Питание термофильных бактерий и вызываемые ими процессы

Особенности и суть

Вам будет интересно:«Авантажный» – это характеристика привлекательности

На нашей планете живет целая армия различных микроорганизмов, не видимых глазу, но очень активных и не всегда полезных. Одна из таких полезных микрообразований — бактерия термофильная. Бактерия живет в горячих источниках и размножается при довольно высоких температурах — выше 45 градусов. Целые колонии этих микроорганизмов были выявлены в разных геотермальных зонах нашей планеты, таких как воды горячих природных источников. Выживают термофильные бактерии благодаря наличию в них особых ферментов, способных функционировать в условиях высоких температур. Для них наиболее благоприятным температурным режимом является коридор в 50-65 градусов. При таких условиях бактерии могут чувствовать себя комфортно и свободно размножаться.

Вам будет интересно:Местность — это? Лексическое значение, синонимы и примеры употребления

Многие хотели бы знать, при какой температуре погибают термофильные бактерии, чтобы контролировать их количество. В этой связи хотелось бы заметить, что точных данных об этом ученым еще не удалось получить. На современном этапе развития науки известно только, что максимальным для термофилов показателем температуры является 68-75 градусов. Однако это еще не значит, что бактерии при таком нагреве погибают — отклонение от оптимального режима делает их жизнь менее комфортной и интенсивной, замедляет рост клеток и снижает скорость обменных процессов.

Бактерии, без которых человеку не выжить

Организм человека населяет огромное количество бактерий, без которых человеку не выжить. Общий вес бактерий в теле человека – от 1,5 до 2,5 кг. Такой полезный устойчивый симбиоз образовался:

• в желудочно-кишечном тракте;
• на коже;
• в носоглотке и ротовой полости.

Без полезных бактерий – мутуалистов (мутуализм – форма взаимодействия, при которой каждый организм извлекает определенную пользу) – перечисленные органы моментально подверглись бы атаке болезнетворных микробов.

Разумеется, это не была бы атака в прямом смысле этого слова. Просто ничто не мешало бы болезнетворным микроорганизмам поселиться на тканях организма, размножиться на них и отравить токсичными продуктами своей жизнедеятельности.

Основной принцип работы бактерий в организме – создание такой среды на тканях органов, в условиях которой вредные микробы не могут выживать. Соответственно, попадая на кожу, в носоглотку или в желудочно-кишечный тракт, болезнетворные микробы просто погибают, поскольку среда, уже сформированная полезными микробами на тканях этих органов, является для вирулентных (опасных) прокариотов смертельной.

Это общая картина влияния полезных бактерий, локальное же воздействие микробов имеет особенности в зависимости от органа, в котором происходит такое симбиотическое взаимодействие.

Желудочно-кишечный тракт

Бактерии, населяющие желудочно-кишечный тракт человека, выполняют сразу несколько функций, благодаря которым человек имеет возможность выживать как биологический организм:

1. Микробы создают в кишечнике антагонистическую для болезнетворных микробов среду. Эта роль полезных микроорганизмов сводится к тому, что они создают в кишечнике кислую среду, а болезнетворные микробы плохо живут в кислой среде.
2. Те же полезные бактерии переваривают растительную пищу, попадающую в кишечник. Ферменты, синтезируемые организмом человека, не в состоянии переваривать клетки растений, содержащие целлюлозу, а бактерии питаются такими клетками беспрепятственно, играя тем самым еще одну важную роль.
3. Также полезные бактерии синтезируют необходимые человеку витамины групп В и К. Роль витаминов группы К – обеспечение обмена веществ в костях и соединительных тканях. Роль витаминов группы В глобальна. Эти низкомолекулярные органические соединения участвуют в огромном количестве процессов: от высвобождения энергии из углеводов до синтеза антител и регулировки нервной системы. Несмотря на то что витамины группы В присутствуют во многих продуктах, именно благодаря синтезу их кишечной микрофлорой организм получает то количество этих витаминов, которое необходимо для нормальной жизнедеятельности человека.

