Краткая история развития микробиологии и роль русских ученых в её развитии. Задачи технической микробиологии

 

Краткая история  развития микробиологии и роль русских  ученых в её развитии. Задачи технической  микробиологии.

 

 

1.1История развития микробиологии.Несмотря на то, что микробиологические процессы использовались человеком издавна, а живая природа возбудителей заразных болезней предполагалась еще до нашей эры, развитие микробиологии обязано опытам голландского исследователя Антони ван Левенгука (1632—1723), Увлекаясь шлифованием линз, Левенгук при помощи самодельного микроскопа впервые в истории человечества увидел микроскопические существа, которые мы называем теперь микробами. Хотя его оптическое устройство составляло лишь третью часть максимального увеличения современного микроскопа, Левенгуку почти за полувековой срок исследования микромира удалось обнаружить и описать многих простейших, водорослей, дрожжей и бактерий. Первый рисунок микроорганизмов был сделан им в 1683 г., а в 1695 г. вышла первая монография по микробиологии, названная «Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком». Она явилась результатом наблюдений за микробами, находящимися в настоях, зубном налете, уксусе и т. д., которые он тщательно описал в 120 письмах, направленных Лондонскому Королевскому Обществу.  
Работы Левенгука послужили началом так называемого морфологического периода в развитии микробиологии, который был малорезультативным, однако продолжался 100 лет, пока не изменилось качество микроскопов. Но уже с середины XVIII в. ставили микробиологические опыты, чтобы доказать отсутствие самозарождения жизни. Удар по теории самозарождения нанесли результаты исследований итальянского священника Лаццаро Спалланцани, затем Франсуа Аппера, Луи Пастера, английского физика Джона Тиндаля. Они доказали, что живые существа не возникают спонтанно из неживой природы, а проникают в питательный настой, который использовали в экспериментах, вместе с воздухом. Эти работы нашли впоследствии применение для обеззараживания путем прогревания герметизированных продуктов, жидких сред однократно или дробно.  
Наш соотечественник М. М, Тереховский (1740—1796) в 1775 г. в г. Страсбурге защитил диссертацию по инфузориям, в которой впервые применил экспериментальный метод. Воздействуя физически и химически, он доказал живую природу встречающихся в настоях микробов, чувствительность их к температуре, электричеству, кислоте сулеме и потребность в кислороде. М. М. Тереховский ввел кипячение инструментов как способ их обеззараживания.  
Французский ученый-химик Луи Пастер (1822—1895) доказал, что наряду с морфологическими различиями микробы отличаются друг от друга особенностями метаболизма. Кроме того, Пастер изучил процессы брожения и обнаружил анаэробную жизнь некоторых микробов.После изучения болезни шелковичных червей Пастер задумывается над ролью микробов как возбудителей болезни. До его работ в этой области болезнь рассматривали как самопроизвольное изменение крови и соков. Опытами с сибиреязвенным микробом, выделенным в чистую бульонную культуру, Пастер доказал этиологию сибирской язвы. (Опыт, проведенный еще в 1855 г. Брауэлем в Дерптском, ныне Тартуском, университете по воспроизведению инфекции путем заражения патологическим материалом, содержащим палочковидный микроб, у оппонентов вызывал сомнение из-за возможности пассивного переноса некоего вещества флагестона). В исследованиях Пастера гибель животных вызывал осадок бактерий, тогда как после введения прозрачной надосадочной жидкости питательного бульона заболевания не наступало.  
Поскольку болезни животных вызывают микробы, Пастер приступает к разработке средств борьбы с ними. Случай с ослаблением вирулентности возбудителя холеры кур (названного позже пастереллой) в результате длительного хранения на питательной среде при беспрепятственном доступе воздуха Пастер использовал для обоснования возможности аттенуации, то есть устойчивого ослабления вирулентности возбудителей, что делало их пригодными для вакцинации. В 1881 г. он разрабатывает технологию приготовления вакцины против сибирской язвы, затем против рожи свиней и бешенства. Несмотря на то, что впервые вакцина была изготовлена (и названа) в 1796 г. Дженнером, научно обоснованные методы ослабления вирулентности возбудителей являются приоритетом Пастера. Не случайно поэтому его называют отцом иммунологии. Всемирное признание заслуг ученого выразилось в открытии в Париже в 1888 г. института для Пастера, выстроенного на средства, собранные по международной подписке.  
