Общая характеристика процессов брожения. Значение процессов превращения углеродсодержащих веществ в круговороте углерода в природе

1. Общая характеристика процессов брожения. Значение процессов превращения углеродсодержащих веществ в круговороте углерода в природе.

2. Спиртовое брожение Основы виноделия. Получение глицерина.

3. Молочнокислое брожение.

4. Силосование кормов как метод анаэробной биоконверсии.

Общая характеристика процессов брожения. Значение процессов превращения углеродсодержащих веществ в круговороте углерода в природе.

Брожение - окислительно-восстановительный процесс, приводящий к образованию АТФ,котором окислителем и восстановителем служат органические соединения, образующиеся в ходе самого брожения.

При брожении субстрат разлагается до конечных продуктов. соединения подвергающиеся брожению не должны быть сильно окислены и не слишком восстановленными. Чаще всего микроорганизмы используют в качестве субстратов углеводы, некоторые органические кислоты, аминокислоты, пурины и пиримидины. Образование АТФ во время брожения идет путем фосфорилирования на уровне субстрата.

Брожение вызывается облигатными или факультативными анаэробами, и как правило в в строго анаэробных условиях. Брожение является простейшей формой биологического окисления, которое обеспечивает получение энергии в анаэробных условиях.

Известно много типов брожения. Каждый их них дает специфические конечные продукты и свойственен отдельной группе микроорганизмов.

Брожение идет в две стадии:

1. Кослительная стадия. Превращение глюкозы в пируват- включает разрыв углеродной цепи глюкозы и отщепление двух пар атомов водорода.

2. Восстановительная стадия - атомы водорода используются для восстановления пирувата или образованных их него соединений.

Образование пирувата из углеводов совершается как серия последовательных реакций. Это катаболические реакции, общие для брожения и аэробного дыхания.

У микроорганизмов известно три пути образования пирувата из углеводов:

1. Путь Эмбдена-Мейерглфа-Парнаса, или гликолиз, присущ облигатным и факультативным анаэробам.

2. Пентозофосфатный, или Варбурга-Диккенса- Хореккера, характерен для многих микроорганизмов, как прокариот, так и для эукариот.

3. Путь Энтнера-Дудорова, найден только у отдельных групп микроорганизмов, в основном анаэробных бактерий.

Углерод – важнейший элемент органической природы. Он является неотъемлемой частью организмов. Зеленые растения ежедневно потребляют колоссальное количество углекислоты. Если бы в природе отсутствовали источники пополнения атмосферы углеродом, то вскоре жизнь полностью бы затихла. Основным источником пополнения атмосферы углекислотой является жизнедеятельность микроорганизмов.

В почву ежегодно попадает большое количество органических веществ в виде остатков растений (пожнивные остатки, корни, навоз, зеленые удобрения и др.), трупов животных и отмерших микроорганизмов. Под влиянием различных групп микроорганизмов эти вещества проходят сложный путь биохимических превращений, достигая, в конце концов, стадии минерализации. Из соединений углерода наиболее легко и быстро подвергаются минерализации простые и низкополимерные углеводы (моно- и дисахариды). Несколько труднее и медленнее разлагаются полисахариды (крахмал, гемицеллюлозы, пектиновые вещества), жиры и воска. Трудно разлагаются микроорганизмами целлюлоза и близкие к ней высокополимерные соединения, например лигнин, который часто накапливается в почве. Большое значение в разложении органических веществ играют условия аэрации. В зависимости от условий среды разложение идет при участии анаэробных или аэробных микроорганизмов. В анаэробных условиях разложение углеводов протекает по типу брожения, в результате которого образуются органические кислоты, спирты и различные газообразные продукты. В зависимости от основного конечного продукта, образующегося в ходе анаэробного разложения, брожения получили соответствующие названия: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др.

В аэробных условиях распад органических веществ идет более быстро и может завершиться полным окислением с образованием – CO₂ и H₂O. Но чаще всего окисление бывает не полным, и кроме CO₂ и H₂O образуются органические кислоты и спирты. Окислятся, могут углеводы, этиловый и др. спирты, кислоты, углеводороды, жиры и другие вещества.