Наиболее популярные сегодня молочнокислые микроорганизмы – лактобактерии и бифидобактерии, именно их рекламируют как основное пробиотическое средство в составе полезных продуктов.

• Бифидобактерии – нитчатые молочнокислые микроорганизмы, которые устилают поверхность кишечника и не дают вредным микробам закрепиться и размножиться на его стенках. Общий вес молочнокислых бифидобактерий в соотношении с другими бактериями-симбионтами составляет около 80%.
• Лактобактерии – грамположительные молочнокислые палочки, основная роль которых – не только переваривание растительной пищи и создание антагонистической среды, а еще и стимуляция синтеза антител. Это микроорганизмы, оказывающие огромное влияние на иммунную систему человека.

Кроме полезных молочнокислых прокариотов, в ЖКТ есть и условно вредные – бактерии группы кишечной палочки. Несмотря на то что они тоже могут оказывать благотворное воздействие, например, бактерии группы кишечной палочки также синтезируют витамины группы К, при увеличении их количества в ЖКТ влияние становится вредным: кишечные палочки отравляют организм токсинами.

Общий вес кишечных палочек, которые присутствуют в организме человека, очень незначительный в сравнении с двумя килограммами полезных микроорганизмов.

Бактерии на коже, во рту и в носоглотке

Микроорганизмы, которые населяют кожные покровы человека, играют роль естественного биологического щита, они также не дают возможность вредным бактериям развить активную деятельность на коже и тем самым оказывать отравляющее влияние на весь организм.

Основными бактериями, которые контролируют безопасность кожи, рта и носоглотки, являются:

• микрококки;
• стрептококки;
• стафилококки.

Стрептококки и стафилококки имеют в своем роду вредных (патогенных) представителей, которые могут отравлять организм.

Термофильные лактококки

Польза и вред термофильных молочнокислых стрептококков была доказана И. И. Мечниковым. Именно он выделил их в сгустках, которые образуются при сбраживании молока при температуре около 50 °С. И он ввел в продажу первую закваску с содержанием этих микроорганизмов.

Клетки этих бактерий овальные, чуть больше мезофильных кокков, образуют в культуре цепочки различной длины. Именно эти бактерии способны перерабатывать лактозу и эффективно используются при лечении лактазной недостаточности у детей, способствует улучшению переваривания молочных смесей и нормализует микрофлору кишечника.

Термофильные стрептококки реагируют на антибиотики из разряда пенициллинов. Это их свойство используется для определения наличия в молоке антибиотиков.

Эти бактерии используются для лечения и профилактики болезней желудочно-кишечного тракта (энтероколиты, дисбактериозы, диареи), входит в большинство биологически активных добавок. Медицинская косметология использует эти лактококки как один из компонентов маски для восстановления и омоложения кожи.

Еще интересней:

Здравоохранение и фармакология

Область применения бактерий в фармакологии и медицине настолько широка и значима, что их роль в лечении у человека многих заболеваний просто неоценима. В нашей жизни они необходимы при создании кровезаменителей, антибиотиков, аминокислот, ферментов, противовирусных и противораковых препаратов, пробы ДНК для диагностики, гормональных препаратов.

Неоценимый вклад в медицину сделали ученые, выявив ген, отвечающий за гормон инсулина. Вживив его в бактерию коли, получили выработку инсулина, спасая жизни многим больным. Японские ученые обнаружили бактерии, выделяющие вещество, уничтожающее зубной налет, тем самым предотвращая появление кариеса у человека.

Из бактерий-термофилов выводят ген, кодирующий ферменты, имеющие ценность в научных исследованиях, так как они нечувствительны к высоким температурам. При производстве витаминов в медицине используют микроорганизм Clostridium, получая при этом рибофлавин, выполняющий важную роль в здоровье человека.

Свойство бактерий вырабатывать антибактериальные вещества было применено при создании антибиотиков, решив проблему лечения многих инфекционных заболеваний, тем самым спасло жизнь не одному человеку.

В фармакологии создание лекарственных препаратов и синтетических вакцин, куда входят иммунорегуляторы, алкалоиды, нуклеотиды и ферменты, также невозможно без микроорганизмов.

