спори витримують кип'ятінняпротягом 1... 2 год. С. perfringens розглядається і як показник фекального забруднення ґрунту, води і харчових продуктів. С. perfringens викликає харчові токсикоінфекції й важкі ентерити, у патогенезі яких провідна роль належить некротоксинам і ентеротоксинам, які найбільш активно утворюються під час споруляції клостридій. Ентерококи. Ці збудники токсикоінфекції належать до роду Enterococcus. Ентерококи – це факультативні анаероби, мають грампозитивні клітини кулястої форми, які ростуть у вигляді ланцюжків різної довжини, нерухомі, спор не утворюють. Деякі різновиди ентерококів є анаеробами. Ростуть при температурі 10... 45°С, оптимальною для росту є температура 37 °С . 104 Ентерококи входять до складу нормальної мікрофлори кишечника людини і теплокровних тварин. Широко поширені у природі: у ґрунті, воді,на рослинах. Основним збудником токсикоінфекції є вид Е. faecalis – мешканець кишечнику людини. Бактерії цього виду володіють антагоністичними властивостями по відношенню до дизентерійних, черевнотифозних і паратифозних бактерій, а також до кишкової палички. Виявлення їх є одним зкритеріїв фекального забруднення харчових продуктів і води. Е. faecalis росте на середовищі з 6,5 % NaCl. Витримує нагрівання до 60...65°С протягом 30 хв, при 80...85°С гине. Токсикоінфекції можуть бути викликані при вживанні будь-яких продуктів, інфікованих Е. faecalis. Токсикоінфекції, викликані Bacillus cereus. Важливу роль в етіології харчових отруєнь – токсикоінфекцій – грають патогенні бактерії Bacilluscereus. Спочатку джерелом токсикоінфекції, обумовлених В. cereus, вважаликулінарні вироби, що містять картопляний крохмаль. Потім були описані спалахи токсикоінфекцій, викликаних В. cereus, при вживанні рослинних, м'ясних, м'ясорослинних, рибних та інших харчових продуктів. Особливо швидко В. cereus розмножується в подрібнених продуктах: фарші, котлетах, ковбасі, кремах. При накопиченні В. cereus в продукті змінюються його органолептичні властивості: на поверхні утворюється сіренька плівка, змінюються колір і запах. В. cereus – грампозитивні рухливі палички; не утворюють капсул; клітини мають тенденцію розташовуватись після поділу у ланцюжки; утворюють спори. Це, як правило, аероби, але зустрічаються і факультативні анаероби. Діапазон температур для росту 10... +45 °С. Оптимальною є температура35 ...+45°С. Одні штами на середовищі з крохмалем і залізом утворюють червоний пігмент, інші на різних середовищах – флуоресціюючі жовтувато- зеленого кольору пігменти. Основними місцями проживання є грунт, вода, рослинні субстрати. В. cereus росте на середовищі з 10... 15% NaCl і 30... 60 % цукру. В харчових продуктах з рН нижче 4 не розвивається. Спори В. cereus володіють високою термостійкістю і можуть зберігатися в продукті не тільки при звичайній тепловій кулінарній обробці, але і при стерилізації консервів. Патогенні В. cereus синтезують і виділяють два екзотоксини. Один з них складається з трьох білкових компонентів, має діарейну, летальну активність і підвищує проникність судин (діареєгеннолетальний токсин). Інший викликає цитолітичний і летальний ефект, а, крім того, порушує проникність кровоносних судин. Потрапляючи в харчові продукти, патогенні бактерії В. cereus розмножуються у них і продукують екзотоксини. Під впливом протеолітичних та інших ферментів, що 105 виділяються В. cereus, в продуктах накопичуються різні отруйні речовини (птомаіни). Все це разом узяте призводить до розвитку харчової токсикоінфекції. Зараження людини найчастіше відбувається при вживанні рослинних і м'ясних продуктів (25%), молока (40...55%), а також інших харчових продуктів, заражених В. cereus. Кількісний вміст В. cereus в харчових продуктах сягає 105... 106 клітин і більше 1 г. Основою профілактики є запобігання проростання збережених спор у харчових продуктах. Харчові продукти, що пройшли теплову обробку, потрібно швидко охолоджувати до температури нижче 10 °С і зберігати на холоді. 