17. Ацетоно-бутиловое брожение. Возбудители и ход процесса. Значение этих процессов в природе, сельском хозяйстве и промышленности.
Возбудитель ацетонобутилового брожения — С. acetobutylicum, он широко распространен в почках, имеет палочковидные клетки (0,6—0,9 х 2,4—4,7 мкм) с перитрихальным жгутикованием. Характерно образование овальных спор, которые располагаются в клетке субтерминально. Бактерии сбраживают моно-, ди- и полисахариды, а также глицерин, маннит, глюконат, пируват и ряд других соединений, фиксируют молекулярный азот. Оптимальная температура для их роста 37—38 °С, оптимальное значение рН среды — 5,1—6,9. Ацетонобутиловые бактерии способны разлагать белки. Сбраживание углеводов при помощи данных бактерий происходит по пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса. Образовавшийся в результате декарбоксилирования пирувата ацетил-КоА восстанавливается в этанол, идет на синтез ацетата или конденсируется в ацетоацетил-КоА. Последний декарбоксилируется, что приводит к образованию ацетона, или восстанавливается в бутирил-КоА, который может трансформироваться в бутират или восстанавливаться через бутиральдегид до бутанола. Суммарная схема ацетонобутилового брожения:
Основные конечные продукты брожения, как видно, — бутанол, этанол, ацетон, 2-пропанол, а также ацетат и бутират. Однако характер конечных продуктов определяется как видовой принадлежностью используемого для брожения микроорганизма, так и условиями, в которых идет процесс. Установлено, что ацетонобутиловое брожение имеет двухфазный характер. В течение первой фазы наблюдается активный рост бактерий, в среде идет накопление преимущественно органических кислот. Во второй фазе брожения снижается значение рН среды, рост бактерий замедляется, преобладает синтез нейтральных продуктов — ацетона, бутанола и этанола. Двухфазность ацетонобутилового брожения связана с рН среды. Если кислотность среды в результате накопления органических кислот возрастает до рН 4,5 и более, происходит интенсивное образование нейтральных продуктов, что предупреждает дальнейшее подкисление среды, неблагоприятное для бактерий. Ацетонобутиловые бактерии значительно более требовательны к среде, чем маслянокислые. Эти микроорганизмы нуждаются в готовых аминокислотах и витаминах (биотин и п-аминобензойная кислота).
Описанный вид брожения широко используют в промышленном производстве ацетона и бутанола из кукурузной муки и другого крахмалистого сырья. Ацетон применяют для производства искусственного шелка и кожи, фотографических пленок, искусственного цемента и других продуктов, бутанол — при производстве лаков. Газы, образующиеся при ацетонобутиловом брожении, идут на синтез метанола.
18. Свободноживущие бактерии, фиксирующие молекулярный азот. Особенности этих бактерий и химизм процесса азотфиксации. Азотобактерин, его применение и эффективность.
АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ, азотфиксаторы, усваивают молекулярный азот (N2) атмосферы и переводят его в органич. соединения. Имеют большое значение в круговороте азота в природе, снабжении растений усвояемыми его формами. Ежегодно Азотфиксирущие бактерии вовлекают в азотный фонд до 190 млн. т азота почвы и от 30 до 130 млн. т азота водных систем. Наиб. распространены в природе свободноживущие бактерии, бактерии, живущие в симбиозе гл. обр. с высшими растениями, а также ассоциативные формы, накапливающие азот в относительно тесных взаимоотношениях с др. микроорганизмами или с растениями. В процессе азотфиксации молекулярный азот восстанавливается до аммиака, к-рый реагирует с кетокислотами, образуя аминокислоты. Источником энергии для восстановления азота служат процессы дыхания у аэробных бактерий и брожения у анаэробных.
К Азотфиксирущим бактериям относится св. 130 родов и видов бактерий, более 100 таксонов синезелёных водорослей (цианобактерий) и др. микроорганизмы. У бобовых растений роль симбионта выполняют клубеньковые бактерии рода ризобиум (Rhizobium). У 200 родов и видов деревьев (ольха, нек-рые хвойные), кустарников (облепиха), травянистых растений (вейник, осока) выявлены клубеньки на корнях или наросты на листьях. Симбиотическим партнёром растений выступают при этом нередко актиномицеты.
Из свободноживущих азотфиксирующих бактерий в лесных почвах умеренного пояса поставщиком биол. азота являются в осн. представители анаэробных бактерий рода клостридиум (Clostridium). Аэробные бактерии рода азотобактер (Azotobacter) свойственны преим. окультуренным почвам. Аэробные бактерии рода бейеринкия (Beijerinckia) широко распространены в краснозёмах и латеритах (и на поверхности листьев растений) субтропиков и тропиков. В почвях умеренного пояса евободноживущие бактерии фиксируют до 20 кг/га азота, в тропиках — до 100 130 кг/га.