Термофилы, которые не могут дышать без кислорода

Аэробные термофилы, которые не могут дышать без кислорода, тоже делятся на две самостоятельных группы:

• Экстремально-термофильные — не способные к движению грамотрицательные палочки, относящиеся к облигатным бактериям, рост которых происходит при оптимальной температуре в 70 градусов. Когда температура поднимается выше, палочки преобразуются в тонкие нити. Живут массово в горячих водных источниках и близлежащей почве.
• Спорообразующие имеют формы, аналогичные мезофильным. Живут и распространяются в хорошо взрыхленной почве или подвергающихся аэрации водах.

Рассмотрев все эти виды микроорганизмов, следует отметить, что появление термофильных бактерий — это ароморфоз их в среду обитания. Как и другие живые организмы, бактерии тоже могут в процессе своей эволюции прекрасно адаптироваться к изменениям условий окружающей среды. При этом они значительно повышают уровень своей организации и обретают новые способности.

Физика или химия? Биология!

Методы борьбы с бактериальным поголовьем делят на химические, биологические и физические, а также на методы асептики и антисептики. Асептика – полное уничтожение бактерий и вирусов, антисептика – меры, направленные на максимально возможное снижение активности размножения вредных микроорганизмов. К физическим относят следующие способы:

1. Пропаривание и автоклавирование. Позволяет существенно уменьшить количество бактерий в продуктах питания. Этот метод успешно применяется и в растениеводстве, позволяя уменьшить содержание нежелательных микроорганизмов в земле. Выжившие бактерии и вирусы могут присутствовать в виде спор.
2. Пастеризация – продолжительное прогревание при температурах ниже температуры кипения воды. Позволяет сохранить некоторые витамины и органические соединения и вкус пищевых продуктов. Придумана Луи Пастером и названа в его честь.
3. Обработка ультрафиолетовым излучением. Предполагает применение специальной лампы, излучающей свет в коротковолновом (ультрафиолетовом) диапазоне. Позволяет не только избавить от бактерий, живущих на поверхностях, но и от вредных микроорганизмов, находящихся в воздухе. В последнее время созданы лампы, способные работать в помещениях, не нанося вреда человеку, растениям и животным, находящимся в них.

1. Воздействие высокими температурами. Позволяет эффективно избавляться от термочувствительных микробов, а также уничтожать споры бактерий.
2. Воздействие низких температур. Эффективно для термофильных бактерий и вирусов. Предпочтение отдается методам быстрой заморозки, использование которых не дает микробам времени для образования спор. Быстрое замораживание также применяется для изучения нативной (живой) структуры грибков, бактерий и вирусов.

Химическое уничтожение бактерий также делят на асептику и антисептику. Спектр применяемых веществ весьма широк и ежегодно пополняется новыми, все более безопасными для людей и животных средствами. Их создание основано на знаниях о строении бактерий и вирусов и их взаимодействии с различными химическими веществами. Постоянно улучшаются и способы распространения химических дезинфектантов. Так, может применяться:

• замачивание (санация),
• распыление (отличный способ уничтожать микробы в воздухе),
• мытье посуды и поверхностей,
• сочетание с физическими методами борьбы против бактерий, грибков, вирусов и спор (использование горячих растворов, кипячение, включение бактерицидной лампы и тому подобные).

Биологическое уничтожение грибков, вирусов и бактерий является наиболее высокотехнологичным. Оно предполагает применение для уничтожения вредных микробов и спор их естественных врагов. Это может быть использование бактериофагов или бактерий-паразитов.