8.4. Профілактика харчових захворювань, що викликаються патогенними мікроорганізмами Головним завданням харчової промисловості є забезпечення постачання населення високоякісною і безпечною для здоров'я їжею. Для цього проводиться комплекс ветеринарних і санітарно-гігієнічних заходів, спрямованих на запобігання харчових захворювань (інфекційних та отруєнь). Причиною харчових захворювань найчастіше є порушення санітарних правил і технологічного режиму виготовлення, а також термінів і температурних режимів зберігання, транспортування та реалізації харчових продуктів. Найважливішими профілактичними заходами є наступні: -систематичний ветеринарно-санітарний нагляд за забійними тваринами, умови забою худоби, первинної обробки і оброблення туш; суворе дотримання встановленого рівня санітарно-гігієнічного режиму утримання підприємств харчової промисловості, закладів сфери обслуговування, громадського харчування та торговельної мережі. При цьому особливо важливе значення мають виконання гігієнічних вимог, запобігання інфікування мікроорганізмами ззовні переробляємої сировини і напівфабрикатів, дотримання технологічного режиму підготовки сировини і її теплової обробки, дотримання умов зберігання, транспортування і реалізації продуктів, що виключають розмноження в них мікробів і повторне обсіменіння, недопущення стикання продуктів, що пройшли теплову обробку, з сирими (особливо м'ясними) продуктами; -систематична боротьба з гризунами і мухами, захист від них харчових продуктів; -виконання гігієнічних вимог до утримання приміщень, обладнання, інвентарю, посуду і тари у закладах сфери обслуговування і громадського харчування, на підприємствах харчової промисловості і торгівлі; -періодична санітарна обробка приміщень для зберігання продуктів, холодильних камер, тари, стелажів та інших предметів; 106 -систематичне проведення санітарно-освітньої роботи серед персоналу закладів сфери обслуговування, громадського харчування та торгівлі; -суворе дотримання персоналом правил особистої гігієни, підвищення санітарної культури; -боротьба з бациллоносіями збудників харчових захворювань серед людей, що безпосередньо контактують з харчовими продуктами, шляхом періодичного медичного огляду, відсторонення від роботи бациллоносіїв, осіб з гнійничковим ураженням шкіри, катаром верхніх дихальних шляхів і хворих на туберкульоз; -механізація і автоматизація виробничих процесів, які не тільки полегшують працю і знижують собівартість, але і підвищують санітарну якість продукції і стан харчового підприємства; -удосконалення методів фасовки й упакування продуктів безпосередньо на промислових підприємствах, що виключає контакт (дотик) персоналу мережі розподілу з продуктами і запобігає вторинному інфікуванню їх мікробами; -систематичний санітарно-мікробіологічний контроль переробляємої сировини, напівфабрикатів, готової продукції, санітарного стану технологічного обладнання та інвентарю. Мікробіологічний контроль дозволяє виявити присутність у продуктах і на інших об'єктах збудників харчових захворювань, а також виявити неблагополучні в санітарному відношенні етапи технологічного процесу. Мікробіологічні методи досліджень продуктів, які встановлюють ступінь їх обсіменіння мікробами, склад мікрофлори і зміна цих показників у період зберігання продуктів дозволяють виявити початок зміни якості продуктів, прогнозувати можливі терміни їх зберігання у заданих умовах, своєчасно реалізувати продукти. Запитання для самоперевірки 1.Які основні властивості патогенних мікроорганізмів? 2. Які основні джерела інфекцій? 3. Що таке імунітет і його види? 4. Які види харчових інфекцій і їх збудники? 5. Які види харчових токсикозів (бактеріальної і грибної природи) і їхзбудники? 6. Які види харчових токсикоінфекцій і їх збудники? 7. В чому полягає профілактика харчових захворювань, що викликаються патогенними мікроорганізмами? Тема 9. Екологія мікроорганізмів 9.1. Санітарно-мікробіологічні дослідження об'єктів навколишнього середовища Санітарно-мікробіологічні дослідження об'єктів навколишнього 107 середовища (води, повітря, грунту), а також харчових продуктів повинні перш за все вирішувати питання про наявність або відсутність в них патогенних для людини мікроорганізмів: бактерій, вірусів і грибів. Проте безпосереднє виявлення їх в об'єктах навколишнього середовища пов'язане з низкою труднощів. Тому санітарна мікробіологія використовує свій особливий, непрямий спосіб оцінки санітарного благополуччя об'єктів