Fotoautotrofy - korzystają z energii słonecznej, np. glony, sinice, bakterie (produkcja biomasy, oczyszczanie ścieków).
Chemolitotrofy - korzystają z energii chemicznej (związków nieorganicznych), np. bakterie metanowe, wodorowe, żelazowe, nitryfikujące, siarkowe (bioługowanie metali, oczyszczanie ścieków.
Chemoorganotrofy - korzystają z energii chemicznej (związków organicznych).
Heterotrofy - korzystają z gotowych związków organicznych, np. większość bakterii i grzybów:
-prototrofy (są w stanie syntezować wszystkie składniki komórkowe z jednego źródła węgla),
-auksotrofy (wymagają dodatku witamin, aminokwasów, aby syntezować składniki komórkowe).
Grupa bakterii |
Przykłady |
Zastosowania |
+Bakterie kwasu mlekowego |
Streptococcus, Leuconostoc, Lactobacillus |
Sery, mleczan, dekstran, kiszonki |
+Bakterie przetrwalnikujące |
Bacillus, Clostridium |
Enzymy, antybiotyki, aceton, butanol |
+Promieniowce |
Streptomyces, Nocardia |
Antybiotyki, enzymy |
+Bakterie kwasu propionowego |
Propionibacterium |
Produkcja kwasu propionowego, witaminy Bl2 |
+ |
Corynebacterium |
Produkcja aminokwasów |
+Bakterie celulolityczne |
Cellulomonas |
Degradacja celulozy |
-Bakterie kwasu octowego |
Acetobacter |
Produkcja octu, utlenianie sorbitolu |
-Bakterie chemolitotroficzne |
Thiobacillus |
Bioługowanie rud metali |
-Bakterie fermentacji etanolowej |
Zymomonas mobilis |
Etanol |
Bakterie metanogenne |
Methanobacterium sp. Methanococcus |
Produkcja biogazu |
Bakterie metylotroficzne |
Methanomonas methanolica, Pseudomonas |
Biomasa z metanolu |
Wykorzystanie wirusów w przemyśle:
Antygeny (produkcja szczepionek).
Nośnik materiału genetycznego (transformacja wektorowa).
Terapia rakowa z zastosowaniem adenowirusów:
-selektywne niszczenie (wnikanie tylko do komórek rakowych),
-wbudowywanie promotora (wnikanie do wszystkich komórek, aktywacja w komórkach rakowych).
Bakterie fermentacji mlekowa - obejmują grupę nieprzetrwalnikujących g(+) ziarniaków i laseczek:
Cechy fizjologiczne:
-są mało ruchliwe,
-względnie beztlenowe (wyj. Bifidobacterium),
-mezofilne (20-28 oC), np. Lactococcus lactis, Lactobacillus casei, L. plantarum (1,5% LA),
-termofilne (37-45 oC), np. L. delbrueckii, Streptococcus thermofilus (3% LA),
-tolerują niskie pH (3-4),
-nie tworzą formą przetrwalnych (wyj. Sporolactobacillus inulinus),
-nie posiadają katalazy oraz cytochromów (krótki łańcuch oddechowy, 1-4 ATP),
Naturalne środowiska występowania (bardzo rzadko w glebie lub wodzie):
-produkty mleczne, np. L. lactis, L. bulgaricus, L. brevis, L. fermentum, L. casei,
-zdrowe i gnijące rośliny, np. L. plantarum, L. delbrueckii, Leuconostoc mesenteroides,
-układ pokarmowy, np. L. acidophilus, Bifidobacterium, Streptococcus pyogenes, Enterococcus faecalis.
Warunki wzrostu (podłoże wzbogacane),
-witaminy (laktoflawina, tiamina, kwas pantotenowy, kwas nikotynowy, kwas foliowy, biotyna),
-aminokwasy, puryny, pirymidyny,
-skład pożywki: ekstrakt drożdżowy, koncentrat pomidorowy, krew, węglan wapnia (bufor).
Przebieg fermentacji mlekowej - bakterie wykorzystują głównie mono- i disacharydy, w wyniku fermentacji produkują 0,6-3% kwasu mlekowego (L lub D).
C12H22O11 (laktoza) + H2O −[β-galaktozydaza]→ 2 C6H12C6 (D-glukoza, D-galaktoza)
C6H12O6 → 2 C2H4OHCOOH (kwas 2-hydroksypropanowy) + 22,5 kcal (94 kJ).Rodzaje fermentacji mlekowej:
Homofermentacja - (90% kwasu mlekowego, oraz minimalna ilość kwasu octowego i CO2, zależna od stopnia dostępności tlenu):
-Streptococcus lactis, S. cremoris, Lactobacillus lactis, L. plantarum, L. delbrueckii, L. casei.Heterofermentacja - (mało kwasu mlekowego, dużo produktów ubocznych):
-Streptococcus diacetilactis (kwas octowy, etanol, diacetyl),
-Lactobacillus brevis (kwas octowy, etanol, mannitol, CO2),
-Leuconostoc meseteroides (kwas octowy, etanol, śluz, CO2) powoduje ciągliwość mleka,
-Escherichia coli (kwas octowy, etanol, CO2, H2, H2S) powoduje wzdęcia serów, wady masła, następuje utrata walorów smakowych i zapachowych, dochodzi do rozerwania skrzepu,
-Micrococcus, Microbacterium.
Przemysłowe wykorzystanie bakterii fermentacji mlekowej:
Fermentacja pieczywa - stosowane są zakwasy piekarskie, w postaci preparatów liofizowanych:
-L. plantarum (nadaje elastyczność i spulchnia ciasto).
-L. sanfranciscensis (rozkłada maltozę, która stanowi 60% cukrów w mące).
-S. cerevisiae (produkcja ryboflawiny, która rozkłada maltozę oraz powoduje spulchnienie ciasta).
-L. fermentum, L. brevis, L. leichmaniiFermentacja mięsa - przyśpiesza dojrzewanie wędlin, nadaje smak i zapach:
-L. plantarum, L. curvatus, L. sake, P. acidilactici, P. pentosaceus,
-Staphylococus xylosus, S. cornonus, Streptococcus grizeus, Micrococcus varians (aromatyzacja).Fermentacja surowców roślinnych:
-L. plantarum, L. brevis, L. buchnerii (pH 4,2).
Jogurt:
-Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, L. delbrueckii, L. casei,
-zawartość kwasu mlekowego: 0,85-0,90% oraz aldehydu octowego 10-15 mg/kg.Kefir:
-Streptococcus lactis, S. diacetilactis (70%), Lactobacillus caucasicus (25%), Saccharomyces (5%),
-zawartość kwasu mlekowego 0,76-0,90 % oraz etanolu 0,63-1,10%.Masło:
-Streptococcus lactis, S. diacetylactis, S. cremoris, S. citrovorus,
-zawartość diacetylu (2,3-butanodion) 1-2 mg/kg oraz aldehydu octowego 0,2-0,4 mg/kg.Kiszona kapusta:
-Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus brevis, L. plantarum, Pediococcus damnosus,
-zawartość kwasu mlekowego 1,4-1,8% (pH 3-4) oraz stężenie NaCl wynosi 2-2,5%,
-wzrost pH > 4 powoduje utratę kwasowości oraz smaku, zanieczyszczenie drożdżami (Candida) i pleśniami (Geotrichum).Kiszone ogórki:
-Lactobacillus brevis, L. plantarum, Pedioccocus,
-zawartość kwasu mlekowego wynosi 0,5-1,2% (pH 3,3-3,5),
-wzrost pH > 4 powoduje zanieczyszczenie bakteriami (E. coli), drożdżami (Saccharomyces, Hansenula - wytwarzają CO2), pleśniami (Aspergillus, Penicillium, Fusarium).
Kiszone pasze (głównie buraki, ziemniaki, kukurydza, trawa):
-L. plantarum, L. brevis, L. buchnerii, L. curvatus,
-wzrost pH > 4 powoduje zanieczyszczenie bakteriami (Clostridum, wytwarza kwas masłowy, ostry zapach, max. 100 bak. w 1 g), a po otwarciu pojawiają się drożdże dzikie (Pichia, Hansenula, Candida), które aktywują bakterie gnilne (E. coli).
Produkcja kwasu mlekowego (E270):
-surowiec: melasa buraczana, serwatka, ługi posiarczynowe,
-L. delbrueckii, L. casei, L. leichmanii, L. pentosus, Streptococcus lactis.Sos sojowy - L. delbrueckii, Pediococcus.
Napoje alkoholowe, kawa, kakao - Oenococcus oenos, L. delbrueckii.
Bioremediacja - technologia usuwania zanieczyszczeń za pomocą mikroorganizmów:
Bioremediacja bydła - żwacz jest narządem trawiennym bydła, w którym dzięki mikroorganizmom następują rozkład wielocukrów z trawy i innej paszy, do kwasów: octowego, propionowego i masłowego. Zniszczenie flory żwacza może być śmiertelne. Dla poprawy kondycji bydła, stosuje się szczepienie chorego bydła, poprzez dodatek do paszy mikroflory zdrowego bydła, lecz także można dodać mikroorganizmy detoksykujące szkodliwą mimozynę i wykorzystać jako źródło energii.
Znaczenie bakterii fermentacji mlekowej:
Poprawa cech organoleptycznych (smak, aromat, konsystencja):
-diacetyl - zapach masła, śmietany, np. L. lactis, Leuconostoc mesenteroides,
-aldehyd octowy - trawiasty smak masła, aromat jogurtu (10-15 mg/kg), np. L. delbrueckii, L. bulgaricus,
-etanol - smak kefiru (1-2%), kumysu (2%)Zwiększenie wartości odżywczych
Zwiększenie przyswajalności związków mineralnych
Stabilizacja biologiczna produktów (konserwacja)
Główne metabolity antagonistyczne produkowane przez bakterie fermentacji mlekowej:
Kwasy organiczne (mlekowy, octowy).
Bakteriocyny (nizyna).
Enzymy (laktoperoksydaza+H2O2, lizozym).
Substancje organoleptyczne (reuteryna, diacetyl, aldehyd octowy, kwasy tłuszczowe).
Nadtlenek wodoru (L. delbruecki, L. acidophilus wytwarzają 1-12 μg/cm3, działając bakteriostatycznie na Staphylococcus 6 μg/cm3, Pseudomonas 2-8 μg/cm3).
Szczepionki bakteryjne - zestaw bakterii inicjujący fermentacje mlekową:
Przetwory mleczarskie (Lactococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides).
Sery twarogowe (L. lactis, L. mesenteroides, Lactobacillus acidophilus, Bifidobacterium).
Sery dojrzewające twarde typu holenderskiego (L. lactis, L. mesenteroides, L. casei).
Sery dojrzewające twarde typu szwajcarskiego (L. lactis, L. mesenteroides, L. delbrueckii, L. hefaeticus).
Jogurt (Streptococcus thermophilus, L. delbrueckii).
Cel fermentacji mlekowej:
Wytwarzanie kwasu mlekowego.
Koagulacja białek mleka (głównie kazeiny).
Przyśpieszenie skrzepu mleka.
Tworzenie gazu (oczka serowe).
Przemiany proteolityczne (dojrzewanie serów).
Hamowanie wzrostu bakterii szkodliwych.
Znaczenie kwasu mlekowego (1880 USA, 1895 Europa):
Zakwaszanie produktów mięsnych.
Przemysł cukrowniczy, garbarski, farbiarski, chemiczny, farmaceutyczny, kosmetyczny.