Другим крупным ученым в области микробиологии был немецкий врач Роберт Кох(1843—1910). Он окончательно доказал этиологию сибирской язвы, открыл спорообразование у сибиреязвенного микроба, открыл возбудителя туберкулеза, разработал метод выделения чистой культуры бактерий и а плотных питательных средах, автоклавирование, ввел понятие о дезинфекции, изобрел туберкулин.  
С Пастером сотрудничал наш соотечественник Илья Ильич Мечников (1845— 1916). Известен ряд его работ в области микробиологии и иммунологии, в частности по воспроизведению сифилиса, изготовлению цитотоксических сывороток; но наиболее популярными и важными являются исследования взаимодействия молочнокислых и гнилостных бактерий и фагоцитоза. Первые развились в учение об антагонизме и послужили теоретической предпосылкой для открытия антибиотиков и изыскания способов продления жизни человека. Вторые сложились в стройную теорию иммунитета. Мечников первым попытался осмыслить механизм противомикробной защиты и предугадать огромное значение фагоцитарной реакции для защиты организма. В 1908 г. Мечников \"получил первую Нобелевскую премию по иммунологии вместе с Паулем Эрлихом (1854—1916), автором теории боковых цепей.  
Значительный вклад в развитие микробиологии внес С. Н. Виноградский (1856— 1953). Им разработаны накопительные питательные среды, получены в чистой культуре нитрифицирующие бактерии, открыты свободноживущие азотфиксирующие бактерии и, самое главное, впервые доказано наличие у микробов хемосинтеза — процесса синтеза органических веществ из углекислоты и воды. До этого биосинтез считался единственным процессом у бактерий.  
Большой вклад в развитие общей микробиологии внесли русский микробиолог С. Н. Виноградский (1856—1953) и голландский микробиолог М. Бейеринк (М. Beijerinck, 1851—1931). Оба много и плодотворно работали в разных областях микробиологии. Впитав идеи Л. Пастера о многообразии форм жизни в микромире, С. Н. Виноградский ввел микроэкологический принцип в исследование микроорганизмов.  
Для выделения в лабораторных условиях группы бактерий с определенными свойствами С. Н. Виноградский предложил создавать специфические (элективные) условия, дающие возможность преимущественного развития данной группы организмов. Поясним это примером. С. Н. Виноградский предположил, что среди микроорганизмов есть виды, способные усваивать молекулярный азот атмосферы, являющийся инертной формой азота по отношению ко всем животным и растениям. Для выделения таких микроорганизмов в питательную среду были внесены источники углерода, фосфора и другие минеральные соли, но не добавлено никаких соединений, содержащих азот. В результате в этих условиях не могли расти микроорганизмы, которым необходим азот в форме органических или неорганических соединений, но могли расти виды, обладавшие способностью фиксировать азот атмосферы. Именно так С. Н. Виноградским в 1893 г. был выделен из почвы анаэробный азотфиксатор, названный им в честь Л. Пастера Clostridium pasteurianum.  
Пользуясь изящными методическими приемами, в основу которых был положен микроэкологический принцип, С. Н. Виноградский выделил из почвы микроорганизмы, представляющие собой совершенно новый тип жизни и получившие название хемолитоавтотрофных. В качестве единственного источника углерода для построения всех веществ клетки хемолитоавтотрофы используют углекислоту, а энергию получают в результате окисления неорганических соединений серы, азота, железа, сурьмы или молекулярного водорода.  
В 70-х годах XIX в. русские врачи В.А. Маннасёин и А.Г. Полотебнов установили бактерицидные свойства плесневых грибов и эффективность экстрактов их культур при лечении инфицированных язв и ран. Для этого направления ведущее значение имело открытие А. Флемингом пенициллинов (1928). Следствием этой знаменитой «случайности» (в открытую чашку Петри со стафилококками нечаянно попала плесень P. notatum, образовавшая зону задержки роста) явилось получение чистого пенициллина (X. Флори и Э. Чейн, 1940) и начало новой эры в химиотерапии.  
Первый отечественный пенициллин (крустозип) был получен З.В. Ермольевой из P. crustosum в 1942 г. Безусловно, без предшествующих многолетних исследований, в том числе и отечественных учёных, эта «случайность» вряд ли была столь плодотворной. Более того, в 1985 г. в архивах Лионского университета была найдена диссертация рано скончавшегося студента-медика (Эрнест Августин Дюшене), за сорок лет до Флеминга подробно характеризующая открытый им препарат из плесени P. notatum, активный против многих патогенных бактерий.