зовнішнього середовища, заснований на тому, що головним джерелом збудників інфекційних хвороб є люди і теплокровні тварини, що виділяють патогенні мікроорганізми в зовнішнє середовище, головним чином фекальным і повітряно-краплинним шляхом: чим інтенсивніше забруднені об'єкти зовнішнього середовища цими виділеннями, тим ймовірніше, що ці об'єкти заражені і відповідними патогенами. Для багатьох видів мікроорганізмів кишечник є біотопом, тобто єдиною природним місцем їх проживання. Отже, виявлення в досліджуваному матеріалі (харчовому продукті) представників мікрофлори кишечника є безпосереднім доказом фекального забруднення об'єкта і вказує на можливу присутність в ньому збудників кишкових інфекцій (черевного тифу, холери і т.п.). Виділені в цих випадках мікроорганізми виступають в ролі показників санітарного неблагополуччя, тобто потенційної епідеміологічної небезпеки досліджуваних об'єктів, тому вони отримали назву санітарно-показових. Проте в якості таких виступають тільки ті мікроорганізми, які відповідають певним вимогам, тобто вони повинніпостійно міститися у виділеннях людини і виділятися навколишнє середовище у великих кількостях; мати тільки одне природне джерело – людину; зберігати життєздатність в навколишньому середовищі, але без активного там розмноження; бути типовими і легко диференційованими. Методи виявлення,ідентифікації та кількісного врахування таких мікроорганізмів повинні бути сучасними, простими, легкодоступними. Найбільш важливими показниками фекального забруднення харчових продуктів у всьому світі визнаються бактерії групи кишкової палички (БГКП). Під цим загальним поняттям об'єднуються бактерії сімейства Enterbacteriaceae, родів Citrobacter, Enterobacter, Klebsiella. Це грамнегативні, не спороутворюючі палички, які не володіють оксидазною активністю, ферментуючі лактозу і глюкозу до кислоти і газу при температурі 37 °С протягом 24 год і виділяються в навколишнє середовище тільки з випорожненнями людини і теплокровних тварин. До них відносять Е. coli – бактерії, які не здатні рости на середовищі, що містить в якості єдиного джерела вуглецю і енергії цитрат (солі оцтової кислоти). Саме ці бактерії є показниками свіжого фекального забруднення. До показників фекального забруднення відносять крім БГКП ентерококи (різновид Е.faecalis), клостридії (Cl.perfringens), бактерії роду Proteus й поліфаги. Для оцінки санітарно-гігієнічних показників безпеки 108 об'єктів зовнішнього середовища (ґрунту, води і повітря, продовольчої сировини і харчових продуктів) використовуються уніфіковані методи аналізу, передбачені відповідними нормативними документами, ДСТУ, ТУ, методичними вказівками та іншими актами санітарного законодавствакраїни. 9.2. Мікробіологія ґрунту. Грунт– середовище розвитку численних видів мікроорганізмів і найбільший резервуар їх в природі. Велика роль мікроорганізмів і у формуванні самого ґрунту. Завдяки їм він набуває властивість живої системи. Кількість мікроорганізмів у 1 г ґрунту зазвичай вимірюється сотнями мільйонів клітин. Кількість їх коливається від 200 млн до 5 млрд в 1 г земного ґрунту. У 1 г орного шару ґрунту міститься 1... 10 млрд, а в його шарі товщиною 15 см на площі 1 га може утриманні від 1 до 5...6 т мікробної маси. Навіть у пісках пустель, де майже відсутня волога, міститься до 100 000клітин мікроорганізмів в 1 г. Мікроби в ґрунті розподілені нерівномірно. Їх більше і верхніх шарах і поблизу рослин. Кількість і видовий їх склад в ґрунті залежать від вмісту в ньому органічних речовин і вологи, структури грунту, способу його сільськогосподарської обробки, кліматичних умов, характеру рослинного покриву, ступеня забруднення ґрунту відходами господарської діяльності людини і багатьох інших факторів. На початку літа і восени кількість мікроорганізмів зростає, в інший час зменшується. На глибині 5...6 м в ґрунті вже може не бути мікроорганізмів. Проте таке буває не скрізь. Наприклад, у штаті Південна Кароліна (США) мікроорганізми виявили на глибині 225 м, серед яких були невідомі науці. До складу мікробного населення ґрунту входять представники всіх груп мікроорганізмів: бактерії, гриби, найпростіші, водорослі, віруси. Серед мікрофлори грунту кількісно переважають