Молочнокислые бактерии

К группе с таким названием относят более 25 . Они имеют преимущественно палочкообразную, реже – шаровидную форму, как показано на фото. Их размер сильно варьируется (от 0,7 до 8,0 мкм) в зависимости от среды обитания. Живут они на листьях и плодах растений, в молочных продуктах. В человеческом организме они представлены во всем желудочно-кишечном тракте – от рта до прямой кишки. В подавляющем большинстве они совсем не вредные для человека. Эти микроорганизмы защищают наш кишечник от гнилостных и патогенных микробов. .png» alt=»Молочнокислые бактерии под микроскопом» width=»400″ height=»250″ srcset=»» data-srcset=»https://probakterii.ru/wp-content/uploads/2015/04/molochnokislye-bakterii-300×188..png 700w» sizes=»(max-width: 400px) 100vw, 400px»> Свою энергию они получают от процесса молочнокислого брожения. Полезные свойства этих бактерий известны человеку давно. Вот лишь некоторые области их применения:

1. Пищевая промышленность – производство кефира, сметаны, ряженки, сыра; квашение овощей и фруктов; приготовление кваса, теста и т.п.
2. Сельское хозяйство – брожение силоса (силосование) замедляет развитие плесени и способствует лучшей сохранности корма для животных.
3. Народная медицина – лечение ран и ожогов. Вот почему солнечные ожоги рекомендуется смазывать сметаной.
4. Медицина – производство препаратов для восстановления микрофлоры кишечника, женской репродуктивной системы после инфекции; получение антибиотиков и частичного заменителя крови под названием декстран; изготовление препаратов для лечения авитаминозов, желудочно-кишечных заболеваний, для улучшения обменных процессов.

Инструменты биотехнологических процессов

Основными инструментами биотехнологии для получения наиболее эффективных микроорганизмов являются селекция и генная инженерия.

Селекция – направленный отбор высокоэффективных особей в популяции вследствие естественной мутации микроорганизмов.

В природе процесс достаточно длительный, но под действием мутагенных факторов (жесткое излучение, азотистая кислота и др.) может быть значительно ускорен.

Плюсами селекции являются экологичность, натуральность продукта.

Минусами метода следует считать:

• длительность процесса;
• невозможность контролировать направление мутации – определяется по конечному результату.

Значение энзимов

Ферменты (энзимы) – биокатализаторы процессов, увеличивающие скорость протекания реакции в порядки раз в сравнении с химическими катализаторами. Под действием ферментов выход продукции составляет почти 100%, при этом сами ферменты в процессе реакции не расходуются.

Естественным источником ферментов в природе являются бактерии и дрожжи, известно более 3000 ферментов.

Все энзимы по способу получения делят на 2 группы:

• внеклеточные;
• внутриклеточные.

Ферменты часто применяются человеком на производствах:

• пищевом;
• фармацевтическом;
• кожевенном;
• текстильном;
• химическом;
• в сельском хозяйстве.

Уничтожение микроорганизмов лекарственными препаратами. Инфекции и дисбактериозы

Появление антибиотиков позволило врачам сделать существенный прорыв по части лечения тяжелых инфекционных болезней человека и животных. Однако вскоре стало понятно, что уничтожение бактерий, чувствительных к антибиотикам, в толстом кишечнике человека чревато возникновением расстройств пищеварения и по своей симптоматике может быть похоже на кишечные инфекции. Мало того, некоторые состояния, не поддававшиеся лечению антибиотиками, легко вылечивались применением бактериальных культур, живущих в толстом кишечнике человека. С другой стороны, обнаружение в желудке бактерий, ответственных за развитие гастрита, разрушило миф о том, что бактериальная микрофлора не может существовать в кислой среде желудочного сока. Изучение механизмов, защищающих этих возбудителей от уничтожения и переваривания в желудке, открыло новую страницу в изучении микробов. Появление тестов на чувствительность патогенной микрофлоры к антибиотикам позволило выбирать те из них, которые наиболее эффективны и наносят минимальный ущерб полезным жителям толстого кишечника. Препараты, состоящие из спор полезных микробов, и живые кисломолочные продукты, восстанавливающие микрофлору толстого кишечника, стали завершающим этапом лечения всех инфекций. Отдельным направлением является разработка синтетических материалов для капсул, способных выдерживать высокую кислотность в желудке и растворяться в щелочной среде кишечника.

Промышленность

Выщелачивание

Бактерии способны в процессе своей жизни избирательно извлекать вещества из сложных соединений, растворяя их в воде. Этот процесс носит название бактериального выщелачивания и имеет большое практическое значение:

• позволяет извлекать полезные химические вещества из руд, производственных отходов;
• удалять ненужные примеси – мышьяк из руд цветных и черных металлов.