Процессы брожения и окисления органических веществ широко применяются в промышленности для получения ряда ценных продуктов ( ацетона, бутанола, глицерина, уксусной, лимонной, глюконовой и др. кислот), в сельском хозяйстве (силосовании, сенажировании, квашение овощей и переработке молока в кисломолочные продукты), для очищения почв и водоемов от загрязнения нефтью и продуктами ее переработки, для разведки месторождений нефти и газа, обработке лубоволокнистых культур и т.д.
Спиртовое брожение Основы виноделия. Получение глицерина.

Спиртовое брожение - это превращение углеводов до этилового спирта.

Спиртовое брожение вызывается различными микроорганизмами: дрожжами, бактериями, отдельными видами грибов. Основным возбудителем являются дрожжи.

Спиртовое брожение с участием дрожжей рода Saccharomyces применяется в хлебопечении, для получения спирта и других продуктов.

Дрожжи широко распространены в природе: в почве, на поверхности плодов и ягод, зерне и т.д.

Дрожжи сбраживают углеводы (моно- и дисахариды). Дрожжи относятся к факультативным анаэробам, поэтому легко переходят от анаэробного метаболизма (брожение) к аэробному дыханию. Сбраживание углеводов дрожжами с образованием этанола и углекислого газа идет гликолитическим путем. Образовавшийся в результате пируват под влиянием пируватдекарбоксилазы превращается а ацетальдегид, который затем восстанавливается НАД-Н₂-алкогольдегидрогеназой до этанола.

Суммарное уравнение:

С₆Н₁₂О_{6 =} 2 СН₃СН₂ОН + 2 СО₂

Обычно спиртовое брожение протекает при кислой реакци среды (рН 4-5). Если реакцию сместить в щелочную сторону (около рН 8), то в качестве основного конечного продукта будет глицерин.

2С₆Н₁₂О_{6 +} Н₂О= СН₃СООН+ СН₃СН₂ОН +2СН₂ОНСНОНСН₂ОН + 2СО₂

Кроме вторичных продуктов, при спиртовом брожении образуются побочные продукты- высшие спирты или сивушные масла.

Наибольшее практическое значение имеет вид дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Штаммы Saccharomyces cerevisiae подразделяют на расы верхового и низового брожения. Они используются в хлебопечении, получении спирта, пивоворении, виноделии, производстве кваса и некоторых кисломолочных продуктов.

Молочнокислое брожение лежит в основе силосования, квашения овощей, переработки молока в кисломолочные продукты, сыра, кислосливочного масла и т.п. Это брожение вызывается специфичной группой молочнокислых бактерий, которая очень разнообразна и широко распространена в природе.

Молочнокислые бактерии обитают на поверхности растений, в молоке, на пищевых продуктах, в кишечнике человека и животных. По форме палочки или кокки, не образуют спор, неподвижны, грамположительные, анаэробы или аэротолерантны, требовательны к источникам азота, используют только аминокислоты и растворимые формы белка, нуждаются в ряде витаминов.

Известны три типа брожения, вызываемого молочнокислыми бактериями:

1. Гомоферментативное молочнокислое брожение, при котором из глюкозы образуется в основном молочная кислота:
C₆H₁₂O₆ = 2 CH₃CHOHCOOH

Возбудители гомоферментативного брожения: Streptococcus lactis, S. cremoris, S. Thermophilus; Pediococcus damnosus; Lactobacillus bulgaricus, L. acidophilus, L. plantarum

Возбудители гетероферментативного брожения: Lactobacillus brevis, Lactobacillus cellobiosus, Leuconostoc cremoris, L. mesenteroides

3. Бифидоброжение, при котором из глюкозы образуются уксусная и молочная кислоты:
2C₆H₁₂O₆ = 3CH₃COOH + 2CH₃CHOHCOOH

Возбудители бифидоброжения: Bifidobacterium bifidum

Силосование протекает в три фазы. Первая фаза характеризуется развитием смешанной микрофлоры. На измельченной растительной массе начинают активно размножаться гнилостные, маслянокислые, молочнокислые бактерии, плесневые грибы, дрожжи и др. обычно обитающие на здоровых растениях. В результате деятельности молочнокислых бактерий среда подкисляется, при этом подавляется развитие гнилостной микрофлоры. Плесневые грибы переносят сильное подкисление, но являясь строгими аэробами, погибают в толще спрессованной растительной массы из-за отсутствия кислорода.

