6. Процессы трансформации соединений фосфора.

Ответ. Фосфор входит в состав белков и липоидов. Особенно много его в ядрах клеток, головном мозге человека и животных. Микроорганизмы, участвующие в превращении фосфора, живут в почве, воде. Их роль сводится к двум процессам: минерализации фосфора, входящего в состав органических веществ, и превращению фосфорнокислых солей из слаборастворимых в хорошо растворимые. Минерализацию фосфора вызывают гнилостные бактерии, в частности Вас. megatherium. Образующаяся при этом фосфорная кислота связывается со щелочами почвы и превращается в слаборастворимые соли кальция, железа, магния и, следовательно, малодоступные для растений. В дальнейшем под действием почвенных кислотообразующих бактерий, особенно нитрифицирующих, эти соли превращаются в растворимые соединения фосфорной кислоты, доступные для растений. В минерализации органических фосфатов (фитина, фосфолипидов, нуклеопротеидов и т. д.) участвуют бактерии родов Pseudomonas, Bacillus; семейства Actinomycetaceae и грибы рода Penicillium и др. Особенно большое количество органических фосфатов накапливается при внесении в почву фосфорных удобрений или при достаточном обеспечении почвы усвояемым фосфором. Тогда происходит так называемая биологическая иммобилизация фосфора: усвояемый фосфор используется микроорганизмами и включается в органические соединения микробной клетки. Установлено, что 8—10% фосфора, внесенного с удобрениями, подвергается иммобилизации. Большие количества фосфора входят в состав почвенных минералов и недоступны или слабо доступны для растений. Многие микроорганизмы способны переводить такие соединения в растворимые формы. К ним относятся бактерии рода Bacillus (В. megaterium), грибы родов Penicillium, Aspergillus и др. Некоторые микроорганизмы косвенно помогают этому процессу, выделяя кислоты, которые превращают фосфаты в растворимые формы. В процессе жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий выделяется азотная кислота, а серобактерий — серная. Эти кислоты способствуют растворению нерастворимых фосфорных соединений в почве. Фосфорные бактерии играют важную роль в обеспечении растений усвояемым фосфором. Содержание фосфора (Р205) в почвах колеблется от 0,03 до 0,2 %, а общий запас фосфора в пахотном слое составляет от 1 до 9 т/га. По примерным подсчетам, около 15 кг фосфора на 1 га может содержаться в клетках микроорганизмов. Некоторые минеральные соединения фосфора переходят в раствор под действием кислых продуктов метаболизма бактерий или водородных ионов кислых почв (например, подзолов). Даже диоксид углерода, выделяемый микроорганизмами при разложении органических соединений, переводит в растворе двух- и трехкальциевые фосфаты в водорастворимый монокальциевый фосфат:

Микробиологическая деструкция отдельных минеральных соединений фосфора происходит неодинаково легко. По возрастающей трудности разложения может быть намечен следующий ряд:

7. Краткая история развития микробиологии.

