ЛЕКЦИЯ 7 Трансформация микроорганизмами растительного сырья Перспективные направления

ЛЕКЦИЯ 7 Трансформация микроорганизмами растительного сырья Перспективные направления применения микроорганизмов в сельскохозяйственном производстве для превращения растительного сырья. Микробиологические процессы мочки льна и консервирования кормов. Переработка сельскохозяйственных отходов в биогаз и удобрения. Микробные препараты для ускорения разложения растительных остатков (соломы, стерни и т. д. ). Условия, влияющие на скорость разложения при заделке растительных остатков в почву. Эффективность применения микробных препаратов для повышения почвенного плодородия и урожайности растений.

Анаэробное разложение целлюлозы Большинство представителей анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, найденных в природе, относят к семейству Васillасеае, роду Clostridium. Эти виды обитают в почвах, компосте, навозе, речном иле и сточных водах. Клостридии устойчивы к кислотности и распространены не только в нейтральных, но и кислых почвах. Типичный представитель рода, участвующий в разложении целлюлозы при температуре 30— 40 °С, — Clostridium omelianskii. Впервые вид выделен известным микробиологом В. Л. Омелянским в 1902 г. Этот микроорганизм имеет палочковидную форму (4— 8 х 0, 3— 0, 5 мкм), подвижен. Для него характерны толстые споры, поэтому спорообразующая клетка сильно раздувается и становится похожей на барабанную палочку. Clostridium omelianskii

Среди анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, встречающихся в почве, навозе и компостах, есть и термофилы. Они активно сбраживают целлюлозу. Так, оптимальная температура для развития С. thermocellum около 60 °С, биологический максимум приближается к 70 °С; при 40, 45 °С эта бактерия развивается слабо. К термофильным целлюлозоразлагающим анаэробам относится и вид Thermoanaerobacter ethanolicus, выделенный из горячих источников. Мезофильные и термофильные анаэробные бактерии хорошо используют целлюлозу, но на обычных средах, содержащих простые сахара, они развиваются слабо, плохо переносят даже незначительно повышенные концентрации cахаров. Thermoanaerobacter ethanolicus Clostridium thermocellum

Целлюлоза - гомополисахарид, состоящий из соединенных β-l, 4 -гликoзидными связями глюкозных остатков. Молекулярная масса полисахарида — до 500 000. В молекуле целлюлозы может содержаться до 14 000 молекул β-D-глюкозы. Целлюлозные волокна представляют собой пучки микрофибрилл и мицеллы (кристаллиты) — весьма плотно упакованные цепочки макромолекул, чередующиеся с некристаллическими или паракристаллическими участками. Последние в первую очередь подвергаются воздействию ферментов микроорганизмов. Процесс расщепления целлюлозы протекает следующим образом: при действии на целлюлозу фермента эндоглюконазы образуются олигосахара различной степени полимеризации, а также целлобиоза. Затем под влиянием эндоглюканазы и целлобиогидролазы олигосахара гидролизуются до целлобиозы. Целлобиаза катализирует расщепление целлобиозы на две молекулы глюкозы. Все ферменты целлюлазного комплекса бактерий, за исключением целлобиазы, внеклеточные. При аэробном разложении целлюлозы из образовавшейся глюкозы в основном получается два продукта — СО 2 и Н 2 О. Могут накапливаться и небольшие количества органических кислот.

Гемицеллюлозы наряду с лигнином и пектинами входят в состав межклеточного вещества растительных тканей, в значительных количествах содержатся в древесине, соломе, кукурузных початках и т. д. Как и целлюлоза, они присутствуют в клеточной стенке. Кроме растений, гемицеллюлозы обнаружены у грибов и дрожжей, входят в состав внеклеточных полисахаридов. К микроорганизмам, обладающим гемицеллюлозоразлагающими свойствами, относят бактерии родов Clostridium, Bacillus, Cytophaga, Sporocytophaga (например, Sporocytophaga myxococcoides), Vibrio, Streptomyces; грибы родов Aspergillus, Rhizopus, Forties, Polyporus и др. Геми- целлюлозы в кислых почвах обычно разлагают грибы, в нейтральных и щелочных — бациллы, Sporocytophaga и ряд других бактерий. Cytophaga Polyporus Aspergillus Vibrio Streptomyces