Во второй фазе – фазе главного брожения - преимущественно развиваются молочнокислые бактерии. Во второй фазе происходит смена молочнокислых бактерий – сукцессия. Сначала развивается кокковые формы Leuconostoc, Streptococcus lactis,а затем более кислотоустойчивые молочнокислые палочки Lactobacillus plantarum.

Третья фаза – конечная – связана с отмиранием молочнокислых бактерий, содержание молочной кислоты достигает 1-1,2%, что приводит к постепенному затуханию микробиологических процессов.

Различают два способа силосования: холодный и горячий. Холодный способ наиболее распространен, идет наименьшая потеря сухого вещества и получается корм хорошего качества.

Горячий способ используется при силосовании грубых малоценных кормов, при этом идет значительная потеря сухого вещества.

Сахарный минимум- минимальное содержание сахаров в растениях необходимое для того, чтобы конечное рН силоса составило 4,2.

Силос хорошего качества имеет следующими свойствами: кислый вкус, влажность 70%, оливково- зеленый цвет, запах ржаного хлеба или моченых яблок, рН 4-4,2.

2. Маслянокислое брожение пектиновых веществ.

3. Брожение и окисление клетчатки.

4. Неполное окисление углеводов и других органических соединений микроорганизмами с образованием кислот.

5. Окисление микроорганизмами углеводородов.
Процессы брожения, вызванные бактериями рода Clostridium.

Маслянокислое брожение – одно из звеньев круговорота углерода в природе. В результате брожения происходит минерализация сложных безазотистых органических веществ, а атмосфера обогащается углекислотой.

Возбудители маслянокислого брожения относятся к роду Clostridium. Все виды рода объеденены в группы в зависимости от способности сбраживать те или иные органические соединения.

Первая группа - сахаролитические виды, сбраживающие углеводы, крахмал или пектин, целлюлозу. Вторая группа- пртеолитические виды, сбраживающие аминокислоты.

Бактерии рода Clostridium строгие анаэробы, грамположительные подвижные палочки с клостридиальным или плектридиальным типом спорообразования, способны накапливать гранулезу перед спорообразованием, некоторые из них обладают способностью фиксировать молекулярный азот. Для возбудителей этого процесса маслянокислое брожение есть способ добывания необходимой для поддержания жизни энергии. Маслянокислые бактерии широко распространены в почве, навозе, загрязненных водоемах, в разлагающихся растительных остатках, молоке, на поверхности растений и т.д.

По преобладанию тех или иных конечных продуктов маслянокислое брожение подразделяется на истинно маслянокислое брожение (брожение глюкозы и крахмала), ацетонобутиловое брожение, брожение пектиновых веществ.

Маслянокислое брожение наблюдается повсюду, где безазотистые вещества разлагаются при отсутствии кислорода.

Процесс идет по схеме:

4C₆H₁₂O₆ = 3CH₃CH₂ CH₂COOH + 2CH₃COOH + 8CO₂ + 8H₂

Кроме масляной кислоты, в процессе брожения в заметных количествах образуется уксусная кислота, а при подкислении среды значительные количества бутилового спирта и ацетона.

Пектин разрушается микроорганизмами, содержащими ферменты протопектиназу, пектинэстеразу и пектиназу. Процесс брожения пектиновых веществ состоит из двух последовательных стадий. В первой стадии осуществляется гидролиз пектиновых веществ с образованием небольших цепочек, во второй идет дальнейшее сбраживание отдельных продуктов гидролиза до масляной кислоты, уксусной кислоты, CO₂ , Н₂ и Н₂О .