 

Омелянский Василий Леонидович [26.2(10.3).1867, Полтава, ≈ 21.4.1928, Гагра], советский микробиолог, академик АН СССР (1923; член-корреспондент 1916). Ученик С. Н. Виноградского. Окончил Петербургский университет (1890). В 1893≈1928 работал в Отделе общей микробиологии института экспериментальной медицины, с 1912 заведующий отделом. Основные работы по выяснению роли микроорганизмов в круговороте азота и углерода в природе. Предложил методы выделения и культивирования нитрифицирующих бактерий, изучал их морфологию и физиологию. Впервые выделил культуры анаэробных и спороносных бактерий, сбраживающих клетчатку с образованием органических кислот и водорода. Изучал аэробную азотфиксирующую бактерию (из рода азотобактер) и доказал существование бактерий, образующих метан из этилового спирта. Установил, что количество усвояемого азотфиксирующими микроорганизмами азота пропорционально усвоению органического вещества. Первый указал на возможность применения микроорганизмов как химических индикаторов. Редактор журнала «Архив биологических наук» (1906≈28). Его книги «Основы микробиологии» (1909) и «Практическое руководство по микробиологии» (1922) способствовали формированию нескольких поколений советских микробиологов.  
Худяков, Николай Николаевич (1866—1927) — сов. микробиолог. Образование получил в Берлин. и Лейпциг. ун-тах. С 1896 — проф. Моск. с.-х. ин-та (позже Моск. с.-х. академии им К. А. Тимирязева) и одновременно (1909—17) Моск. коммерческого ин-та. Труды посвящены вопросам анаэробиоза и почвенной микробиологии. В работе "К учению об анаэробиозе" (1896) установил возможность культивирования анаэробов в присутствии кислорода и высказал положение, что анаэробиоз у бактерий является приспособлением к условиям существования. В области почвенной микробиологии открыл (совм. с сотрудниками) явление адсорбции бактерий частицами почвы, что имеет большое значение для их активности в почвенных процессах.  
Автор первого на рус. языке курса "Сельскохозяйственная микробиология" (1926), имевшего большое значение для развития микробиология в СССР.

 

1.2После открытия микроорганизмов прошло три столетия, и наука занимающиеся их изучением - МИКРОБИОЛОГИЯ - заняла достойное место среди других биологических и медицинских наук. Микроорганизмы широко распространены в природе. Они находятся в воздухе , почве , пище , на окружающих нас предметах , на поверхности и внутри нашего организма . Такое широкое распространение микробов свидетельствует об их значительной роли в природе и жизни человека. Микроорганизмы обуславливают круговорот веществ в природе, осуществляют расщепление органических соединений и синтез белка. С помощью микроорганизмов происходят важные производственные процессы : хлебопечение , производство ферментов , гормонов , антибиотиков и других в-вв.