Чаще всего в промышленности для бактериального выщелачивания применяют тионовые бактерии:

• Thiobacillius ferrooxidans – железобактерии, окисляющие закисное железо и сульфидные минералы.
• Thiobacillius thiooxidans – серобактерии, окисляющие серу.

Железо- и серобактерии являются хемоавтотрофами – процессы окисления сульфидов, оксида железа (ll) и серы для них являются единственным источником энергии.

В промышленности большое практическое значение имеет бактериальное выщелачивание полезных ископаемых (уран, медь) непосредственно на месторождениях.

Процесс не требует сложного оборудования и с учетом возврата в технологический процесс отработанного раствора, содержащего бактерии, имеет ряд значительных преимуществ:

• позволяет значительно понизить себестоимость добычи;
• значительно расширяет сырьевую базу за счет обедненных, забалансовых или потерянных руд, отходов обогащения, шлаков и др.

Железобактерии в реке

Использование биотехнологий при добыче полезных ископаемых является чрезвычайно перспективным, с целью расширения области применения ученые проводят исследовательские работы по следующим направлениям:

• выщелачивание тионовыми бактериями различных металлов – Zn (цинк), Co (кобальт), Mn (марганец) и др.;
• поиск бактерий других видов для извлечения полезных ископаемых.

Так, для извлечения золота, например, предлагается применять бактерии Aeromonas, которые выделены на золотоносных приисках в рудничных водах.

Полезные и вредные свойства термофилов и их применение

Ацидофильные молочнокислые палочки применяются не только в пищевой промышленности, но и в фармакологии. Их можно обнаружить в твороге и сыре, а также в составе большинства пробиотических препаратов, заквасках, позволяющих производить кефир и йогурт и призванных нормализовать микрофлору в организме человека.

Индустрия красоты

Косметологи широко применяют йогурт в качестве средства, отбеливающего кожу и восстанавливающего ее упругость. Живой йогурт, применяемый в качестве маски, способен восстановить здоровье кожи и нормализовать баланс бактерий на ее поверхности.

Производство йогуртов

Термофильный стрептококк и болгарская ацидофильная палочка входят в состав заквасок, при помощи которых производится йогурт. Многие люди, имеющие проблемы с перевариванием цельного молока, могут употреблять йогурт, поскольку в его составе нет молочного сахара – лактозы. Йогурт показан грудным детям как средство для поддержания нормальной микрофлоры, а также как продукт, содержащий витамины групп В и К, фолиевую кислоту и аминокислоты. Он легко готовится из сухих заквасок путем добавления их в молоко и выдерживания при температуре 38-45°С. В отличие от кефира или ацидофилина, йогурт имеет приятный сливочный вкус и не содержит дрожжей и спирта.

Переработка органики

Это еще одна сфера применения термофильных бактерий. Ее выполняют как термофильные, так и мезофильные бактерии, живущие в почве, однако эффективность работы первых существенно выше. Интерес к метановому брожению существенно возрос после того, как было выяснено, что в результате можно получать витамины В12 и Н. Кроме того, образующийся при переработке подстилки и других органических отходов в компостных ямах метан может успешно применяться для обогрева жилых и промышленных помещений, а также в химической промышленности.

Чтобы уменьшить вред, наносимый термофильными палочками предприятиям пищевой промышленности, проводят мониторинг оборудования и его регулярную обработку бактерицидными препаратами, что позволяет контролировать качество выпускаемой продукции.

Клостридиумы в почве

Немалый вред приносит инфицирование земель клостридиумами при внесении органических удобрений, а также использовании в качестве удобрения перепревшей подстилки из коровников. Высокое содержание клостридиумов в почве наносит существенный вред качеству грунтовых вод и воды в естественных водоемах.

Интересно, что в почве, загрязненной нефтепродуктами, обнаружены термофилы, способные перерабатывать твердые парафины и ароматические углеводороды. Их присутствие в почве позволяет существенно снизить степень загрязненности и сделать ее пригодной для растений.