Возбудителями маслянокислого брожения пектиновых веществ являются бактерии рода Clostridium (Clostridium pectinovorum, Clostridium felsineum и др.) – подвижные спорообразующие палочки, облигатные анаэробы.

Пектиновое брожение применяется при технической обработке лубоволокнистых растений - льна, конопли канатника, джута, кенафы и др.

В почве целлюлоза может распадаться как в аэробных, так и в анаэробных условиях, в кислой или щелочной среде при низких или высоких влажности и температуре.

Анаэробный распад целлюлозы осуществляется различными спорообразующими бактериями, распространенными в почве, навозе, речном иле и сточных водах, разлагающихся растительных остатках, рубце жвачных животных. Большинство их относится к роду Clostridium.

Разложение целлюлозы с помощью микроорганизмов идет в несколько этапов. На первом этапе идет гидролиз полимера с участием ряда ферментов - целлюлазного комплекса. Сначала целлюлоза гидролизуется внеклеточным ферментом – целлюлазой с образованием дисахарида целлобиозы, а затем внутриклеточным ферментом – целлобиазой до моносахаридов (глюкозы):

nC₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O  nC₆H₁₂O₆

Второй этап – сбраживание глюкозы:
C₆H₁₂O₆  CH₃CH₂ CH₂COOH + CH₃COOH + CH₃CH₂OH +

CH₃CHOHCOOH + CO₂ + H₂

Микроорганизмы окисляющие целлюлозу вырабатывают ферменты целлюлазу и целлобиазу, вызывающие ее гидролиз до глюкозы, которую затем окисляют до СО₂ и Н₂О; промежуточными продуктами являются оксикислоты, которые являются энергетическим материалом для группы азотфиксирующих бактерий почвы, а уроновые кислоты участвуют в образовании гумуса. Схема окисления целлюлозы:

Среди грибов могут встречаться представители родов – Trichoderma, Fusarium, Alternaria, Cladosporium и др.

Синтез этих кислот идет при интенсивной аэрации. большое практическое значение имеет микробиологическое получение лимонной кислоты из углеводов с использованием Aspergillus niger.

Углеводороды относят к группе химически стойких органических веществ. Многие микроорганизмы способны окислять углеводороды, получая при этом необходимую им энергию и материал для синтеза структурных компонентов клетки. Разрушать углеводороды в природе могут представители родов: Methylomonas, Methylococcus, Pseudomonas, Nocardia, Mycobacterium, Arthrobacter, а также дрожжи рода Candida и ряд мицелиальных грибов. Они способны окислять углеводороды разных классов простого и сложного строения: метан, этан, пропан, бутан, бензол, толуол, нафталин и др. Эти микроорганизмы применяют для разведки месторождений нефти и газа, для борьбы со скоплениями метана в шахтах, а также для очищения почв и водоемов от загрязнений нефтью и продуктами ее переработки.

Конечные продукты окисления углеводородов - CO₂ и H₂O, а также ряд промежуточных продуктов – спирты, органические кислоты, эфиры и др.

Механизация сельского хозяйства приводит к загрязнению сельскохозяйственных земель значительным количеством углеводородов. Так, керосин, бензин, используемые в тракторных, автомобильных и других двигателях, мазут и дизельное топливо, попадая в почву, приводит к нарушению ее свойств, ухудшают экологическую ситуацию, а аварийные разливы нефти превращают почву в техногенную пустыню. В почве углеводороды могут окисляться различными микроорганизмами.

2. Минерализация азота.

3. Нитрификация.

4. Денитрификация.

5. Иммобилизация азота.
Превращение микроорганизмами азотистых веществ.

Азотистые вещества в природе находятся в форме органических и минеральных соединений. Органические соединения входят в состав гумуса, растительных и животных остатков, а также живых микроорганизмов. Минеральные соединения представлены солями азотной и азотистой кислот, аммонийными солями и молекулярным азотом. Все эти соединения в природе подвергаются постоянным превращениям. Эти превращения осуществляются в основном микроорганизмами, которые участвуют в круговороте азота в природе.