Konserwacja przetworów owocowo-warzywnych, produktów mleczarskich.
Produkcja serów (wytrącanie kazeiny, można też kwasem siarkowym).
Dekstran - polisacharyd będący substytutem osocza (1950), wytwarzany przez L. mesenteroides, który rozkłada sacharozę przy udziale dekstrynosacharazy (zamienia roztwór cukrowy w ciągliwą, kleistą masę śluzową złożoną z dekstranów).
Bakteriocyny - białka, będące metabolitami bakterii mlekowych, po wydzieleniu z komórki posiadają właściwości bakteriobójcze względem g(+), stosowane jako biokonserwanty:
L. acidophilus, L. brevis, L. casei, L. delbrueckii, L. plantarum, L. sake, Lactococcus lactis, P. acidilactici, Bifidobacterium.
Właściwości:
-pierwszo- lub drugorzędowe metabolity, syntezowane rybosomalnie, mogą podlegać obróbce posttraslacyjnej,
-kodowane plazmidowo lub chromosomalnie (genowi kodującemu bakteriocynę towarzyszy gen oporności na tą bakteriocynę),
-aktywność bakteriobójcza, bakteriostatyczna - głównie na bakterie G+,
-termostabilne, odporne na wahania pH,
-wrażliwe na enzymy proteolityczne (rozkładane w przewodzie pokarmowym, brak kumulacji),
-nieszkodliwe, nietoksyczne dla człowieka.Charakterystyka bakteriocyn:
-Klasa I (poniżej 5 kDa)- cykliczne, termostabilne peptydy, zawierają nietypowe aminokwasy (lantionina, ehydroalanina):
-A: cząsteczki wydłużone, działają poprzez naruszenie struktury błony,
-B: cząsteczki globularne, posiadają dużą ilość par G+C, nie są wytwarzane podczas procesu fermentacji mlekowej.
-Klasa II (poniżej 10 kDa) - termostabilne peptydy o charakterze kationowym lub amfifilowym, działją na G+ o niskiej zawartości par G+C, np. bakterie fermentacji mlekowej, Listeria, Clostridium, Enterococcus:
A - silna aktywność antybakteryjna oraz korzystne właściwości fizykochemiczne,
B - aktywność jest uwarunkowana współdziałaniem 2 peptydów Laktokocyna M i G oraz laktacyna F i termofilina 13,
C - syntetyzowane z peptydem sygnalnym, odcinanym w momencie sekrecji z komórki poprzez ABC-transportery,
D - peptydy różniące się budową i mechanizmem sekrecji od bakteriocyn podklas IIa i IIb
-Klasa III (powyżej 30 kDa) - termolabilne peptydy, mechanizm ich działania nie opiera się na permabilizacji błony.
-Klasa IV - aktywność jest uwarunkowana obecnością w cząsteczce dodatkowej części lipidowej lub sacharydowej.Właściwości nizyny:
Dobrze rozpuszczalna w pH 2,5, natomiast słabo w pH 5-6,
Konserwant (legalizacja w 1988 przez FDA) produktów mleczarskich (sery dojrzewające, sery topione, mleko w proszku), produktów mięsnych (pakowanych próżniowo), owoców, warzyw, piwa, wina,
W Polsce jako konserwant serów dojrzewających i serów topionych (max. 100 mg/kg produktu).
Hamuje rozwój:
-Lactobacillus: brevis, buchnerii, casei, delbrueckii, plantarum,
-Pediococcus: acidilactici, damnosus, pentosaceus
-Listeria monocytogenes, ivanovii,
-Lactococcus lactis, Leuconostoc mesenteroides,
-Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae, Streptococcus pyogenes, Micrococcus luteus,
-Bacillus: cereus, coagulans, licheniformis, stearothermophilus, subtilis,
-Clostridium: botulicum, butyricum, perfringens, sporogenes.Probiotyki - pojedyncze lub mieszane kultury żywych mikroorganizmów, podawane zwierzętom, w celu poprawy zdrowia, posiadają antagonizm w stosunku do drobnoustrojów chorobotwórczych:
Pozytywny wpływ probiotyków
-działanie bakteriostatyczne względem Salmonella, Shigella, E. coli, Campylohacter jejuni, Helicobacter pylori
-eliminacja wzdęć, zaparć, niestrawności,
-wzrost odporności,
-przywracanie równowagi biologicznej po leczeniu antybiotykami, leczenie grzybic,
-działanie przeciwalergiczne,
-obniżanie nietolerancji laktozy (niektóre bakterie probiotyczne wytwarzają β-galaktozydazę rozkładającą laktozę),
-lepsze trawienie i przyswajanie substancji odżywczych i minerałów (szczególnie wapnia),
-źródło witamin (z grupy B i K)
-obniżanie poziomu cholesterolu,
-leczenie zakażeń układu moczowego i płciowego,
-działanie przeciwnowotworowym (hamowanie rozwoju komórek nowotworowych oraz bakterii wytwarzających enzymy odpowiedzialne za uwalnianie kancerogenów, np. β-glukoronidazy, niszczenie związków kancerogennych, np. nitrozoaminy).Mikroorganizmy probiotyczne:
-Lactobacillus acidophilus, L. brevis, L. casei, L. delbrueckii, L. lactis, L. plantarum, L. rhamnosus,
-Bifidobacterium bifidum, B. lingum, B. breve, B. infantis, B. thermophilus, B. adolescentis,
-Streptococcus thermophilus, S. intermedium,
-Pediococcus acidilactici, P.damnosus, P. pentosauces.Wytwarzane metabolity:
-kwasy organiczne (kwas mlekowy),
-witaminy (B1, B2, B6, B12, biotyna, kwas foliowy, niacyna),
-enzymy (esterazy, lipazy),
-substancje antybiotyczne (acydofilna, plantacyna, reuteryna, nizyna),
-substancje antyrakowe (sarkomycyna, chromomycyna A, neokarcinostatyna, aktynomycyna D).Mikroflora jelita:
-autochtoniczna: Bacteroides, Bifidobacterium, Lactobacillus,
-allochtoniczna: chorobotwórcze (rywalizuje o miejsce bytowania i może wypierać prawidłowe mikroorganizmy),
*eubiosis (prawidłowa) - Enterococcus faecium (54%), L. acidophilus (12%), E. coli (1%),
*dysbiosis (nieprawidłowa) - E. coli (14%), Streptococcus faecium (6%), L. acidophilus (brak).Przyczyny zaburzeń mikroflory jelita:
-terapia antybiotykowa, zapalenie jelit, nadużywanie alkoholu, kofeiny,
-chlorowanie i fluorowanie wody, stres, głodzenie, nadmierna higiena w okresie niemowlęcym.Prebiotyki - substancje wspomagające rozwój mikroflory probiotycznej, nie są trawione w przewodzie pokarmowym:
-oligofruktoza (2-5 cząsteczek fruktozy), inulina (fruktozo-glukoza), laktuloza (polimer fruktozo-glukozowy).Symbiotyk - mieszanina probiotyków z prebiotykami.
Organizmy metylotroficzne:
Metylotrofy względne (odżywiają się metanem, metanolem, ale także innymi źródłami węgla):
-bakterie: Pseudomonas AM 1, Pseudomonas C, Methylobacterium organophilumMetylotrofy bezwzględne (odżywiają się tylko metanem, metanolem):
-bakterie: Methylomonas methanica, Methylococcus thermophilus, Achromobacter methanophila,
-drożdże: Candida, Pichia, Torulopsis, HansenulaZastosowanie:
-zagospodarowanie metanem,
-źródło białka (60-80%) dla zwierząt hodowlanych (biomasa) jako substytut mączki mięsno-kostnej,
-źródło witamin,
-odporne na metanol 30 g/l (norma 10 g/l).Organizmy metanogenne - zamieszkują środowisko ekstremalne, produkują metan:
Podział bakterii metanogennych:
-Methanobacterium thermoalcaliphilumi - cienkie, proste lub zakrzywione długie pałeczki, często w nitkach,
-Methanobrevibacter smithi - krótkie pałeczki lub łukowate ziarniaki, często dwoinki lub w łańcuszkach,
-Methanomicrobium mobile - krótkie, proste lub zagięte ruchliwe pałeczki,
-Methanogenium tatii - nieregularne ziarniaki,
-Methanospirillium hungatei - regularnie zakrzywione, cienkie ruchliwe pałeczki, często tworzące spiralne nitki,
-Methanosarcina barkeri - ziarniaki często występujące w pakietach,
-Methanococcus deltae - regularne lub nieregularne ziarniaki, często dwoinki,
-Methanotrix fervidus - pałeczki lub długie nitki.Fermentacja metanowa (beztlenowa w zakresie temp. 10˚C-80˚C):
-hydroliza polisacharydów, białek, lipidów do cukrów, aminokwasów i kwasów tłuszczowych (Clostridium, Bacteroides);
-kwasogeneza (Bifidobacterium Ruminococcus), acetogeneza (Synthrophobacter, Synthrophomonas, Desulfovibrio)
-CH3-COOH, CO2 i H2,
-metanogeneza (Methanosarcina, Methanobacterium, Methanomicrobium, Methanococcus)
-CH3-COOH -> CO2 + CH4
-CO2 + H2 -> CH4 + H2O.Skład biogazu: CH4 (50-70%), CO2 (30-50%) oraz śladowe ilości zanieczyszczeń, np. H2S, NH3,
Charakterystyka Bacillus:
Cechy fizjologiczne:
-oddychanie tlenowe lub względnie beztlenowe:Cechy morfologiczne:
-gram+ laseczki (często tworzą układy łańcuszkowe),
-średnica 1-3 µm (bywają też większe, np. B. megaterium zalicza się do jednych z największych bakterii),
-ruchliwe i urzęsienie peritrichalne lub biegunowe (wyjątek: nieurzęsione i nieruchliwe B. anthracis),Podział ze względu na kształt i rozmieszczenie przetrwalników:
-przetrwalniki < sporangium - B. anthracis, B. cereus, B. megaterium, B. licheniformis, B. subtilis, B. thuringiensis,
-przetrwalniki > sporangium - B. macerans, B. stearothermophilus, B. circulans, B. polymyxa,
-przetrwalniki > komórka macierzysta - B. pasteurii, B. sphaericus.Hodowla:
-podłoża bulionowe (wyj. B. larvae) - rosną w postaci kożucha lub tworzą zmętnienie w całej objętości,
-podłoża agarowe - rosną w postaci dużych kolonii o rozmiarach 3-5 mm.Występowanie:
-gleba (najczęściej): B. cereus, B. licheniformis, B. pumilus, B. subtilis,
*zymogeniczna mikroflora gleby - intensywny rozwój występuje podczas napływu do gleby materii organicznej (np. opad liści w lesie, nawożenie obornikiem) - mineralizacja gleby;
*w przypadku niekorzystnych warunków mogą penetrować środowisko w poszukiwaniu dostępu do substancji odżywczych (gatunki urzęsione) lub tworzą endospory
-ryzosfera: B. macerans, B. azotofixans, B. polymyxa, B. psychrosaccharolyticus,
*korzystają z substancji odżywczych wydzielanych przez rośliny i odwdzięczając się im wiązaniem N2;
-gorące źródła (> 45ºC): B. stearothermophilus, B. thermoruber,
-ściółka (tanina, lignina, biopolimery): B. megaterium, B. cereus, B. mycoides,
*bakterie chronią rośliny przez szkodnikami, wydzielając δ-endotoksyny;
-przewód pokarmowy (żwacz): B. coagulans, B. licheniformis, B circulans, B. laterosporus, B. pumilus,
*wytwarzają enzymy degradujące białka, hemicelulozę, ksylen, glikozydy.Gatunki chorobotwórcze:
-B. anthracis (wąglik), B. cereus (zatrucia pokarmowe, zapalenie oczu),
-B. alvei, B. popilliae, B. larvae (choroby pszczół i chrząszczy).Negatywna rola w przemyśle spożywczym (względnie tlenowe):
-B. licheniformis (psucie się konserw zwierzęcych, połączone z bombażem),
-B. stearothermophilus (psucie się konserw roślinnych, z zakwaszeniem, bez bombażu),
-B. coagulans (psucie się konserw mlecznych).Pozytywna rola w przemyśle spożywczym:
-głównie produkcja hydrolaz: proteinaza, (np. subtilizyna - dodatek do środków piorących), α-amylaza,
*60% preparatów enzymatycznych, 1981: 500 t / rok / świat (subtilizyny),
-antybiotyki biogenne - wytwarzane przez mikroorganizmy:
-B. subtilis produkuje ponad 65 antybiotyków o budowie polipeptydowej,
-bacytracyna (B. subtilis) - niebezpieczny, powszechnie niedostępny, substytut teracykliny jako dodatek w do pasz,