бактерії. Сюди входять автотрофи і гетеротрофи, збудники багатьох процесів: аммоніфікації, нітрифікації, денітрифікації, фіксації азоту, перетворення заліза і сірки, інших елементів, що підвищує біологічну активність і плодючість ґрунту. Забруднення ґрунту патогенними мікроорганізмами. Грунт постійно забруднюється різними паразитами, виділеннями людини і тварин, мертвими рослинами і тваринами. Патогенні мікроорганізми потрапляють в грунт з випорожненнями, сечею, гноєм, мокротинням, слиною і іншими виділеннями, трупами людей і тварин, загиблих від інфекційних захворювань. Потрапляючи в ґрунт, значна частина патогенних мікроорганізмів, що не утворюють спор, гинуть. Терміни виживання в грунті збудників кишкових інфекцій (дизентерії, черевного тифу, чуми, холери, бруцельозу, туляремії, туберкульозу) становлять від декількох годин до 109 декількох місяців. Значно довше зберігаються в грунті спороутворюючі патогенні бактерії . Їх спори зберігаються в грунті багато років, при сприятливих умовах проростать, в результаті чого бактерії знову розмножуються. Таким чином, земля є основним джерелом збудників цих захворювань. Широко поширені в ґрунті і гриби. Наприклад, базидіоміцети, частіше зустрічаються в лісових ґрунтах, де разом з вищими рослинами утворюють мікоризу (грибокорень). Плісняві гриби більш поширені у кислих, багатих органічною речовиною і добре аеруючих ґрунтах. Дріжджі зустрічаються рідко. Найбільша кількість грибів знаходиться в поверхневому шарі на глибині 5...20 см, деякі виявляються на глибині 80 см. У поверхневому шарі землі біомаса грибів досягає 100 кг на 1 га. У північних районах у ґрунтах частіше зустрічаються мукорові і пеницилові, а в південних – аспергілові гриби. Гриби розщеплюють до 50 % клітковини. Для деяких грибів єдиним джерелом вуглецю служить лігнін. Гриби грають важливу роль в утворенні гумусу, підвищують родючість ґрунту оскільки земля може бути передавачем збудників багатьох інфекційних захворювань, забруднення харчових продуктів частками грунту представляє епідеміологічну небезпеку. Санітарна оцінка ґрунту. При санітарній оцінці ґрунту враховують результати хімічного, гельмінтелогічного і мікробіологічного аналізів. При мікробіологічному дослідженні ґрунту в залежності від поставленого завдання застосовують короткий або повний санітарнобактеріологічний аналіз. Короткий аналіз ґрунту передбачає визначення двох мікробіологічних показників: КМАФАнМ або загальна кількість бактерія і колі-титр. Повний аналіз включає в себе визначення КМАФАнМ, колі-титру, а також індекс БГКП, протеїв.Показник КМАФАнМ чистого грунту не перевищує 1,5 КУО/г, в забрудненому ґрунті він у кілька разів більший. Наявність у ґрунті БГКП свідчить про його забруднення. Виявлення в ґрунті протеїв свідчить про його забруднення органічними речовинами тваринного походження або фекаліями людей. Термофільні мікроорганізми визначаються показниками забруднення ґрунту гноєм. В чистих грунтах термофіли не виявляються. 9.3. Мікробіологія води Вода є дорогоцінним даром природи, яка створює життя там, де його не було. Вода – основа розвитку землеробства, енергетики, рибного господарства, без неї неможливі побут і дозвілля людини. Вода – рідина без кольору, запаху і смаку. Людина тижнями обходитисябез їжі, а без води – тільки пів дня. Кількість і склад мікроорганізмів у воді. Як і земля, вода є природнім середовищем існування для різних видів мікроорганізмів, які розвиваються як у воді відкритих водойм, так і в ґрунтових водах; багато видів бактерій мешкають в морських водах. Кількість мікроорганізмів у 110 воді визначається головним чином вмістом у ній opганічних речовин. В 1 мл води кількість клітин мікроорганізмів може перевищувати кілька мільйонів. До складу мікроорганізмів води входять різні водорослі, найпростіші, плісняві гриби, фаги та інші мікроорганізми Між ними існують складні взаємини. Наприклад, хлорелла при масовому розвитку на світлі викликає появу кишкової палички. Одна інфузорія здатна поглинути 30 тис. мікробних клітин. Патогенні мікроорганізми гинуть в забрудненій води і повільніше – у чистій. За своїм походженням вода підрозділяється на атмосферну (дощова, снігова), поверхневу (річкова, озерна, морська) і підземну (ґрунтова, колодязна, ключова). Атмосферна вода містить мало мінеральних речовин, але вона м'яка, позбавлена смаку, служить середовищем для розвитку багатьох мікроорганізмів. Кількість мікробів в ній, що потрапляють разом з пилом, невелика: в 1 мл – 300...400 клітин. Однак після тривалого надходження атмосферних опадів на поверхні землі кількість клітин мікробів швидко зростає. Поверхнева вода, наприклад річкова, містить різну кількість клітин мікроорганізмів в залежності від пори року, її джерел, території, по якій тече річка. Навесні і восени, в період повеней і дощів, коли у воді міститься багато органічної речовини, кількість мікроорганізмів серед яких можуть бути і патогенні, різко зростає. З берегів, де колись були поховані трупи хворих тварин з лугів і пасовищ можуть потрапляти у воду спори збудника сибірської виразки та інших їнфекційних хвороб, що має загрозу для тварин і людини. Санітарна оцінка води. Питна вода вважається доброю, якщо показник КМАФАнМ не перевищує 100 КОЕ/мл, сумнівною – при 100... 150 КОЕ/мл, забрудненою – при 500 КОЕ/мл і більше. Колі-титр питної води з водопроводу повинен бути не менше 300 мл, з колодязів – не менше 100 мл. Колі-індекс (кількість кишкових паличок в 1 л води) у водопровідній воді повинен бути не більше 3, в колодязях – небільше 10. 9.4. Мікробіологія повітря Повітря як середовище для мікроорганізмів менш сприятливе, ніж земля і вода, оскільки в ньому міститься дуже мало чи не міститься зовсім поживних речовин, необхідних для розмноження мікроорганізмів. Тим не менше, потрапляючи в повітря, багато мікроорганізмів можуть зберігатися в ньому більш або менш тривалий час. Мікроби в повітрі розподілені нерівномірно. У запорошеному і брудному повітрі мікробів більше, ніж в чистому, так як вони адсорбуються на поверхні твердих частинок. Повітря особливо забруднене поблизу земної поверхні, а з висотою воно стає все більш чистим. У повітрі центру міста мікроорганізмів більше, а на околицях 111 менше. Влітку мікробів в повітрі міститься більше, взимку менше. Мікроби виявлені навіть в хмарах. На великих висотах зустрічають мікроорганізми, що утворюють пігменти, що підвищує їх стійкість до несприятливих умов життя, особливо до ультрафіолетових променів. Вище84 км над рівнем моря мікроби не виявляються. Кількість і склад мікроорганізмів в повітрі. У повітрі у природних умовах виявляються сотні видів сапрофітних мікроорганізмів, представлених коками (у тому числі сарцинами), споровими бактеріями і грибами, що відрізняються великою стійкістю до висушування (сонячні промені) і до інших несприятливих впливів зовнішнього середовища. Потрібно розрізняти повітря відкритих просторів, яке дещо чисте, і повітря закритих приміщень, яке значно забруднене більше. У повітрі закритих приміщень при поганому провітрюванні накопичується мікрофлора, що виділяється через дихальні шляхи людини. Патогенні мікроорганізми потрапляють в повітря з мокротиння і слини при кашлі, розмові, чханні. Навіть здорова людина при кашлі та чханні виділяє в повітря 10... 20 тис. клітин мікроорганізмів, а хвора людина – у багато разів більше. Кількість мікроорганізмів в повітрі варіює в великих діапазонах: від одиничних бактерій до десятків тисяч клітин в 1 м3. Так, повітря Арктики містить 2...3 клітини мікроорганізмів в 20 м3, а в містах з промисловими підприємствами в повітрі виявляється величезна кількість бактерій. У лісі, особливо хвойному, мікробів дуже мало, на них згубно діють фітонциди лісу. Спорові бактерії й плісняві гриби були знайдені на висоті 20 км, а мікроорганізми – на висоті 61. ..77 км. Людина в середньому вдихає за добу 12000...14000 л повітря. При цьому в дихальних шляхах затримуються 99,8 % мікроорганізмів, що містяться в повітрі. Забруднення повітря патогенними мікроорганізмами. При чханні, кашлі і розмові в повітря викидається безліч крапельок рідини, усередині яких містяться мікроорганізми. Ці крапельки можуть годинами утримуватися в повітрі в зваженому стані, тобто утворюють стійкі аерозолі. За рахунок вологи мікроорганізми у крапельках живуть довше. Таким повітряно- краплинним шляхом відбувається зараження багатьма гострими респіраторними захворюваннями (грип, кір, коклюш, дифтерія, легенева чума і ін.). Подібний шлях розповсюдженню збудників – одна з основних причин розвитку не тільки епідемій, але і великих пандемій грипу, а в минулому і легеневої чуми. Крім повітряно-крапельного шляху патогенні мікроорганізми можуть поширюватися через повітря "пиловим" шляхом. Пояснюється це тим, що мікроорганізми знаходяться у виділеннях хворих (краплях мокротиння, слизу і т.