Большая молекулярная масса гемицеллюлоз не позволяет их молекулам проникать через цитоплазматическую мембрану бактериальной клетки. Молекулы должны быть превращены в простые соединения сахара, и только тогда микроорганизмы смогут их использовать. Ферменты, катализующие расщепление гемицеллюлоз, носят название гемицеллюлаз (ксиланаз). Многие микроорганизмы, обладающие способностью к синтезу целлюлазного комплекса, имеют и ксиланазу. При анаэробном распаде целлюлозы первоначальный продукт ее гидролиза — глюкоза в дальнейшем подвергается сбраживанию, в результате чего возникает много органических веществ: Мезофилы: Clostridium omelianskii, С. dissolvens, С. cellobioparum Этанол, уксусная, молочная и муравьиная кислоты, СО 2, Н 2 Термофилы: С. thermocellum, Thermoanaerobacter ethanolicus Этанол, уксусная, молочная и муравьиная кислоты, СО 2, Н 2 С. cellobioparum С. thermocellum

Разложение лигнина Молекулярная масса лигнина 1000— 10 000, он нерастворим в воде и в большинстве органических растворителей. Молекула лигнина содержит только три элемента — углерод, водород и кислород, однако это весьма сложное соединение, состоящее из большого числа полимеризованных мономерных блоков, которые представляют собой производные фенилпропана. Лигнин устойчив к воздействию микроорганизмов, разлагается значительно медленнее, чем целлюлоза и гемицеллюлоза. В аэробном разложении лигнина могут принимать участие многие представители класса Basidiomycetes. Так, при умеренной температуре лигнин усваивают многие высшие грибы родов Clavaria, Armillariella, Fomes, Polystictus, Polyporus и Ustilina. Активны по отношению к лигнину Fusarium lactis, F. nivala, Trichoderma lignorum, Alternaria tenuis, Stremphylium botryosum. Clavaria Armillariella Polyporus Fomes Ustilina Polystictus Trichoderma lignorum

Разложение пектиновых веществ. Межклеточные вещества растительных тканей — пектины — найдены в так называемых срединных пластинках, расположенных между отдельными клетками тканей растений. Первичные и вторичные клеточные стенки также содержат полисахариды пектинового типа. Пектиновые вещества — сложные полисахариды, полигалактурониды, это неразветвленные полимеры, состоящие из остатков Dгалактуроновых кислот, соединенных 1, 4 -гликозидными связями. Существуют три типа пектиновых веществ: протопектин — водонерастворимая составная часть клеточной стенки; пектин — водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащей метилэфирные связи; пектиновая кислота — водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей. Бактерии и грибы воздействуют на пектин, протопектин и пектиновую кислоту в аэробных и анаэробных условиях. В почве обнаружено большое число микроорганизмов, разлагающих пектиновые вещества (до 1 млн клеток на 1 г почвы). Высокой пектинолитической активностью обладают представители семейства Ваcillасеае — аэробные бактерии рода Bacillus (В. macerans, В. polymyxa) и анаэробные рода Clostridium (С. pectinovorum, С. felsineum, С. aurantibutyricum, С. pectinolyticum, С. соralliпит, С. flavum и др. ), а также многие грибы. Пектины разлагаются и под влиянием фитопатогенных грибов (Botrytis cinerea, Fusarium oxysporum f. lycopersici) и бактерий Erwinia carotovora), использующих эту свою способность для проникновения в ткани растений.

Разложение пектиновых веществ наблюдается при мочке лубоволокнистых растений — льна, конопли, кенафа, джута, канатника и др. Целлюлозные волокна указанных растений склеены с окружающими их тканями пектином. Для отделения волокон необходимо разложение пектина, для чего используют пектинолитическое действие ферментов анаэробных бактерий. При водной мочке после погружения в воду стебли льна набухают. При этом экстрагируются водорастворимые вещества (сахара, глюкозиды, таннины, растворимые соединения азота и пигменты) и начинают развиваться бактерии. Сначала размножаются аэробные формы, так как вода содержит кислород и питательные вещества, способствующие их развитию. Дрожжи и плесневые грибы развиваются на поверхности среды. Поглощение аэробными микроорганизмами из жидкости кислорода обусловливает создание в среде анаэробных условий. Начинают развиваться факультативно анаэробные бесспоровые бактерии, близкие к Escherichia coli. Постепенно в среде накапливаются органические кислоты (в том числе молочная) и выделяются газы СО 2 и Н 2. Отделение волокон происходит во время основной стадии брожения, когда анаэробные бактерии типa С. pectinovorum начинают расщеплять пектин. Накопление органических кислот приводит к прекращению деятельности С. pectinovorum. Последнего сменяет более кислотоустойчивый микроорганизм С. felsineum. В результате воздействия ферментов микроорганизмов двух указанных видов на пектиновые вещества паренхимной ткани от коры и древесины отделяются пучки волокон.