-gramicydyna S, tyrocydyna A, B i C (B. brevis),
-polimyksyny (B. polymyxa) - antagonizm względem g- oraz g+ i grzybów (blokada syntezy i funkcji błon komórkowych),
-butyrozyna (B. circulans) - na drodze biotransformacji uzyskuje się efektywny antybiotyk - amikacynę.Produkcja enzymów:
Egzoenzymy - głównie związane z błonami komórkowymi, w odpowiednich warunkach są uwalniane poza komórkę, w celu pozyskiwania związków odżywczych z otoczenia (podczas sporulacji):
-wzrost wegetatywny - bakterie gromadzą kwasy organiczne (spadek pH 4,0-5,0),
-sporulacja - bakterie utleniają nagromadzone kwasy organiczne (wzrost pH).Technologia produkcji enzymów:
-proces biosyntezy (hodowla wgłębna w fermentatorach na pożywkach ciekłych)
-skład pożywki:
-źródło węgla (melasa buraczana, ziarna zbóż, hydrolizaty skrobi ziemniaczanej, mąka ziemniaczana),
-źródło azotu (serwatka, soja, otręby, mąka, wyciągi z kukurydzy, soi, jęczmienia, kiełki słodowe),
-związki czynne (witaminy, zasady purynowe i pirymidynowe - ekstrakt drożdżowy),
-mikroelementy (jony manganu, żelaza, cynku, potasu);
-warunki hodowli:
-pH 6,5-7,5 (alkalofilne 8,0-11,0),
-temperatura 28-40ºC,
*pH i temperatura optymalne dla produkcji egzoenzymów niezawsze pokrywają się z optimum dla wzrostu,
np. B. mesentericus rośnie najlepiej w 42ºC, a maksymalna synteza subtilizyny występuje w 28ºC,
-napowietrzenie 0,7-1,0 objętości powietrza na objętość podłoża na 1 minutę,
-proces jego wyodrębniania:
-wirowanie lub filtracja,
-oczyszczanie filtratu i jałowienie (w zależności od przeznaczenia z różną dokładnością).Rekombinacja - wymieszanie materiału genetycznego, co najmniej dwóch osobników:
-B. sphericus (acylaza penicylinowa), B. amyloliquefaciens (α-amylaza), B. pumilis (ksylaza)
-przeniesienie trzech genów do B. subtilis (uzyskanie nowych właściwości - tylko bakterie),
-inne sposoby: mutacyjne, adaptacyjne (fenol w rzece, część umiera, część przeżywa i nabywa odporność).Bioinsektydy - biologiczny środek owadobójczy jako substytut środków chemicznych
B. thuringensis wytwarza δ-endotoksyn (CryI - CryIV) - w czasie sporulacji i odkładane w komórkach poza przetrwalnikiem, charakteryzują się wysoką aktywnością i specyficznością w stosunku do owadów, blokując ich enzymy trawienne:
-B. thuringensis ssp. tenebrionis w stosunku do stonek i chrząszczy,
-B. thuringensis ssp. japonensis w stosunku do żuków.Biotransformacja B. thuringensis - wprowadzanie genów do:
-bakterii (Pseudomonas fluorescens, Bacillus megaterium, Bacillus sphaericus),
-roślin transgenicznych.Biotransformacja - jedno-, rzadziej dwuetapowe, chemiczne przekształcenie egzogennych związków w strukturalnie im podobne, dokonywane przez żywą komórkę. Produkty końcowe często nie mają znaczenia dla komórki, a niekiedy są wręcz toksyczne:
-biotransformacja nie jest celem działania komórki = to proces niezależny od funkcji jej życiowych.Hydroliza estrów:
-rozdział mieszaniny podstawionych enancjomerów α-arylo- i α-aryloksypochodnych kwasu propionowego (leki przeciwzapalne),
-hydroliza estrów karboksylowych oraz estrów L-aminokwasowych przez subtilizynę,
*B. subtilis, B. coagulans wytwarzają karboksyloesterazy, esterazy,Produkcja aminokwasów:
-otrzymywanie czystych L- lub D-aminokwasów (B. subtilis - L-izoleucynę lub L-treoninę).Produkcja antybiotyków:
-wykorzystanie acylazy penicylinowej z bakterii E. Coli, B. sphaericus, B. meganterium do transformacji penicyliny G (benzylo-) i penicyliny V (fenoksymetylo-) w kwas 6-aminopenicylanowy (półprodukt półsyntetycznych penicylin, np. ampicyliny),Produkcja steroidów:
-B. meganterium hydroksylują progesteron w pozycji a i b przy węglu 15-tym,
-B. lentus, B. sphaericus dehydroksylują kortyzon w prednizon.Biodegradacja - chemiczny rozkład związków organicznych na prostsze składniki chemiczne zachodzący przy udziale żywych organizmów. W odróżnieniu od mineralizacji, termin ten używa się w odniesieniu do substancji obcych i szkodliwych dla środowiska naturalnego, syntetyzowanych sztucznie przez człowieka i niewystępujących naturalnie w przyrodzie (ksenobiotyków).
Biodegradacja n-alkanów (C9-C44):
-oksydacja - wprowadzenie -OH do łańcucha przy węglu 1. (terminalna), 2,3 lub 4 (subterminalna), która pod wpływem dehydrogenaz i esteraz ulega dalszemu utlenieniu, a łańcuch alkanu skróceniu:
-B. macerans hydroksyluje 4, 5 i 6. atom węgla,
-Bacillus + Streptomyces hydroksylują długie n-alkany w dowolnym miejscu,
-rozkład parafin (smary, świece, kremy):
-B. subtilis wydziela do otoczenia bioemulsatora, ułatwiający wnikanie cząstek n-alkanu do komórek własnych i innych mikroorganizmów, co rozwiązuje problem katabolizowania wewnątrzkomórkowego,Biodegradacja związków amidowych:
-pestycydów (anilidy, fenylokarbamidy):
-B. firmus, B. sphaericus wytwarzają arylo-acyloamidazę, rozkład do kwasu karboksylowego i aniliny (fenyloaminy).Biodegradacja innych związków:
-B. cereus rozkłada barwniki azowe (oranż metylowy),
-B. pumilus wytwarza dihydratazę cyjanidową i degraduje cyjanowodór,
-B. subtilis eliminują grupę nitrową z pochodnych fenoli, głównie 2- i 4-nitrofenole (ścieki przemysłowe),
-B macerans rozkłada związki aromatyczne (lignina, tanina).Bakterie fermentacji masłowej:
Cechy fizjologiczne:
-oddychanie bezwzględnie beztlenowe (wyj. C. hystoliticum, C. acetobutylicum, C. sporogenes),
-temperatura:
-mezofilne (30-40 oC), np. C. butilicum, C. tetani, C. cellobioparum (rozkład celulozy),
-termofilne (60-75 oC), np. C. thermoaceticum, C. thermocellum (rozkład celulozy), C. thermohydrosulfuricum,
-pH:
-acydofilne, np. C. acetobulylicum,
-neutrofilne, np. C. tetani,
-enzymy - posiadają sacharolityczne, peptolityczne, nie posiadają katalazy, cytochromów.Cechy morfologiczne:
-gram+ laseczki,
-bardzo ruchliwe i orzęsione (perytrychalnie),
-duże kolonie (3-8 mm),
-płaskie, okrągłe lub o nieregularnym kształcie, brzeg postrzępiony, powierzchnia matowa, szorstka, barwa szarawa-szarożółtawa,
-posiadają formy przetrwalne (owalne lub kuliste, większe od komórek wegetatywnych),
-wytwarzają otoczki,Występowanie:
-gleba (1 g / 105 bakterii),
-przewód pokarmowy (C. perfringens),
-kurz (zanieczyszczenia produktów żywnościowych).Hodowla:
-pożywka agarowa z dodatkiem krwi (właściwości hemolitycznych),
-pożywka zapewniająca niski potencjał oksydoredukcyjny (podłoże VL),
-pożywka wybiórcza z antybiotykami,
-podłoże Wilson-Blaira (redukcja siarczanów);
-agar z żółtkiem jaja kurzego (przejaśnienie pożywki świadczy o właściwościach lipolitycznych),
-pożywka z żelatyną i kazeiną (upłynnienie pożywki świadczy o właściwościach proteolitycznych).Chorobotwórczość (rodzaj liczy 150 gatunków, 20 ma znaczenie dla człowieka):
-C. botulinum - laseczka jadu kiełbasianego:
-botulizm klasyczny (zatrucie pokarmowe toksyną znajdującą się w artykułach żywnościowych),
-botulizm niemowląt (źródło - miód),
-botulizm przyranny;
-C. tetani - laseczka tężca,
-C. difficiale - poantybiotykowe rzekomobłoniaste zapalenie jelita grubego (ostre biegunki),
-C. perfringens, C. histolyticum, C. bifermentans - laseczki zgorzeli gazowej (gangrena).Przebieg fermentacji masłowej (i jej odmian w zależności od środowiska oraz gatunku):
Fermentacja masłowa: C. butyricum, C. pasteuranium,
-substraty: monosacharydy, polisacharydy, glicerol, kwasy organiczne,
-produkty: kwas masłowy (jego estry są wykorzystywane do produkcji środków zapachowych).Fermentacja acetonobutanolowa: C. acetobutylicum, C. butylicum, C. felsineus:
-substraty: mąka kukurydziana, melasa, ziemniaki, hydrolizat drewna lub słomy,
-produkty: butanol, aceton, etanol (6:3:1),
-dodatek CaCO3 zwiększa produkcję kwasu mlekowego i octowego (zmniejsza butanolu, acetonu, etanolu).Fermentacja izopropanolobutanolowa: C. butylicum:
-produkty: izopronanol, butanol, kwas masłowy i octowy.Fermentacja acetonoetanolowa: C. acetoetylicum:
-produkty: aceton, etanol, kwas mrówkowy, masłowy i octowy.Fermentacja propionowa: C. priopionicum:
-substraty: alanina, treonina,
-produkty: kwas octowy i propionowa, CO2,
*także Propionibacterium (oczkowanie serów).Reakcja Sticklanda: C. botulicum, C. bifermentans, C. sporogenes:
-mechanizm: utlenienie aminokwasu (dawca protonu) oraz redukcja aminokwasu (akceptor protonu),
-produkty cysteiny (kwas octowy, alanina, CO2, H2), metioniny (kwas propionowy), argininy (kwas octowy, etanol),Rozkład kwasu moczowego i ksantyny: C. acidi-urici:
-produkty: kwas mrówkowy, kwas octowy, CO2, NH3.Rozkład celulozy: C. cellobioparum, C. thermocellum
-produkty: kwas octowy, kwas mlekowy, kwas bursztynowy, etanol, CO2, H2.Rozkład etanolu: C. kluyveri:
-produkty: kwas masłowy, kapronowy i H2.Metody hodowli bakterii beztlenowych (warunki obniżonego potencjału oksydoredukcyjnego):
Metody fizyczne - mechaniczne usunięcie powietrza lub absorbcja tlenu:
-ogrzanie pożywki oraz szybkie schładzanie, następnie pokrycie jej powierzchni warstwą płynnej, sterylnej parafiny,
-hodowla w anaerostacie - usunięcie powietrza pompą próżniową (może być wprowadzony gaz obojętny)
-absorbcja tlenu z podłoży płynnych przez dodatek tkanki roślinnej lub zwierzęcej, następnie pokrycie jej powierzchni warstwą płynnej, sterylnej parafiny lub mieszaniną wazeliny z parafiną ciekłą,
-hodowlę w wysokim słupie pożywki agarowej w probówkach; w tym celu upłynnioną pożywkę ochładza się do temp. 48°C i badany materiał wprowadza się za pomocą pipety na dno probówki; zawartość probówki należy dokładnie wymieszać; powierzchnię pożywki pokrywa się następnie warstwą parafiny i pozostawia do zestalenia podłoża.Metody chemiczne - zastosowanie substancji redukujących tlen:
-dodatek do pożywki: 0,5-1,0% roztwór glukozy, 0.1% roztwór Na2SO3, cysteina, glutation, kwas askorbinowy, siarczyn sodowy,
-dodatek poza pożywką: płyn Büchnera (mieszanina pirogallolu i ługu lub nasyconego roztworu węglanu sodu w stosunku 1:1).Metody biologiczne:
-metoda Fortnera - hodowla tlenowców (B. subtilis) lub względnych beztlenowców z beztlenowcami (C. sporogenes), mechanizm polega na tym, że pierwsze wzrosną tlenowce, które pochłoną cały tlen, stwarzając warunki odpowiednie do wzrostu beztlenowców.Znaczenie fermentacji masłowej:
Szerokie możliwości fermentacyjne (gatunki sacharolityczne, protelityczne i pośrednie, np. C. bifermentans).