Наряду с полезными микроорганизмами существует группа патогенных микробов - возбудители различных заболеваний человека , животных , растений . Микроорганизмы были открыты в конце 18 века, но микробиология как наука сформировалась только в начале 19 века , после гениальных открытий французского ученого Луи Пастера .

В связи с огромной ролью и  задачами микробиологи не может справится  со всеми вопросами в пределах одной дисциплины и в следствие  этого происходит ее дифференцировка  в различные дисциплины .

Общая микробиология - изучает морфологию , физиологию , биохимию микроорганизмов , их роль в круговороте в-в и распространение в природе.

Техническая микробиология - входит изучение микробов участвующих в производстве антибиотиков , спиртов , витаминов , также  разработка методов защиты материалов от воздействия микроорганизмов .

Сельскохозяйственная микробиология - изучает роль и значение микробов в формирование структуры почвы , ее плодородия , минерализация и  питание растений .

Ветеринарная микробиология - изучает  возбудители заболеваний у животных , разрабатывает методы специфической профилактики и терапии инфекционных заболеваний .

Медицинская микробиология - рассматривает  свойства патогенных и условно - патогенных микробов , их роль в развитие инфекционного  процесса и иммунного ответа , разрабатывает методы лабораторной диагностики и специфической профилактики и терапии инфекционных заболеваний .

Вирусология - изучает неклеточные  микробы - вирусы , их природу ,химический состав , взаимоотношение с клеткой  хозяина , механизмы внутриклеточного паразитизма и т.д.

Важнейшими задачами медицинской  микробиологии , вирусологии , иммунологии  является дальнейшие изучение роли отдельных  видов патогенных агентов в этиологии  и патогенезе различных заболеваний  людей , в том числе в возникновение опухолей , а также механизмов формирования наследственного и приобретенного иммунитета , разработка методов лечения и профилактики инфекционных заболеваний при помощи иммунологических и химиотерапевтических средств и методов специфической диагностики , в том числе экспресс-методов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значение энергетического  обмена. Изложите сущность и химизм брожения у микроорганизмов. Примеры.

 

Энергетический обмен — совокупность реакций окисления органических веществ в клетке, синтеза молекул  АТФ за счет освобождаемой энергии. Значение энергетического обмена — снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности .

 

Брожение - анаэробный ферментативный окислительно-восстановительный процесс превращения органических веществ, посредством которого многие организмы получают энергию, необходимую для их жизнедеятельности. Брожение - эволюционно более ранняя и энергетически менее рациональна форма получения энергии из питательных веществ по сравнению с кислородным дыханием. К брожению способны бактерии, многие микроскопические грибы и простейшие. Брожение также может наблюдаться в клетках растений и животных в условиях дефицита кислорода.

Сбраживанию подвергаются различные  вещества. Это углеводы, органические кислоты, спирты, аминокислоты и другие вещества. Продуктами брожения являются различные органические кислоты (молочная, масляная, уксусная, муравьиная), спирты (этиловый, бутиловый, амиловый), ацетон, также углекислый газ и вода. Широкое распространение природе имеет брожение молочнокислое, маслянокислое, уксуснокислое, спиртовое и др.

В основе молочнокислого брожения лежит  гликолиз, т е. ферментативное расщепление  глюкозы.

Для большинства организмов в отсутствие кислорода деградация глюкозы до пирувата — это единственная возможность получения энергии для синтеза АТФ. При этом для поддержания процесса гликолиза и синтеза АТФ образующийся НАДН + Н⁺ должен постоянно окисляться до НАД⁺. В организме высших животных этот процесс связан с восстановлением пирувата до лактата. У микроорганизмов регенерация НАД⁺ происходит по другим механизмам. К процессам этого типа относится брожение, или ферментация.