На льнозаводах тепловую мочку льноволокна выполняют в особых чанах — мочилах при 32— 38 °С в течение трех—пяти суток. Для ускорения мочки и увеличения выхода длинного волокна предложен препарат пектолитин, содержащий споры активного пектинразлагающего микроорганизма — С. felsineum. Внесение пектолитина в мочильную жидкость приводит к ускорению процесса в среднем на 27%, повышается и выход длинного волокна, его качество. В производство льняного волокна внедряют также препараты пектолитических ферментов.

В биотехнологии получения биогаза из отходов ферм должны учитываться особенности метанового брожения. Большое влияние на метановое брожение оказывают температура, р. Н, состав среды и наличие в ней ингибиторов (мономеры, кислоты), концентрация и размеры твердых частиц, гидродинамические условия в ферментационной среде и другие факторы. Наиболее существенное влияние на газовыделение оказывает температура. Выявлено, что оптимальная температура для максимального метанообразования составляет 54— 56 °С. Термофильный процесс к тому же обеспечивает исчезновение бактерий группы Е. coli, что очень важно с точки зрения обезвреживания навоза. 
Несмотря на сложность метанового брожения, существует еще ряд методов интенсификации процесса. Биогазовые реакторы можно условно разделить на однокорпусные ( «сельские» ) неинтенсивные, без дополнительного оборудования для подогрева и перемешивания, и на индустриальные с устройствами для перемешивания и системой управления процессом. .

Фазы созревания силоса. Рассмотрим динамику созревания силоса. Процесс квашения можно условно разбить на т р и фазы. П е р в а я ф а з а созревания заквашиваемого корма характе- ризуется развитием смешаннои микрофлоры. На растительнои мас- се начинается бурное размножение разнообразных групп микроор- ганизмов, внесенных с кормом в силосное помещение. Обычно первая фаза брожения бывает кратковременнои. Окончание первои , или предварительнои , фазы брожения связано с подкислени- ем среды, угнетающеи деятельность большеи части микрофлоры корма. К этому времени в силосе устанавливаются анаэробные ус- ловия, так как весь кислород уже израсходован аэробами. Во второи фазе — фазе главного брожения — ос- новную роль играют молочнокислые бактерии, продолжающие под- кислять корм. Большинство неспорообразующих бактерии погибает, но бациллярные формы в виде спор могут длительное время сохра- няться в заквашенном корме. В начале второи фазы брожения в си- лосе обычно преобладают кокки, которые позднее сменяются па- лочковидными молочнокислыми бактериями, отличающимися большои кислотоустои чивостью. Третья фаза брожения корма — конечная — связана с постепенным отмиранием в созревающем силосе возбудителеи молочнокислого процесса. К этому времени силосование подходит к естественному завершению. Быстрота подкисления корма зависит не только от количества углеводов в нем, но и от структуры рас- тительных тканеи.

Предложена технология приготовления и использования бактериальных заквасок, улучшающих качество корма. В большинстве случаев рекомендуют использовать молочнокислую бактерию Lactobacillus plantarum. Иногда к неи добавляют другого возбудителя молочнокислого брожения. Готовят как жидкие, так и сухие закваски. Данныи микроорганизм в отличие от других молочнокислых бактерии может сбраживать не только простые углеводы, но и крахмал. Предлагают также добавлять в силосуемую массу, бедную моносахаридами, ферментные препараты (мальтаза, целлюлаза), разлагающие полисахариды и обогащающие корм сахарами, доступными молочнокислым бактериям.

Благодарю за внимание