Rozkład białek, wytwarzanie alkoholu.
Produkcja enzymów (celulaza, proteaza, lipaza) i witamin.
Wiązanie azotu atmosferycznego, np. C. butyricum, C. acetobutylicum.
Biodegradacja mułu na dnie jezior (rozkład celulozy, produkt uboczny to wodór - do metanogenezy lub fotosyntezy).
Rozkład celulozy podczas moczenia lnu (oddzielenie włókien przędnych od tkanki korowej i zdrewniałej).
Botoks - liofizat endospor C. botulinum (kuracja odmładzająca).
Szkodliwa rola bakterii masłowych w przemyśle spożywczym:
Pęcznienie konserw pod wpływem wytwarzanych gazów (CO2 i H2).
W piwowarstwie hamują działalność drożdży.
W mleczarstwie powodują psucie się pasteryzowanego mleka.
Wytwarzanie toksyn (C. tetani, C. botulicum).
Bakterie octowe:
Cechy fizjologiczne:
-oddychanie tlenowe,
-chemoorganotrofy (energia z utleniania octanu, mleczanu, pirogronianu, kwasu dikarboksylowego, heksoz, alkoholi),
-optymalna temperatura: 25-30˚C (-4/43˚C) - giną w temp. 55˚C w ciągu 15 minut,
*Gluconobacter są wrażliwe na wysoką temperaturę, nie rozwijają się powyżej 37˚C,
-optymalne pH 3,6-4,5 (5,4-6,3),Cechy morfologiczne:
-gram- pałeczki (tworzą formy sferyczne, wydłużone, maczugowate),
*zakwaszenie środowiska lub podwyższenia temperatury, powoduje powstanie bardzo wydłużonych włóknistych tworów,
-wytwarzają otoczki śluzowe,
-orzęsione (poruszają się sporadycznie),
-kolonie bezbarwne (większość nie wytwarza barwników, ale mogą być brązowe).Występowanie:
-powietrze, owoce, warzywa, kwiaty (przenoszone przez D. melanogaster).Zdolność do utleniania kwasu octowego:
-peroksydanty - szybko (A. pasteurianus),
-mezoksydanty - wolno (A. aceti, A. xylinum),
-suboksydanty - brak (Gluconobacter).Fermentacja octowa (pseudofermentacja, ponieważ zachodzi w warunkach tlenowych):
CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O + 490 kJTechnologia produkcji octu:
Metoda powierzchniowa (orleańska) - samorzutne zafermentowanie wina umieszczonego na płaskich naczyniach, powstaje 8% ocet winny, kolorowy o przyjemnym aromatycznym zapachu i smaku:
-uczestniczą A. xylinum, A. aceti,
-surowiec: wadliwe wino gronowe, owocowe.Metoda ociekowa (wiązana) - generatory wypełnione wiórami bukowymi, na których unieruchomione są bakterie, zacier fermentacyjny przepływa wielokrotnie przez to wypełnienie, surowy ocet (12%) odbierany jest w dolnej części zbiornika, filtrowany, a następnie rozcieńczany do stężenia 6% lub 10%:
-uczestniczą: Acetobacter,
-surowiec: 10-14% alkoholu etylowego, 1-3% kwasu octowego, ekstrakt słodowy, glukoza, fosforan amonowy, siarczan potasu.Metoda wgłębna - fermentory z mieszaniem (acetatory: średnica 2 m, wysokość 4 m, pojemność 17 000 dm3), zawierają dużą biomasę bakterii, intensywna filtracja i natlenienie, powstaje 10-15% kwas octowy (zatężenie do 20% - na czas transportu):
-surowiec: etanol, wino, sfermentowany sok jabłkowy,
-warunki: 30˚C/40-48h
-zalety: znaczne oszczędności i daje się łatwo zautomatyzować.Szkodniki produkcji octu:
-A. xylium - utlenia kwas octowy do CO2 i H2O, tworzy dużo śluzu (zatykanie wiór w metodzie ociekowej),
-Gluconacetobacter xylinus - gnicie owoców, brązowe plamy,
-węgorek octowy (Anguillula aceti) - żywi się bakteriami octowymi, powoduje zmętnienie i zaciemnienie produktu:
*zapobieganie: pasteryzacja 60-70˚C, konserwacja SO2, przechowywanie w warunkach beztlenowych,
-muszka octowa (Drosophila aceti) - roznosi zakażenia innych bakterii octowych, drożdży.Znacznie bakterii octowych:
Synteza glukonianu z glukozy (przy udziale tlenowej dysmutazy glukozowej - utlenianie bez fosforylacji).
Synteza witaminy C wg reakcji Reichsteina-Grussnera (70 000 t / rok / świat):
-chemiczna hydrogenacja D-glukozy w D-sorbitol,
-biologiczne utlenienie D-sorbitolu w L-sorbozę (biotransformacja G. oxydans, ale także E. coli),
-chemiczna kwaśna cyklizacja kwasu diaceto-2-keto-L-gulonowego w kwasu askorbinowego.Synteza wysokokrystalicznej celulozy jako produkt wysokoabsorpcyjny z glukozy, fruktozy, skrobi (A. xylinium).
Charakterystyka promieniowców:
Cechy morfologiczne i fizjologiczne:
-budowę pośrednia między bakterią (brak otoczki jądrowej, mureina) a grzybami strzępkowymi (pseudogrzybnia, zarodniki),
-gram+ pałeczki (proste lub zakrzywione) o grubości 1-1,5 µm i długości 10-50 µm,
-optymalna temperatura: 25-30˚C (15-37˚C),
-optymalne pH 7(5-9) - niektóre są kwasoodporne,
-chemoorganotrofy (cukry, alkohole, kwasy organiczne, aminokwasy),Budowa kolonii:
-grzybnia substratowa - silnie wrośnięta w pożywkę (dostarczenie wody i substancji odżywczych komórkom),
-grzybnia powietrzna - składająca się z nitek sporonośnych, na ich końcach powstają zarodniki, konidia (konidia w kształcie linii prostych, falistych, skręconych bądź w sporangia),
-dojrzałe spory - kształt elipsoidalny lub kulisty, wytwarzają ciemny pigment.Występowanie:
-gleba (10-70%), torf (95%), rozkładająca się masa roślina, kompost, obornik, muł rzek,
-najczęściej: Actinomyces, Actinoplanes, Micromonospora, Nocardia, Streptomyces,
-gleby żyzne: bakterie:promieniowce (60:40),
-gleby przesuszone: więcej promieniowców,
-saprofity oraz patogeny roślin i zwierząt.Znaczenie przemysłowe promieniowców:
Tlenowa mineralizacja (skrobi, hemicelulozy, celulozy, pektyn, białek, kauczuku, kwasów tłuszczowych).
Mikrokorozja materiałów (rzeźb, malowideł olejnych, fresków).
Rozkład związków aromatycznych (tanina, ligina do geosminy, „zapach wiosny”).
Wiązanie azotu atmosferycznego (symbiotycznie z korzeniami olchy).
Właściwości redukcyjne (denitryfikacja i desulfurykacja).
Uruchomienie w glebie fosforu (staje się przyswajalny dla roślin).
Tworzenie humusu (zmieniają strukturę gleby czyniąc ją bardziej przewiewną).
Produkcja antybiotyków (około 80% - promieniowce, około 20% - pleśnie, kilka% - bakterie):
-streptomycyna - aminoglikozyd produkowany przez S. griseus (na gram-, synergizm z penicyliną na gram+),
-erytromycyna - aminoglikozyd produkowany przez S. erythreus (na gram+),
-polifungina - działa na grzybice, wywołane przez Aspergillus, Penicillium (pszczelarstwo),
-wankomycyna - glikopeptyd (na gram+),
-neomycyna - aminoglikozyd produkowany przez S. fradiae (na gram- oraz niektóre gram+)
-gentamycyna - aminoglikozyd (na tlenowe gram-),Produkcja enzymów:
-proteaza (Streptomyces griseus,),
-izomeraza glukozowa (Streptomyces, Actinoplanes missouriensis).Produkcja inhibitorów enzymów:
-bestatyna blokuje aminopeptydazę B (Streptomyces olivorcticuli),
-forfenicyna blokuje fosfatazę alkaliczną (Streptomyces flurovirialis),
-pepstatyna blokuje pepsynę (Streptomyces testaceus),
-reticulol blokuje fosfodiesterazę cAMP (Streptomyces moberensis).Produkcja substancji powierzchniowo czynnych:
-kwasy karboksylowe, pochodne trechalozy (dimykolowe, diacylowe) - Nocardia.Produkcja witaminy: B2 - Streptomyces olivaceus, B3 - Nocardia rhodochrous.