п.) і оточені білковим субстратом, тому вони більш стійкі до висихання й іншим факторам. Коли такі краплі висихають, вони перетворюються в своєрідну бактеріальний пил, що містить багато патогенних бактерій. 112 Частинки бактеріальної пилу мають діаметр від 1 до 100 мкм. У часток діаметром більше 100 мкм сила тяжіння перевищує опір повітря, і вони швидко осідають. Швидкість перенесення бактеріального пилу залежить від інтенсивності повітряних переміщень. Бактеріальний пил відіграє особливо важливу роль в епідеміології туберкульозу, дифтерії, туляремії і інших захворювань. Санітарна оцінка повітря. Для визначення мікрофлори повітря використовують наступні методи: седиментаційний (метод Коха), фільтраційний (повітря пропускають через воду); методи, засновані на принципі ударної дії повітряного струменя з використанням спеціальних приладів. Останні методи надійніші, так як вони дозволяють точно визначити кількісне забруднення повітря мікроорганізмами і вивчити їх видовий склад. В закладах харчування, сфери обслуговування, у виробничих цехах і в місцях зберігання продуктів необхідно дотримуватися як певної вологості і температури, так і чистоти повітря. У молочному виробництві санітарний стан повітря приміщень оцінюють за двома мікробіологічними показниками: загальна кількість бактерій (мікрококи, сарцини, паличкоподібні) і кількість пліснявих грибів і дріжджів, які осідають з повітря на поверхню агаризованого середовища (мясопептонного і суслового агарів) в чашках Петрі за 5 хв. При переробці м'ясної сировини в холодильних камерах проводять аналіз повітря на присутність пліснявих грибів. Повітря камер досліджують перед закладанням м'яса (до і після дезінфекції) і періодично – не рідше 1 разу на квартал в процесі зберігання м'яса при температурі -12 °С. Облік ведуть за кількістю колоній пліснявих грибів, що виросли на поверхні агариованого середовища на чашках Петрі. Санітарну оцінку повітря закритих приміщень здійснюють за двома мікробіологічними показниками: загальна кількість мікроорганізмів і кількість санітарно-показових стрептококів в 1 м3 повітря. За кількістю клітин в 1 м3 повітря судять про ступінь обсіменіння стрептококом носоглоткової мікрофлори людини та тварин і, отже, про можливу наявність у повітрі патогенних мікроорганізмів. Список рекомендованої літератури Базова 1. Мікробіологія харчових виробництв [Текст] : навч. посібник / Т. П. Пирог, Л. Р. Решетняк., В. М. Поводзинський, Н. М. Грегірчак. – Вінниця: Нова книга, 2007. – 463 с. 2. Грегірчак Н. М. Мікробіологія харчових виробництв. Лабораторний практикум [Текст] : навч. посібник / Н. М. Грегірчак. – К.: НУХТ, 2009. – 302 с. 113 3. Грегірчак Н.М., Тетеріна С.М., Нечипор Т.М. Мікробіологія, санітарія і гігієна виробництв з основами НАССР. Лабораторний практикум: навч. посібник. – К.: НУХТ, 2018. – 274 с. 4. Технічна мікробіологія[Текст] : підруч. / Л. В. Капрельянц, Л. М. Пилипенко, А. В. Єгорова, О. М. Канапихіна та інш.; за ред. Л. В. Капрельянца. – О: Друк., 2006. – 308 с. Допоміжна 5. Рудавська Г. Б. Мікробіологія [Текст]: підруч. / Г. Б. Рудавська, Л. І. Демкевич; Київ. нац. торг.-екон. ун-т. - 2-е вид., переробл. та доповн. - К., 2005. - 406 с. Інформаційні ресурси 1. База даних PubMed − електронна база даних медичних і біологічних публікацій, в якій викладені абстракти публікацій англійською мовою, розроблена Національним центром біотехнологічної інформації (NCBI): Режим доступу www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed 2. Наукові журнали відкритого доступу OMICS Group International (350 англомовних журналів): Режим доступуwww.omicsonline.org/ Наукові журнали відкритого доступу Scientific Research Publishing(понад 200 англомовних журналів): Режим доступуwww.scirp.org. 3. Серівс наукових публікацій Scholar.googleРежим доступу https://scholar.google.com.ua 114