Ответ. Со времен глубокой древности, задолго до открытия микроорганизмов, человек использовал такие микробиологические процессы, как сбраживание виноградного сока, скисание молока, приготовление теста. В старинных летописях описываются опустошительные эпидемии чумы, холеры и других заразных болезней. Микробиология является сравнительно молодой наукой. Начало ее развития относится к концу XVII в. Первое обстоятельное наблюдение и описание микроорганизмов принадлежит Антонию Левенгуку (1632–1723 гг.), который сам изготовлял линзы, дававшие увеличение в 200– 300 раз. В книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком» (1695 г.) он не только описал, но и дал зарисовки многих микроорганизмов, обнаруженных им с помощью своего «микроскопа» в различных настоях, дождевой воде, на мясе и других объектах. Открытия Левенгука вызвали живейший интерес ученых. Однако слабое развитие в XVII и XVIII вв. промышленности и сельского хозяйства, господствующее в науке схоластическое направление препятствовали развитию естественных наук, в том числе и зарождающейся микробиологии. Долгое время наука о микробах носила в основном описательный характер. Этот так называемый морфологический период развития микробиологии был малоплодотворным. Одной из ранних работ, посвященных изучению природы и происхождения микроорганизмов, была диссертация М. М. Тереховского, опубликованная в 1775 г. Автор впервые применил экспериментальный метод исследований. Он изучал влияние на микроорганизмы нагревания и охлаждения, а также воздействия различных химических веществ. Исследования М. М. Тереховского остались малоизвестными, хотя имели большое принципиальное значение. Долго еще не было определено место микроорганизмов среди других живых существ, их роль и значение в природе и в жизни человека. В 1698 г. Петр I посетил Левенгука и привез микроскоп в Россию. Прогресс промышленности в XIX в., вызвавший развитие техники и различных отраслей естествознания, обусловил быстрое развитие микробиологии, возросло ее практическое значение. Из науки описательной микробиология превратилась в опытную науку, изучающую роль «загадочных» организмов в природе и жизни человека. Появились более совершенные микроскопы, улучшилась техника микроскопирования. Начало нового направления в развитии микробиологии – физиологического периода связано с деятельностью французского ученого Луи Пастера (1822–1895 гг.) основоположника современной микробиологии. Пастер установил, что микроорганизмы различаются не только внешним видом, но и характером жизнедеятельности. Они вызывают разнообразные химические превращения в субстратах (средах), на которых развиваются. Пастеру принадлежит ряд исключительно важных открытий. Он доказал, что происходящее в виноградном соке спиртовое брожение обусловлено жизнедеятельностью микроорганизмов – дрожжей. Это открытие опровергло господствующую в то время теорию Либиха о химической природе процесса брожения. Изучая причины болезни вина и пива, Пастер доказал, что виновниками их являются микроорганизмы. Чтобы предотвратить порчу, он предложил прогревать напитки. Этот прием применяют и в настоящее время и называют пастеризацией. Пастер впервые обнаружил бактерии, не способные развиваться в присутствии воздуха, т. е. показал, что жизнь возможна и без кислорода. Пастер открыл природу заразных болезней человека и животных, установил, что эти болезни возникают вследствие инфекции (заражения) особыми микробами и что каждое заболевание вызывается определенным микроорганизмом. Он разработал и научно обосновал метод предупреждения заразных болезней (предохраняющие прививки), изготовил вакцины против бешенства и сибирской язвы. Значительным вкладом в микробиологию явились исследования немецкого ученого Роберта Коха (1843–1910 гг.). Им были введены в микробиологическую практику плотные питательные среды для выращивания микроорганизмов, что привело к разработке метода выделения микроорганизмов в так называемые чистые культуры, т. е. выращивание культур (массы клеток) каждого вида в отдельности (изолированно). Это позволило обнаружить неизвестные ранее микроорганизмы и выявить особенности жизнедеятельности отдельных представителей этого мира живых существ. Кох изучал также возбудителей многих заразных болезней (сибирской язвы, туберкулеза, холеры и др.). Всемирно известны работы И. И.