Systematyka drożdży:
Cechy fizjologiczne:
Optymalne pH 5-6 (3-7,5);
Temperatura 25-28°C (2˚C-46˚C) / 48 h;
Środowisko wilgotne (co najmniej 30% wody) - w suchym powstają formy przetrwalnikowe):
-Niedobór wody powoduje precypitację cytoplazmy i uszkodzenie struktur komórkowych.Odżywianie heterotroficzne (chemoorganotroficzne):
-Źródła węgla:
-sacharydy: glukoza, fruktoza, mannoza galaktoza, sacharoza, laktoza, rafinoza
-alkohole: etanol, metanol, etanodiol, glicerol,
-Źródła azotu i potasu (peptony, ekstrakt drożdżowy, brzeczka):
-azotany (NO3- i NO2-) - asymilowane przez Saccharomyces, Debaryomyces, Pichia,
-fosforany (KH2PO4, K2HPO4 obniżające pH).
-Źródła magnezu i wapnia (woda wodociągowa).
-Źródła witamin (kwas pantotenowy, biotyna, tiamina, ryboflawina).Oddychanie względnie beztlenowe:
-tlenowe - drożdże niefermentujące, oddychanie stanowi 90-100% przemian metabolicznych;
-tlenowe/beztlenowe - drożdże górnej fermentacji, piekarskie, patogenne; oddychanie stanowi 40-50% przemian metabolicznych,
-beztlenowe - drożdże dolnej fermentacji, drożdże gorzelnicze, winiarskie; oddychanie stanowi 10-15% przemian metabolicznych,Podział drożdży przemysłowych:
Drożdże kłaczkujące - zdolne do łączenia się w aglomeraty, spowodowane obecnością na powierzchni komórek śluzowatej masy białkowej składającej się z białka, fosforanu wapniowego, oraz przyswojonego z brzeczki kwasu krzemowego.
Drożdże pyliste - niezdolne do tworzenia kłaczków, w znacznej części pozostają zawieszone w piwie, powodując jego zmętnienie, komórki otoczone warstewką śluzu rozpuszczane przez proteazy, dlatego nie zlepiają się i nie opadają na dno.
Drożdże szlachetne - posiadają wysokie zdolności fermentacyjne (produkcja etanolu), np. S. cerevisiae.
Drożdże dzikie - posiadają niskie zdolności fermentacyjne dzikie (produkcja CO2, H2O, kwasu mlekowego).
Drożdże paszowe - powinny zawierać, co najmniej 50% białka (nie przeprowadzają fermentacji alkoholowej):
Surowce: hydrolizaty surowców celulozowych, ługi posiarczynowe, wywar pospirytusowy.
Gatunki: Candida utilis, C. tropicalis, C. crusei, Torula utilis, Monilia murmanica,
*mają zdolność przyswajania gliceryny, kwasów organicznych, niedofermentowanych cukrów.Drożdże winiarskie:
Cechy dobrych drożdży winiarskich:
-krótki czas adaptacji do środowiska moszczu i szybkie zafermentowanie,
-intensywna fermentacja i produkcja etanolu do wymaganego poziomu,
-wytwarzanie produktów ubocznych fermentacji, decydujących o właściwym smaku i aromacie wina,
-mała wrażliwość na niskie pH środowiska fermentacyjnego i wysokie stężenie kwasów organicznych,
-oporność na podwyższone stężenie etanolu, CO2, związków siarki, garbników,
-zdolność do flokulacji i szybkiego osadzania się po zakończeniu fermentacji - szybkie klarowanie wina.Surowce: winogrona lub inne owoce (białe - tylko miąższ, czerwona - całe owoce).
Gatunki:
-początek - dzikie (Pichia fermentans, Candida crusei, Torulopsis stellata, Hansenula anomala),
-główny proces - szlachetne (S. cerevisiae, S. boyanus, S. ellipsoideus, S. rosei, S. chevalieri):
*odporne na wysokie stężenie kwasu siarkowego (70-200 ml/l) oraz wysokie stężenie cukrów, ponadto osmofilne,
-koniec - szlachetne (S. cerevisiae, S. boyanus),
*Włochy, Czechy, Węgry - S. boyanus, *Niemcy, Francja - S. cerevisiae,
*Wina mocne 14-18%, Wina średniej mocy 10-14%.Zanieczyszczenia mikrobiologiczne:
Produkcja szampana - polega na prowadzeniu podwójnej fermentacji moszczu:
Pierwsza fermentacja (alkoholowa, czasem dodatkowo jabłkowo-mlekowa) - w kadziach.
Druga fermentacja - w butelkach, w temp. 3-5°C (dodatek drożdży kriofilnych i cukru powoduje wytwarzanie CO2):
-butelki muszą być codziennie poruszane, aby oddzielić osad od ścian butelki i aby opadł w kierunku szyjki,
-po pewnym czasie osad jest usuwany poprzez zamrażanie szyjki w kąpieli chłodzącej (solanka -18°C),
-osad jest wyrzucany przez gaz pod ciśnieniem.Drożdże browarnicze:
Cechy dobrych drożdży browarniczych:
-szybki wzrost i duża wydajność produkcji biomasy, zapewniający trzykrotny przyrost biomasy w czasie propagacji,
-zdolność do prowadzenia szybkiej fermentacji cukrów brzeczki,
-wysoka czystość mikrobiologiczna,
-dobra stabilność cech morfologicznych i fizjologicznych w ciągu 12-16 generacji,
-zdolność do flokulacji, wolne osadzanie w czasie trwania fermentacji oraz szybsze podczas leżakowania,
-wytwarzaniem związków smakowych i zapachowych, warunkujących odpowiedni bukiet piwa.Surowce: słód jęczmienny (wysuszone ziarna jęczmienia) lub pszenica.
Gatunki:
Zanieczyszczenia mikrobiologiczne:
-H. anomala, C. versatilis, B. anomalus - redukcja azotanów do azotynów, powstwanie nitrozoamin (norma: w piwie 0,5 μg/dm3, w słodzie 5 μg/kg), które są prekursorami dimetylonitrozoamin (DMNA) - właściwości rakotwórcze,
-Brettanomyces, Candida, Saccharomyces - pogorszenie właściwości organoleptycznych (fenol, estry, kwasy organiczne).
-S. diastaticus - odfermentowanie piwa (wytwarzają glukoamylazę),Drożdże piekarnicze:
Rola drożdży piekarniczych:
-wytwarzanie CO2 - spulchnienie ciasta oraz wpływ na objętość i porowatość miękiszu chleba,
-tworzenie smakowo-zapachowych cech chleba.Rola bakterii fermentacji mlekowej:
-wytwarzanie mleczanu, octanu - zakwaszenie ciasta oraz zahamowanie rozwoju szkodliwych drobnoustrojów z mąki,
-tworzeniu smaku i aromatu chleba,
-rozkład pentozanów (śluzy i gumy).Cechy dobrych drożdzy piekarniczych:
-zdolność do szybkiego wzrostu, syntezy enzymów, koenzymów - w warunkach tlenowych i beztlenowych,
-wysoka aktywność glikolizy,
-zdolność adaptacji do szybko zmieniających się substratów w pożywce hodowlanej,
-wysoka aktywność inwertazy, α-glukozydazy i β-fruktofuranozydazy.Proces produkcji drożdży piekarniczych:
-stadium czystych kultur -> generacja I -> generacja handlowa.Surowce: melasa buraczana, woda amoniakalna, fosforany, biotyna.
Gatunki: S. cerevisiae:
*trwałość drożdży prasowanych: 10 (14) dni / 20ºC, czas podnoszenia ciasta: 150 minut,
*produkcja światowa 2 mln t / rok.Zanieczyszczenia mikrobiologiczne:
Drożdże gorzelnicze:
Cechy dobrych drożdży gorzelniczych:
-wysoka aktywność fermentacyjna - duża wydajność produkcji etanolu,
-wysoka produkcja biomasy - szybkie namnażanie drożdży,
-wysoka stabilność cech morfologicznych i fizjologicznych, niezależnie od zmiennych warunków środowiska,
-oporność na temperaturę powyżej 30°C (najlepsze rasy drożdży: fermentacja w 33-37°C / opornością na stężenie etanolu 10-11%),
-oporne na stężenie cukrów do 50%.Surowce: melasa, ziemniaki, zboża, ługi posulfitowe, ługi posiarczynowe, serwatka.
Gatunki: S. cerevisiae (2-3 dni / 30°C / 11% etanolu), S. pombe, T. cremoris, S. lactis.
Inne właściwości drożdży:
Wytwarzanie tłuszczów (Endomyces vernalis, Rhodotorula gracilis, Torulopsis litosfera).
Wytwarzanie witamin (B1 - S. cerevisiae, B2 - Ashbya gossypii, B5 - Rhodotorula minuta).
Wytwarzanie barwników (Rhodotorula).
Organizmy proteolityczne:
Tlenowe: B. cereus, B. subtilis (przetrwalnikujące), Pseudomonas fluorescens, Proteus vulgaris, Serratia marcescens, Streptococcus faecalis, Micrococcus caseolyticus, Bacterium linens, Aspergillus oryzae, Penicillium roqueforti, Botritis, Mucor.
Beztlenowe: C. sporogenes, C. botulinum, C. putrefaciens (przetrwalnikujące).
Teoria Finka - 2/3 glukozy w biomasę, 1/3 glukozy do syntezy produktów ubocznych oraz na potrzeby życiowe.
Hamowanie Pasteura - hamowanie glikolizy przy wysokich stężeniach tlenu.
Mechanizm - inhibicja fosfofruktokinazy (katalizujący etap 3: fruktozo-6-fosforan → fruktozo-1,6-bisfosforan) poprzez wysokie stężenia ATP i cytrynianu, które gromadzą się w cytoplazmie podczas utleniania składników pokarmowych przy obfitości tlenu.
Sens efektu Pasteura - oddychanie tlenowe do produkcji biomasy, oddychanie beztlenowe do produkcji etanolu.
Systematyka grzybów strzępkowych:
Cechy fizjologiczne:
Optymalne pH 5,5-6,5 (3-11);
Temperatura 25˚C / 5-7 dni;
Środowisko wilgotne (w suchym powstają formy przetrwalnikowe);
Odżywianie heterotroficzne (glukoza, sole amonowe).
Oddychanie tlenowe (wzrost powierzchniowy).
Intensywna przemiana materii (w ciągu doby ich masa może się zwiększyć 9-krotnie).
Bogate kompleksy enzymów rozkładających ligninę, celulozę.
Wytwarzają mykotoksyny lub antybiotyki.
Wykorzystanie przemysłowe grzybów strzępkowych:
Biodegradacja:
-Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Chaetomium globusom, Penicillum funiculosum.Produkcja antybiotyków:
*Penicylina - pierwszy antybiotyk odkryty przez Fleminga w 1929 roku (P. notatum):
-produkcja na masową skalę w U.S.A. (połowa II WŚ), wykorzystanie P. chrysogenum (z melona),
-działa antagonistycznie na g+ (Clostridium, Staphylococcus, Streptococcus) - odporność bakterii narasta stopniowo, prowadzi do protoplastyzacji ściany komórkowej, mało toksyczny, wykazuje synergizm z streptomycyną (na g-).
*Fuzaryna (mykoksyna) - Fusarium moniliforme, F. equiseti,
*Cyklosporyna C - antybiotyk sterydowy o działaniu immunosupresyjnym (hamuje odpowiedź komórkową oraz humoralną), przeciwdziała odrzucaniu przeszczepów, produkowana z Tolypocladium niveum.Produkcja enzymów - metodę wgłębną z wykorzystaniem melasy, skrobi, mąki kukurydzianej:
Produkcja kwasów organicznych.