К симбиотич. азотфиксирующим бактериям, распространённым в лесных почвах, относятся клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе гл. обр. с бобовыми растениями (акацией, клевером, люцерной, люпином и др.). Внедрившись в ткань корня растения-хозяина, они вызывают усиленное деление его клеток, что приводит к появлению клубеньков. В клубеньках бактерии размножаются, растут. превращаясь в утолщённые, разветв ленные формы — бактероиды; период образования бактероидов совпадает с периодом активной азотфиксации бобово-ризобиального симбиоза. Сосудистая система клубенька обеспечивает связь между бактериями и растением-хозяином: растения снабжают бактерии углеводами и минеральными солями, бактерии отдают растению до 70% ассимилированного ими азота. У большинства бобовых однолетних растений отмирание клубеньков начинается в период цветения растения-хозяина; клубеньки многолетних растений могут функционировать в течение мн. лет. После разрушения клубенька клетки бактерий попадают в почву и переходят к существованию за счёт органич. в в подобно др. сапрофитным почвенным организмам. В результате связывания молекулярного азота клубеньковыми бактериями в почве ежегодно накапливается 10-20 кг/га азота под однолетними бобовыми растениями и 50—200 кг/га и более — под многолетними. Под 4 лет ними культурами белой акации (28 тыс. растений на 1 га) в почве накапливается до 300 кг/га азота в год. В почве под насаждениями ольхи (5 растений на 1 га) ольхово-актиномицетный симбиоз обеспечивает на копление в ср. до 100 кг/га азота в год. Культуры Азотфиксирущих бактерий (клубеньковых бактерий и др.) используют для приготовления бактериальных удобрений.
К бактериальным удобрениям, относится Азотобактерин (азотоген), который содержит в себе культуру азотобактера. Этот микроорганизм, живущий в почве, разлагает органические вещества, выделяет аммиак, участвует в процессе нитрификации (разложение клетчатки), собирает фосфорную кислоту, усваивает атмосферный и почвенный азот, а также зольные элементы. И всем этим богатством питательных элементов делится с растениями.
Применяется очень широко и подходит для удобрения практически любых культур сельского хозяйства. Но лучше всего проявляет себя, в почвах, которые богаты органическими веществами, хорошо взаимодействуют с атмосферой и имеют нейтральную реакцию на кислотность.
Азотобактерин, сокращенно - АМБ, в зависимости от основы, имеет два вида:
перегнойно-почвенный (торфяной) — микроорганизмы живут в почве богатой перегноем. или торфе с невысокой кислотностью;
агаровый — специальный плотный студень, который содержит все необходимые элементы питания.
Следует помнить, что азотобактерин имеет ограниченный срок как использования, так и хранения. В обоих случаях он составляет 2—3 месяца
Так как к конечному пользователю попадает в виде маточной культуры, в сухом виде, с ним необходимо дополнительно поработать. Для этого потребуется торф (низинный или переходной) со степенью разложения — не менее 30%‚ молотый известняк, гашеная известь и сланцевая зола. Вышеперечисленные составляющие необходимо тщательно просеять, а затем смешать. На одну тонну торфа — 100 кг известняка и золы, и 30 кг гашеной извести. Затем добавить 1 кг сухого АМБ. Таким образом, получают удобрение на торфяной основе, для внесения в почву, при проведении посевных работ. Другой вид приготовления — использование агаровых сред, в которых присутствует сахароза (2%) и минеральные соли. Когда, размещенная на агаре, культура бактерий, размножится до необходимого количества в виде слизистой массы, имеющей коричневый цвет. ее смывают дистиллированной водой и размещают в небольших емкостях (бутылках), для дальнейшего размножения с температурным режимом 25-27° С.
Прежде всего, необходимо учитывать, что данное бактериальное удобрение‚ имеет ограниченный срок использования. Поэтому его применяют с учетом действия в два, три месяца.
Основные методы применения:
обработка посевных семян в сухом виде;
смачивание семян, корней рассады и клубней высаживаемых культур в водном растворе (агаровый);
непосредственное внесение в почву при посевных работах (почвенноторфяной).
Эффект от применения довольно значителен. Зерновые культуры дают урожай на 10—15% выше обычного. Клубневые — еще больше - до 35-40%. обуславливается это тем, что в продолжение своей жизнедеятельности микроорганизмы (бактерии), постоянно вырабатывают полезные для растений питательные вещества и уничтожают вредные грибковые образования. В личном хозяйстве, на приусадебных и дачных участках, способ применения можно упростить:
При посадке картофеля, вместе с клубнем, в почву кладут совсем небольшое количество (одна-две щепотки) сухого удобрения.
Для высадки рассады, готовят густую смесь из земли и воды, с добавлением сухого АМБ. Перед непосредственной высадкой в почву, корни окунаются в этот раствор и сразу же заделываются грунтом с формированием грядок,
При посеве семян, в подготовленный рядок, насыпают в сухом виде и сразу же заделывают, т.к. бактерии не переносят прямого попадания солнечного света и могут погибнуть, поэтому лучше всего выполнять такой посев вечером или утром,
Положительное влияние наблюдается и при внесении АМБ в компосты для огородных культур, а также торфоперегнойные смеси для комнатных растений.