Огромное количество азота находится в воздухе. Однако большинству организмов, в том числе и растениям газообразный азот недоступен. Из большого разнообразия азотных соединений встречающихся в почве растения могут усваивать только минеральные.

Некоторую часть атмосферного азота связывают свободноживущие или симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы. В результате жизнедеятельности этих микроорганизмов почва обогащается усвояемыми формами азота.

Органические азотсодержащие соединения, в частности белки, попадающие в почву вместе с растительными и животными остатками, подвергаются минерализации до аммонийных соединений. Часть растительных остатков трансформируется в гумус – плодородный слой почвы. Превращение органических форм азотсодержащих соединений в минеральные, называется аммонификацией.

Аммонийная форма азота подвергается в почве окислению нитрифицирующими бактериями с образованием солей азотистой, а затем азотной кислоты. Этот процесс называется нитрификацией.

Нитраты и нитриты при определенных условиях могут восстанавливаться до молекулярного азота и улетучиваться из почвы, что приводит к значительным потерям доступных для растений форм азота. Процесс восстановления нитратов и нитритов до молекулярного азота называется денитрификацией.

Таким образом, микроорганизмы способны вызывать как мобилизационные процессы и накапливать доступные для растений минеральные азотсодержащие вещества, так и диаметрально противоположные им – иммобилизационные, обедняющие почву ценными для растений соединениями.

Разложение белков и других азотсодержащих соединений в почве сопровождается выделением аммиака. Этот процесс называется аммонификацией, или минерализацией азота. Процесс широко распространен в природе и является наиболее динамичным звеном в цикле азота.

Белки подвергаются разложению как аэробными, так и анаэробными бактериями, а также грибами и актиномицетами. Наиболее активными являются представители родов Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Proteus.

Микроорганизмы используют продукты распада белков как источник азота, углерода и энергии. Следовательно, аммонификация – акт дыхания и питания.

Разложение начинается с гидролиза белков с помощью протеолитических экзоферментов – протеаз, а затем внутриклеточных пептидаз до свободных аминокислот. Образующиеся аминокислоты используются для синтеза белков клетки или подвергаются дальнейшему расщеплению с образованием аммиака и других продуктов.

Внутриклеточное или внеклеточное расщепление аминокислот может идти четырьмя путями:

1. дезаминирования

2. окислительное дезаминирование

3. восстановительное дезаминирование

4. декарбоксилирование

Состав конечных продуктов зависит от условий, в которых протекает процесс аммонификации. При аэробном распаде белка основными конечными продуктами бывают аммиак, углекислый газ, сульфаты и вода. В анаэробных условиях при распаде белка образуются аммиак, амины (кадаверин и путресцин), углекислый газ, органические кислоты, меркаптаны, а также вещества с неприятным запахом – индол, скатол и сероводород.
Нитрификация.

Окисление аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты называется нитрификацией. Этот процесс был открыт С.Н. Виноградским, которому впервые удалось выделить возбудителей этого широко распространенного в почве процесса.

Процесс идет в две фазы, идущие последовательно одна за другой. В первой фазе происходит окисление аммиака до азотистой кислоты, возбудителями являются нитрозные бактерии, представители родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira:

2 NH₃ + 3 O₂ = 2 HNO₂ + 2 H₂O +ккал.

Во второй фазе нитрификации азотистая кислота окисляется до азотной кислоты, возбудителями являются нитратные бактерии родов Nitrobacter, Nitrobacter, Nitrococcus:

2 HNO₂ + O₂ = 2 HNO₃ + ккал.

Энергию окисления аммиака или азотистой кислоты нитрификаторы используют для синтеза органических веществ из СО₂ (хемосинтез). Бактерии нитрификаторы – хемолитоавтотрофы и строгие аэробы, грамотрицательные, различной морфологии – кокки, палочки или спирально изогнутые, в большинстве своем подвижные, с полярными или перитрихальными жгутиками.