Produkcja stymulatorów wzrostu roślin:
-gibereliny (Giberella fujikuroi)Produkcja lipidów:
-kwas γ-linoleinowy (Mucor favanieus, Mucor rouxii)Produkcja chityny i chitozanu:
-Aspergillus giganteus, Phycomyces blakesleanusProdukcja serów pleśniowych:
-sery miękkie (P. camemberti, P. candidum, sery półtwarde (P. roqueforti, P. glaucum).Broń biologiczna (mykotoksyny).
Skład chemiczny melasy:
Sucha masa (76-80%):
-sacharoza (46-50%), inwert (1%), rafinoza (0,3-1,5%),
-inne związki (30%):
-organiczne (67%) - azotowe (42%) i nieazotowe (25%)
-nieorganiczne (33%).Woda (20-24%).
Kwas cytrynowy (2-hydroksy-1,2,3-propanotrikarboksylowy)
Właściwości:
-temperatura topnienia 153ºC, w temp. poniżej 36,6ºC jest bezwodny,
-występuje w przyrodzie w owocach cytrusowych i ananasach,
-nietoksyczny, dobre walory smakowe i zapachowe,
-światowa produkcja przekracza 300 00 ton rocznie (przemysł spożywczy, farmaceutyczny, chemiczny, metalurgiczny),Wykorzystanie przemysłowe:
-inhibitor oksydaz powodujących ciemnieniem owoców i warzyw,
-konserwant i stabilizator przy produkcji napojów, słodyczy, owoców kandyzowanych, win,
-zapobiega jełczeniu tłuszczów poprzez przerywanie reakcji tworzenia nadtlenków i innych produktów autooksydacji olejów,
-oczyszczanie powierzchni metali przed spawanie lub pokrywaniem powłok ochronnych,
-usuwanie kamienia mlecznego z aparatury w mleczarstwie,
-środek wywołujący efekt musujący w przemyśle farmaceutycznym,
-środek antyskrzepowy.Produkcja kwasu cytrynowego:
-1893 r (Wehmer) - odkrycie kwasu cytrynowego w kulturach pędzlaków,
-1917 r (Curie) - stworzył przemysłowe podstawy produkcji kwasu cytrynowego, dzięki A. niger (na podłożu 2,5-3,5),
*Główni producenci: A. niger, A. wentii, A. clavatus, C. lipolytica, C. tropicalis, Penicillium citrinum, Mucor piriformis,Produkcja kwasu cytrynowego w Polsce:
-fabryki w Raciborzu, Zgierzu, Pelpinie, Luboniu, Jankowie,
-modyfikowane szczepy A. niger (mutagenizacja, skrining) czynnikami fizycznymi (promieniowanie UV) lub chemicznymi.Proces produkcyjny kwasu cytrynowego - regulatorem glikolizy jest fosfofruktokinaza, wrażliwa na cytrynian (represja jest znoszona nadmiarem NH4+, powstałego w wyniku zakłócenia przemian białkowych, spowodowanych niedoborem Mn2+), cytrynian powstaje, w wyniku kondensacji szczawiooctanu i acetylo-CoA, następnie cykl Krebsa jest zatrzymany poprzez inhibicję akonitazy, odpowiedzialnej za dalszą przemianę cytrynianu, który jest gromadzony w podłożu.
Skład pożywki:
-wysokie stężenie cukru (metoda powierzchniowa 16%, wgłębna 10%),
-niedobór jonów metali (inhibicja akonitazy): Mn2+, Zn2+, Fe2+ (< 0,1 mg/ 100 cm3)
-ograniczona ilość związków azotu i fosforu,
-niska wartość pH (2,4-2,6),
-dobre natlenienie środowiska (metoda wgłębna).Metoda powierzchniowa (LSF - liquid surface fermentation):
-proces: przebiega w komorach fermentacyjnych (80 tac), zaszczepionymi A. niger po 2 dniach powstaje 2-3 cm biała plecha,
-surowiec: rozcieńczona melasa (15-17% cukru),
-czas trwania i warunki: 30-34ºC / 9-11 dni
-wydajność: 70-80% (cytrynian, szczawian, glukonian),
-izolacja (cytrynianowa): wytrącenie szczawianu wapnia, oddzielnie przez sączenie, wytrącanie cytrynianu wapnia (używając CaCO3), krystalizacja, wytrącenie cytrynianu (używając H2SO4), oddzielenie od gipsu poprzez filtracje - jednowodny cytrynian,
-wykorzystanie filtratu: dodatek do pasz, surowiec do produkcji drożdży paszowych, gips jako materiał budowlany,
-wykorzystanie grzybni (10 kg/1m2): źródła mikroelementów, białka (20%), enzymów (proteinazy, amylazy, pektynazy).Metoda wgłębna (SmF - submerged fermentation) - obecnie stosowana:
-proces: przebiega w kadziach (50-100 m3) zaopatrzonych w mieszadła i systemy napowietrzające, zaszczepionymi zawiesiną
A. niger, które po 2 dniach rozwijają się w całej objętości pożywki,
-warunki: temp. 30 - 32ºC / 7 dni,
-surowce: cukier handlowy, soki cukrownicze, mączki cukrowe, hydrolizy skrobiowe,
-wydajność: 90%,
-izolacja (bezcytrynianowa): oddzielenie grzybni od płynu hodowlanego w 70ºC, oczyszczanie filtratu garbnikami i ziemią okrzemkową ,odbarwienie na kolumnie węglowej, zatężenie na wyparce obrotowej do 72% cytrynianu, krystalizacja w 7ºC.Metoda na pożywkach stałych (SSF - solid state fermentation):
*Japonia (20% cytrynianu z hodowli na podłożach stałych),
-surowiec: otręby, wytłoki z trzciny cukrowej, wadliwa melasa buraczana lub trzcinowa i inne odpadowe surowce roślinne.Produkcja innych kwasów organicznych:
Jabłczan - wykorzystywany w przemyśle spożywczym (ocet):
-sacharoza → fumaran (Schizophyllum commune),
-fumaran —[hydrataza fumaranowa]→ jabłczan (A. wentii),Glukonian - wykorzystywany w przemyśle spożywczym (wędliny, piekarnictwo), i farmaceutycznym (dodatek do antybiotyków):
-glukoza —[oksydaza glukozowa]→ glukonian (A. niger, Gluconobacter oxydans)Itakonian - wykorzystywany do produkcji tworzyw sztucznych (substancje klejące, żywice, powłoki ochronne):
-surowce: glukoza, sacharoza, mączka cukrowa, syropy glukozowe,
-cytryniana —[hydrataza akonitowa]→ kwas cis-akonilowy —[dekarboksylaza akonitowa]→ itakonitan (A. itaconicus, A. terreus)Winian - wykorzystywany jako środek zakwaszający (A. griseus, A. niger).
Fumaran (Rhizopus nigricans, Mucor oryzae).
Mleczan (Rhizopus oryzae).
Produkcja żywności orientalnej:
Sos sojowy - dwuletnia fermentacja ziaren soi, prażonego ryżu oraz koji (A. oryzae, A. sojae),
Pasty sojowe (miso, jung) - produkowane z sfermentowanej soi (A. oryzae),
Sake - fermentacja ryżu (A. oryzae) *awamori (60%), shōchū (25%).
Produkcja aminokwasów - po raz pierwszy w Japonii przez Kinoshitę (1957):
Znaczenie przemysłowe:
-L-glutaminian (370 000 t / rok) - składnik koncentratów spożywczych, zup, sosów w proszku, przypraw,
-L-lizyna, DL-metionina (70 000 t / rok) - dodatek do pasz zbożowych (pszenicy, kukurydzy),
-L-asparaginian, L-fenyloalanina (7 000 t / rok) - sztuczny słodzik,
-L-cysteina (7 000 t / rok) - dodatek do chleba, przeciwutleniacz.Produkcja glutaminianu - kiedyś stosowano hydrolizę kwaśną białek pszenicy, obecnie na drodze biosyntezy mikrobiologicznej:
-surowiec: melasa buraczana, siarczan amonu,
-warunki: 30-35˚C / 7-8 pH/ 40-72 h,
-bakterie: Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, Microbacterium, Arthrobacter,
-pirogronian + acetylo-CoA -[↑ syntaza cytrynianowa]→ cytrynian
-izocytrynian -[↓ dehydrogenaza 2-oksoglutaranu]→ (zatrzymanie cyklu Krebsa)
-izocytrynian -[↑ dehydrogenaza glutaminianowa]→ glutaminian
-glutaminian opuszcza komórkę przez błonę o zwiększonej przepuszczalności (2-5 μg/dm3 biotyna, penicylina, cefalosporyna),
-wydajność: 50% (50 g aminokwasów z 100 g cukru).Produkcja lizyny:
-surowiec: melasa buraczana, hydrolizat soi,
-bakterie: C. glutamicum, B. flavum, B. lactofermentum,
-L-asparaginian -[kinaza asparaginowa]→ L-lizyna.Produkcja antybiotyków - małocząsteczkowe substancje naturalne, pochodzenia drobnoustrojowego lub ich półsyntetyczne modyfikacje albo syntetyczne analogi, które w mały stężeniu działają wybiórczo na struktury i procesy biologiczne, hamując wzrost lub rozmnażanie komórek. W przyrodzie stanowią 10% puli metabolitów wtórnych (idiolitów).
Właściwości:
-działanie bakteriobójcze (β-laktamowe, aminoglikozydowe) lub bakteriostatyczne (cykloseryna, wiomycyna),
-działanie synergiczne (np. penicylina z neomycyną) lub antagonistyczne,
-źródło biogenne,
-selektywnie toksyczne dla drobnoustrojów:
-g+/- (cefalosporyna, tetracyklina, ryfamycyna),
-g+ (penicylina, wankomycyna, cykloseryna)
-g- (kolistyna, polimyksyna B)Zaburzenie syntezy lub procesów komórkowych:
-synteza DNA (mitomycyna) lub RNA (aktynomycyna),
-synteza białek (tetracyklina),
-transport przez błony (polimyksyna),
-synteza ściany komórkowej (penicylina),
-procesy energetyczne (antymycyna).Producenci antybiotyków:
-promieniowce (6000):
-S. antibioticus (aktynomycyna), S. aureofaciens (tetracyklina), S.fradiae (neomycyna), S.erythreus (erytromycyna),
-S.noursei (nystatyna, polifungina), Micromonospora purpurea (gentamycyna), Cephalosporium acremonium (cefalosporyna C),
-grzyby (2000):
-Tolyplocadium inflatum (cyklosporyna), A. fumigatus (fumagilina), P. griseofulvus (gryzeofulwina),
-Fusidium coccineum (kwas fuksydowy), P. chrysogenum (penicylina G), Paecilomyces varioti (wariotyna),
-inne bakterie (1000):
-B. subtilis, B. licheniformis (bacytracyna), B. circulans (butyrozyna), B. brevis (gramicydyna), B. polymyxa (polimyksyna).Biocydy - związki chemiczne uniemożliwiające lub ograniczające rozwoju mikroorgnizmów odpowiedzialnych za biologiczny rozkład roślin, środków spożywczych, przemysłowych, polimerów, polimerów naturalnych i syntetycznych.