Мечникова (1845–1916 гг.). Он впервые разработал фагоцитарную теорию иммунитета, т. е. невосприимчивости организма к заразным болезням. С именем И. И. Мечникова тесно связано развитие микробиологии в России. Он организовал первую в России бактериологическую лабораторию (в Одессе). Ближайшим соратником И. И. Мечникова был Η. Φ. Гамалея (1859–1949 гг.), изучивший многие вопросы медицинской микробиологии. Η. Φ. Гамалея организовал в Одессе (в 1886 г.) первую в России станцию по прививкам против бешенства (вторую в мире после Пастеровской станции в Париже). Вся его деятельность была направлена на решение важнейших вопросов здравоохранения в нашей стране. Большое значение для развития микробиологии, особенно сельскохозяйственной, имели труды С. Н. Виноградского (1856 – 1953 гг.). Он открыл процесс нитрификации, установил существование особых бактерий, которые способны ассимилировать углекислый газ из воздуха, используя в процессе синтеза органических веществ химическую энергию реакции окисления аммиака до азотной кислоты. Так была доказана возможность ассимиляции углекислого газа без участия хлорофилла и солнечной энергии. Этот процесс в отличие от фотосинтеза зеленых растений был назван хемосинтезом. С. Н. Виноградский открыл явление фиксации атмосферного азота анаэробными бактериями. Им также найдены бактерии анаэробного разложения пектиновых веществ, что в дальнейшем позволило исследователям (И. А. Макринову, Г. Л. Селиберу и др.) разработать теорию и приемы мочки волокнистых растений – льна, конопли и др. В своих исследованиях С. Н. Виноградский пользовался разработанным им оригинальным методом выращивания микроорганизмов с применением специальных – элективных (избирательных) – питательных сред и условий, приближенных к естественному обитанию микроорганизмов. Этот метод получил широкое применение во всех областях микробиологии. Он позволил не только открыть новые виды микроорганизмов, но и более глубоко изучить известные. Учеником и сотрудником С. Н. Виноградского был В. Л. Омелянский (1867–1928 гг.). Вместе с С. Н. Виноградский он изучал вопросы нитрификации, фиксации атмосферного азота и другие проблемы микробиологии. В. Л. Омелянский создал первый русский учебник по микробиологии «Основы микробиологии» и первое русское «Практическое руководство по микробиологии». Эти книги до сих пор не утратили своей ценности. На основании исследований С. П. Костычева и В. С. Буткевича химизма образования органических кислот грибами в нашей стране в 1930 г, было организовано производство лимонной кислоты. В. Η. Шапошников и А. Я. Мантейфель изучали и внедрили в заводскую практику способ производства молочной кислоты с помощью бактерий. Исследования В. Н. Шапошникова и Ф. М. Чистякова дали возможность еще в начале 30-х годов организовать в заводском масштабе производство ацетона и бутилового спирта с помощью бактерий. В области пищевой микробиологии, непосредственно связанной с товароведением, большая роль принадлежит Я. Я. Никитинскому (1878–1941 гг.). Он создал курс пищевой микробиологии и совместно с Б. С. Алеевым написал специальный курс микробиологии скоропортящихся пищевых продуктов, а также руководство к практическим работам по микробиологии для студентов, изучающих товароведение продовольственных товаров. Труды Я. Я· Никитинского и его учеников положили начало широкому развитию микробиологии консервного производства и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Значительные успехи в области микробиологии молока и молочных продуктов были достигнуты школой С. А. Королева (1876 – 1932 гг.) в Вологодском молочном институте А.Ф.Войткевичем (1875–1950 гг.) в Московской сельскохозяйственной академии имени К- А. Тимирязева. До Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране насчитывались единичные бактериологические учреждения. В настоящее время в стране имеется широкая сеть научно-исследовательских учреждений по различным разделам микробиологической науки. Имеется значительное число производств, в технологии которых главное место занимают микробиологические процессы. Возникают новые отрасли биохимической промышленности, основанные на применении плесневых грибов, бактерий и других микроорганизмов. В 1960 г. создана микробиологическая промышленность, в технологических процессах которой используются микроорганизмы – продуценты ценнейших биологически активных веществ (антибиотиков, белка, аминокислот, ферментов, витаминов, гормонов и др.). Получила развитие и микробиология пищевых продуктов. Все крупные отрасли пищевой промышленности имеют научно-исследовательские институты, в состав которых входят лаборатории, изучающие микробиологию данной отрасли производства. На всех предприятиях пищевой промышленности созданы заводские и цеховые микробиологические лаборатории, контролирующие производство и качество готовой продукции. Создание электронного микроскопа и разработка новых методов исследований микроорганизмов позволяют изучать их на молекулярном уровне, что в свою очередь дает возможность более глубоко познать свойства микробов, их химическую деятельность, лучше использовать и управлять микробиологическими процессами. Микробиологической науке принадлежит большая роль в выполнении основной задачи, поставленной перед пищевой и легкой промышленностью, торговлей и общественным питанием,– наиболее полном удовлетворении постоянно растущих потребностей советского народа.