Klasyfikacja:
-nieorganiczne - związki rtęci, cynku, miedzi (zasadowy chlorek miedzi, fluorek sodu, chloran sodu)
-metaloorganiczne - alkilowe pochodne cyny, miedzi, cynku, manganu i rtęci (estry lub etery tributylocyny),
-organiczne - aminy, amidy, fenole, karbaminiany (ditiokarbaminian);
*każdy biocyd ma określone, ograniczone działanie, dlatego stosuje się mieszaniny tych związków.Biocydy polimerowe - cząsteczki biocydu związane są z cząsteczką polimeru wiązaniem chemicznym (estrowe, amidowe, glikozydowe) zdolnym do hydrolizy; pod wpływem działania mikroorganizmów uwalniają biocydy, poprzez rozerwanie wiązania biocyd-polimer. Następuje to powoli, co zapewnia długotrwałą i kontrolowaną ochronę wyrobu.
Występowanie mikroorganizmów:
-w polimerach (Bacillus, Penicillium, Staphylococcus, Pseudomonas, Geotrichum, Candida),
-w zimnej wodzie (P. aeruginosa, Desulfovibrio, Chlorella),
-w papierniach (A. niger),
-w produktach konsumpcyjnych (Gliocladium, Penicillium),
-w farbach (Phormidium luridum, Alternaria, Aureobasidium),
-w cieczach do obróbki metali (Fusarium).Światowy rynek biocydów - 1998 rok / 2 mld dolarów, 2002 rok /3,14 mld dolarów.
Mikrobiologiczny rozkład materiału
Rozkład drewna (pękanie, deformacja) - 100 gatunków grzybów:
*Zgnilizna:
-brunatna (rozkład celulozy, drewno domowe, np. Phaeolus schweinitzii, Sparassis crispa),
-biała (rozkład celulozy, ligniny, np. Phomes, Formentans, Hirschioporus abietinum),
-korozyjna (janki w drzewie, sosna, np. Phenillus pini),
-szara (Chaetomium globusom, Ascomycetes).
*Grzyby domowe (straty 90%):
-białe (>20% wilgoci, np. Poria vaillantii), właściwe (18-20% wilgoci, np. Serpula lacrymans), piwnicze (30-40% wilgoci, np. Coniophora puteana)/Rozkład papieru, tektury, tapety - powstaje dużo śluzu i wody
*1 cm3 materiału zawiera - 107 bakterii (20 rodzajów), 103 grzybów (35 rodzajów),
-Aspergillus flavus, A. fumigatus, Fusarium solani, Stachybotrys.
*Zapobieganie: zmniejszenie wilgotności, środki grzybójcze (mykostatina, gryzofulwina), prąd o wysokiej częstotliwości.Rozkład papy - bakterie celuloityczne (Cellulomonas, Cytophaga), Trichoderma viride, Coniofora.
Rozkład bawełny - 1 g - 109 bakterii, 3*107 promieniowców, 2*107 grzybów, np. Cellvibrio flavescens, Streptomyces, Aspergillus.
Rozkład wełny - Chromobacterium (zabarwia na fioletowo), Pseudomonas (na niebiesko), B. subtilis (na różowo).
Rozkład skór:
-B. megaterium (zabarwia na fioletowo), Aureobacterium (na czerwono),
*70 gatunków w butach (w 1cm2 po 8 miesiącach -> 2000 bakterii, 6700 grzybów pleśniowych, 4000 drożdży):
-wywołujące grzybice stóp: Trichoderma, Trichophyton rubrum, Microsporum canis.Rozkład powłok malarskich (przebarwienia, specyficzny zapach, kleistość):
-farba emulsyjna - w 1 cm3 / 105 bakterii (Proteus, Pseudomonas, E. coli), Aspergillus, Penicillium, Alternaria, Saccharomyces,
*P. fluorescens rozkład polioctan winylu -> octan winylu -> kwas octowy, aldehyd octowy (zahamowanie wzrostu)
*aldehyd octowy można utlenić do kwasu octowego lub zredukować do etanolu;
-farba olejna - A. flavus, Cladosporium, Bacillus, Sarcina, Fusarium, Trichoderma.Rozkład tworzyw sztucznych:
-polichlorek winylu - A. niger, A. flavus, Penicillium luteum, Trichoderma, B. subtilis, Pseudomonas:
*30 mln płaszczy (polichlorek winylu) - rozkład kilku tysięcy,
-kauczuk - 100 gatunków bakterii, Streptomyces, drożdże:
*produkcja kauczuku - koagulacja lateksu (soku mlecznego roślin kauczukodajnych),
-gumy - Epidermophyton, Trichophyton:
*produkcja gum - wulkanizacja kauczuku (sieciowanie polimeru).Rozkład nafty oraz cieczy chłodząco-smarujące (emulsja oleju w wodzie):
-Pseudomonas - utlenianie n-alkanów do kwasów tłuszczowych, rozkład substancji antykorozyjnych,
*odbarwienie, rozwarstwienie i obniżenie pH emulsji (stwarzają środowisko dla organizmów beztlenowych),
-Desulfovibrio, Proteus, Aerobacter, Achromobacter, Escherichia, Paracolobactrum - odbarwienie, korozja metali,
-Aspergillus, Penicillium, Cladosporium resinae, Candida, - zapychanie filtrów, wytwarzanie mykotoksyn.Rozkład kosmetyków i leków:
-balsamy, kremy - B. cereus (lipazy, proteazy, lecytynazy), S. aureus (zapalenie skóry), C. albicans, A. niger, A. funigatus
-szampony - Staphylococcus warneri, Serratia marcescens, Citrobacter, Klebsiella
-talk dla niemowląt - C. tetani (w 1946 roku śmierć czworga dzieci),
-tusze do rzęs, cienie do powiek - P. aeruginosa (owrzodzenie rogówki), Micrococcus, Corynebacterium, Neisseria,Rozkład cegły, zapraw murarskich:
-warunki tlenowe (oddychanie tlenowe),
-warunki beztlenowe (oddychanie redukcyjne, fermentacyjne -> H2S, CO2), chemosynteza (T. thiooxydans: -> H2SO4)
*H2SO4 wsiąka w beton i wchodzi w reakcje z Ca(OH)2 tworząc gips (CaSO4), który zaczyna krystalizować i zwiększa objętość o 130% wywołując wewnętrzne naprężenia, powodujące pękanie struktury betonu,
*spadek masy betonu, 19% po 140 dniach.Rozkład szkła:
*szkło - piasek kwarcowy z dodatkami Na2CO3, CaCO3, tlenki boru, ołowiu,
-szkło optyczne (mikroskopy), witrażowe - Aspergillus, Alternaria, Serpula lacrymans, Fibroporia vaillantii, Coniophora puteana
*Dactylium dendroides (daktylium) - białoszare plamy.Negatywne oddziaływanie mikroorganizmu na środowisko:
Bakterie powodujące korozję żelaza i stali:
-Thiobacillus - utleniają siarkę, tiosiarczany, siarczki;
-w ciągu tygodnia obniżyły pH gleby do 0,6, zakwaszają wody kopalniane i powodują straty w kopalniach USA, Rosji, Szkocji,
-Desulfovibrio, Desulfotomaculum - redukują siarczany (VI); szybkość korozji stali przez Desulfovibrio wynosi 137-855 mg/dm2 w ciągu dnia, w beztlenowych warunkach rury wodne o grubości ścianek 6 mm ulegają korozji na wylot w okresie do czterech lat:
-1957-58 (USA) - straty 600 mln dolarów, spowodowane korozją podziemnych rurociągów
-1969 (Wielka Brytania) - Desulfovibrio desulfuricans spowodowały korozję zbiornika oleju gazowego o pojemności 4 000 t,
-1966-67 (RFN)- korozja 200 zbiorników olejów opałowych (53 zbiorniki trzeba było wyłączyć z eksploatacji),
-1996 - straty 128 mln złotych, spowodowane korozją rurociągów wodnych i gazowych (198 000 km).
-Gallionella i Sphaeratilus - powodują korozję żelaza:
-1961 (Rosja) - Gallionella ferruginea wyrządziły szkody w urządzeniach hydroelektrowni, wżery stali dochodziły do 3 mm.Bakterie powodujące korozję kamieni:
-fotoautotrofy (sinice, glony) - jako źródło energii wykorzystują światło słoneczne, wydzielają tlen oraz pobierają CO2,
-chemolitotrofy - energia uzyskiwana z utleniania związki nieorganicznych, np. NH3, H2S, S, azotany (III), tiosiarczany, Fe2+, Mn2+ (Nitrosomonas - kwas azotowy (III), Nitrobacter - kwas azotowy (V), Thiobacillus - kwas siarkowy (VI))
-chemoorganotrofy - energii uzyskują w procesie przemian substancji organicznych:
-1 g piaskowca - 1 000 komórek bakterii, 10 000 fragmentów grzybów pleśniowych,
-1 g granitu - 1 000 000 komórek bakterii, 120 000 fragmentów grzybów pleśniowych (konidia i skrawki grzybni).
Klasa bakteriocyn |
Bakteriocyna |
Producent |
Bakterie G+ |
||
I - lantybiotyki |
nizyna, subtilina |
Lactococcus lactis, B. subtilis |
II - bakteriocyny nielantybiotykowe |
IIa - bakteriocyny pediocynopodobne |
Pediococcus.acidilactici, |
|
IIb - bakteriocyny dwupeptydowe |
Lactococcus cermoris, |
|
IIc - bakteriocyny sec-zależne |
Lactobacillus acidophilus |
|
IId - inne bakteriocyny |
Enterococcus faecium |
III - bakteriocyny wysokocząsteczkowe |
kaseicyna, helwetycyna |
Lactobacillus casei, L.belveticus |
IV - kompleksy białkowo-lipidowe |
leukocyna, mesenterocyna, plantarocyna |
L. belveticus, L. mesenteroides |
Bakterie G- (wąskie spektrum działania, obejmuje osobników należących do tego samego gatunku, a nawet szczepu) |
||
kolicyny (28-80 kDa) |
kolicyna |
E. coli, Shigella, Serratia |
mikrocyny (5-10 kDa) |
mikrocyna |
Escherichia coli |
Wyszczególnienie |
Bakterie |
Drożdże |
Białko (Nx6,25), % w s.m. |
60-80 10-20 7-10
dobry 0,20-0,22 do 0,5 15-30 2,5-6,0 37-40 |
45-55 5-10 2-5 deficyt metioniny niektóre witaminy do 0,5 0,36 20-25 2-4 30 |
-redukcyjne NO2- → N2 (B. licheniformis),
-fermentacyjne:
B. cereus, B. licheniformis - diacetyl, CO2, glicerol, niewielkie ilości mleczanu, etanolu,
B. polymyxa - diacetyl, CO2, H2, etanol,
B. macerans - etanol, aceton, octan, mrówczan, CO2, H2,
-odżywianie heterotroficzne, chemoorganotroficzne (glikogen jest materiałem zapasowym):
-prototrofy (B. cereus, B. licheniformis, B. pumilus, B. subtilis),
-auksotrofy (B. macerans, B. azotofixans, B. polymyxa, B. psychrosaccharolyticus),
*wiązanie azotu N2 → NH3 (B. macerans, B. azotofixans, B. polymyxa, B. psychrosaccharolyticus),
*nitryfikacja NH3 → NO2- → NO3- (B. pasteurii [ureaza]),
-temperatura:
-psychrofilne: B. macquariensis, B. psychrophilus, B. psychrosaccharolyticus
-mezofilne (37˚C): B. licheniformis, B subtilis, B coagulans, B. badius, B. smithii)
*łatwa adaptacja do zmienionych warunków (60-70ºC) bez wyraźnych zmian metabolicznych,
-termofilne (> 45˚)C: B. stearothermophilus, B. thermoruber,
-pH:
-alkalofilne: B. firmus, B. lentus, B. alkalophilus, B. pasteurii,
-neutrofilne: B. subtilis, B. coagulans, B. licheniformis, B. circulans, B. laterosporus, B. pumilus
-acydofilne: B. coagulans,
-ciśnienie osmotyczne - halofilne: B. globisporus, B. marinus, B. halophilus.
-niepatogenne: A-B (22 gatunki), patogenne: C (26 gatunków).
Gatunek |
Enzym |
Hydrolazy polisacharydów |
|
B. cereus |
β-amylaza |
B. coagulans |
α -amylaza, izomeraza glukozowa |
B. licheniformis |
α -amylaza |
B. macerans |
α -amylaza, glukanotransferaza cyklodekstryn |
B. megaterium |
β -amylaza, glukanotransferaza cyklodekstryn, dekstranaza |
B. pumilus |
celulaza, lichenaza, liaza pektynowa |
B. subtilis |
α -amylaza, arabinaza, celulaza, a-glukozydaza, dekstranaza, galaktanaza, β-1,3-glukanaza, liaza pektynowa, ksylanaza, |
Hydrolazy peptydowe |
|
B. cereus |
metaloproteinaza |
B. licheniformis |
subtilizyna, aminopeptydaza |
B. megaterium |
metaloproteinaza |
B. pumilus |
subtilizyna |
B. subtilis |
subtilizyna, metaloproteinaza, esteraza, aminopeptydaza |
Penicylinazy |
|
B. anthracis |
β-laktamaza |
B. cereus |
j-maktamaza |
B. licheniformis |
β -laktamaza |
B. megaterium |
j-maktamaza, acylaza penicylinowa |
B. subtilis |
β -laktamaza |
Nukleazy i fosfatazy |
|
B. cereus |
alkaliczna fosfataza, deoksyrybonukleotydo-rybonukleaza, 5-nukleotydaza |
B. megaterium |
5-nukleotydaza |
B. subtilis |
alkaliczna fosfataza, deoksyrybonukleotydo-rybonukleaza, 5-nukleotydaza, 3-nukleotydaza |
Enzymy bakteriolityczne |
|
B. subtilis |
endo-N-acetyloglukozoaminidaza, egzo-N-acetyloglukozoamidaza, endo-Nacetylomuramidaza, amidaza N-acetylomuramylo-L-alaninowa |
Inne enzymy |
|
B. anthracis |
fosfolipaza C |
B. cereus |
fosfolipaza C |
B. licheniformis |
lipaza |
B. subtilis |
lipaza |
B. thuringiensis |
fosfolipaza C |
C6H12O6 → C3H7COOH + 2 CO2 + 2 H2 + 15 kcal (63 kJ)
Produkt |
C. butyricum. |
C. acetobutylicum |
Kwas masłowy |
76 |
4 |
Kwas octowy |
42 |
14 |
Butanol |
- |
56 |
Aceton |
- |
22 |
Izopropanol |
- |
- |
Etanol |
- |
7 |
Acetoina |
- |
6 |
CO2 |
188 |
221 |
H2 |
235 |
135 |
Aminokwasy utleniane |
Aminokwasy redukowane |
alanina |
glicyna |
leucyna |
prolina |
izoleucyna |
hydroksyprolina |
walina |
tryptofan |
histydyna |
arginina |
Cecha |
Acetobacter |
Gluconobacter |
Pseudomonas |
Urzęsienie |
perytrichalnie |
polarne |
polarne |
Wzrost przy pH 4.5 |
+ |
+ |
- |
Utlenianie etanolu do kwasu octowego przy pH 4,5 |
+ |
+ |
- |
Obecność wszystkich enzymów cyklu Krebsa |
obecne |
nieobecne |
obecne |
Liczba gatunków |
7 |
4 |
28 |
|
Actinomyces |
Nocardia |
Streptomyces |
Barwienie |
Gram+ |
Gram+ (barwią się słabo) |
Gram+ |
Wymagania tlenowe |
względnie beztlenowe |
tlenowe |
tlenowe |
Epidemiologia
|
część fizjologicznej flory (gardła |
przeważają w glebie, izolowane z plwociny zakażonych osób |
występują w glebie i wodzie |
Objawy kliniczne |
ropnie z żółtymi ziarnami |
Zakażenia podskórne i płucne |
podskórne zakażenia z ziarnami |
Rozmnażanie |
nie tworzą spór |
nie tworzą spór |
tworzą spory |
|
Saccharomyces |
|
Rhodotorula |
|
Pichia |
|
Candida |
|
Hansenula |
|
Torulopsis |
|
Debaromyces |
|
Kloeckera |
|
Schizosaccharomyces |
|
Cryptococcus |
-Candida, Pichia, Rhodosporula - śluzowanie, ostry zapach (wytwarzanie merkaptanów),
-Acetobacter oxydans, A. acidium - zaoctowanie (utlenianie etanolu do octanu),
-Lactobacillus fermentum, L. fructiformis - drażniący smak, ostry zapach (utlenienie etanolu do octanu, mleczanu),
-Aspergillus, Pennicilium - rozkład cukrów, produkcja mykotoksyn (ochratoksyny, aflatotoksyny).
|
Górna |
Dolna |
Warunki fermentacji |
15-25 °C (tlenowe) |
5-10°C (beztlenowe) |
Zróżnicowanie genetyczne |
Duże |
Małe |
Wygląd |
Pyliste (piana na powierzchni) |
Kłaczkujące (osad na dnie) |
Gatunki |
S. cerevisiae |
S. uvarum, (PL), Brettanomyces (UK) |
Rodzaj piwa |
Ciemne (Guiness) |
Jasne (Heineken) |
Fermentacja rafinozy |
33% (α-glukozydaza, rozerwanie |
100% (α-glukozydaza i α-galaktozydaza, rozerwanie wiązania glu-gal) |
Zatrzymanie wzrostu |
10°C |
0°C |
*5-6% etanolu, chmiel, wysokie stężenie CO2, pH = 3,8-4,7
*S. logos, S. brasiliensis rozkładają wyższe dekstrany, odporne na garbniki chmielu.
-Lactobacillus brevis, L. lindneri, Pediococcus damnosus - zmętnienie piwa, zakwaszanie (maślan, diacetyl),
-Pectinatus cerevisiiphilus - zmętnienie piwa, odrażający zapach (kwasy organiczne, siarkowodór, merkaptany metylu).
-Micrococcus kristinae - owocowy, nietypowy aromat,
-Lactobacillus, Lactococcus, Leuconostoc - śluzowacenie, zakwaszenie, zahamowanie wzrostu drożdży,
-Proteus, Pseudomonas - wytwarzanie azotanów, gnicie,
-Aspergillus, Penicillium, Mucor - pogorszenie właściwości organoleptycznych, produkcja mykotoksyn.
|
Mucor |
Anamorphic fungi |
Dematiaceae |
|
Rhizopus |
|
Alternaria |
|
Absidia |
|
Cladosporium |
|
Mortierella |
|
Moniliaceae |
|
Chaetomium |
|
Fusarium |
|
Eupenicillium |
|
Aspergillus |
|
|
|
Penicillium |
Gatunek |
Enzym |
Zastosowanie w przemyśle |
A. oryzae, A. avamori, |
α-amylaza |
Otrzymywanie syropów glukozowych, cukiernictwo, piwowarstwo, gorzelnictwo, przetwórstwo zbożowe |
A. niger, Rhizopus |
pektynazy |
Klarowanie soków owocowych, winiarstwo |
A. niger, A. nidulans, Trichoderma viride |
celulazy |
Przetwórstwo owoców, przemysł paszowy, przemysł papierniczy |
P. roqueforti, Mucor, A. oryzae |
proteinazy |
Serowarstwo (dojrzewanie serów), przemysł mięsny |
A. niger, Rhizopus, Mucor |
lipazy |
Dojrzewanie serów, chemia gospodarcza |
A. niger, A. oryzae, P. notatum |
oksydaza glukozowa |
Przemysł spożywczy, przemysł farmaceutyczny |
A. niger, A. oryzae |
katalaza |
Rozkład H2O2 w środkach spożywczych |
P. lilacinum, P. funiculosum |
dekstranaza |
Produkcja dekstranu |
Rodzaj mikrobiocydu |
Warunki zastosowania |
Octan i chlorowodorek |
w papierze i tekturze, która ma kontakt z żywnością o pH powyżej 5.0, |
Aldehyd glutarowy |
w procesie produkcji papieru i tektury w .ilości do 300 ppm na suchą masę zawiesiny przed sitem |
1.3,5-trietyloheksahydro-1,3,5-triazyna |
jako mikrobiocyd dla środków pomocniczych stosowanych w produkcji papieru i tektury w ilości 0.05-0.15% suchej masy |
Metaboran barowy |
jako mikrobiocyd dla środków pomocniczych w produkcji papieru i tektury |
l,2-benzizotiazolin-3-on |
w ilości 0.0031 mg/cm3 papieru lub tektury |
Boraks i kwas borny |
jako mikrobiocyd dla powłok na papierze i tekturze |
Produkt |
Drobnoustrój w leku |
Skutki po podaniu leku i rok |
Lek dożylny |
Erwinia sp. Enterobacter cloacae Pseudomonas stutzeri |
31 przypadków posocznicy w czasie pobytu w szpitalu i cztery śmierci; 1972 |
Glukoza podawana dożylnie |
brak danych |
6 wypadków śmierci w Wielkiej Brytanii; 1973 |
Glukoza podawana dożylnie |
Enterobacter cloacae, E. agglomerans |
posocznice na wielką skalę w USA; 1976 |
Płyn do irygacji pęcherza |
brak danych |
infekcja przewodu moczowego; 1966,1970 |
Krople do oczu |
*Pseudomonas aeruginosa |
uszkodzenie oka, nawet utrata wzroku; |
Tabletki zawierające suszony wyciąg tarczycy |
dwa podgatunki Salmonella |
epidemia duru brzusznego u 200 pacjentów w szwedzkim szpitalu; 1966 |
Metabolit agresywny korozyjnie |
Mikroorganizmy wytwarzające korozyjny metabolit |
Materiały ulegające korozji |
H2 |
Alcaligenes, Clostridium, Pseudomonas, Sarcina |
Metale |
H2S |
Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfomonas |
Metale, kamienie, beton |
Fe3+ |
Gallionella, Sphaerotilus, Thiobocillus ferrooxida |
Metale |
NH4+ |
Clostridium |
Metale, beton |
H2SO4 |
Beggiatoa, Sulfobacillus, Sulfolobus, Thiobacillus |
Metale, kamienie, beton |
HNO2 |
Nitrosomonas, Nitrosolobus |
Kamienie, beton |
HNO3 |
Nitrobacter, Nitrococcus |
Kamienie, beton |
CO2 |
Achromobacter, Clostridium, Pseudomonas, Sarcina |
Metale, beton |
Kwasy organiczne |
Bacillus, Clostridium, Proteus, Alternaria, Aspergillus |
Metale, beton, szkło |
Grupa |
Opis |
Gatunki |
A |
Enzymy nie wymagają testowania |
B. subtilis, B. mesentericus, B. natto, B. amyloliquefaciens |
B |
Enzymy wymagają testowania pod kątem toksyczności |
B. stearothermophilus, B. licheniformis, B. coagulans, |
C |
Enzymy wymagają specjalistycznych testów |
B. cereus, B. anthracis |