Процессы брожения с участием микроорганизмов  часто используются на практике при  производстве пищевых продуктов, алкогольных  напитков или консервировании. Все процессы брожения начинаются с образования пирувата и протекают только в анаэробных условиях.

 

 

 

 

1.Масляно-кислое брожение— это сложный биохимический процесс превращения сахара масляно-кислыми бактериями в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, диоксида углерода и водорода. 
Субстратами данного типа брожения являются в основном углеводы. Полисахариды расщепляются до моносахаридов, которые изомеризуются в глюкозу и подвергаются гликолитическому расщеплению до пирувата. Окислительное декарбоксилирование пирувата приводит к образованию ацетил-СоА с последующим образованием масляной кислоты. 
Глюкоза→масляная кислота + СО2 + Н2 + 63 кДж/моль. 
Масляная кислота является летучей жидкостью с очень неприятным запахом. Возбудители маслянокислого брожения широко распространены в природе и относятся к роду Clostridium (в дальнейшем Cl.), семейству Bacillaceace. Клетки грамположительные, палочковидные, форма клетки может изменяться в зависимости от условий среды. В молодом возрасте подвижны, имеют перитрихиальное жгутикование. Образует споры, диаметр которых бывает больше толщины клетки. Маслянокислые бактерии являются облигатными анаэробами, однако существуют все переходные формы: от строгих анаэробов (Cl. pasterianum, Cl. kluyveri) до почти аэротолерантных (Cl. histolyticum, Cl. acetobutylicum). Оптимальная температура роста 30…40 °C, но есть термофильные виды с оптимальной температурой 60…75 °C (Cl. thermoaceticum, Cl. thermohydrosulfucicum). 
Клостридии растут при нейтральной или щелочной реакции среды, поэтому нежелательный рост маслянокислых бактерий, например, в квашеной капусте, силосе, фруктовых консервах, сырых колбасах, можно полностью подавить, если продукт подкислить. Клетки клостридий образуют специфическое запасное вещество — гранулезу (крахмалоподобный полисахарид, окрашиваемый йодом в синеватый или коричневато-фиолетовый цвет) в виде гранул. 
Прототипом брожения, осуществляемого клостридиями, можно считать сбраживание глюкозы Cl. butyricum и Cl. acetobutylicum c образованием масляной и уксусной кислот, бутанола, этанола, ацетона, СО2 и Н2. Выход продуктов варьируется в зависимости от условий брожения. 
Для получения масляной кислоты в промышленном масштабе используют крахмалосодержащее сырье: картофель, зерновые и др. Крахмал гидролизуется 0,4…0,5 %-ной серной кислотой. После нейтрализации среды известью и добавления азотсодержащих веществ в питательную среду вносят маслянокислые бактерии. 
Масляная кислота представляет собой бесцветную жидкость с неприятным запахом, слабые растворы этой кислоты обладают специфическим сырным запахом. Эфиры масляной кислоты обладают приятными ароматами: метиловый имеет яблочный аромат, этиловый — грушевый, амиловый — ананасовый. Эфиры масляной кислоты как ароматические вещества используют в кондитерской и парфюмерной промышленности, при изготовлении фруктовых напитков. 
В зависимости от химического состава пищевых продуктов бактерии рода клостридиум в процессе маслянокислого брожения способны приводить к их порче. 
Таблица 1. Спектр субстратов и продуктов маслянокислого брожения некоторых бактерий рода Clostridium.

 

2.Брожение спиртовое, брожение алкогольное, биохимический процесс расщепления сахаров, происходящий в результате жизнедеятельности микроорганизмов или под влиянием выделенных ими ферментов.Приготовление спиртных напитков, основанных на брожении спиртовом, было известно людям в глубокой древности. Однако суть процесса превращения сахаров в спирт выяснена только в сер. 19 в. Химическое уравнение брожения спиртового дано французскими химиками А.Лавуазье (1789) и Ж.Гей-Люссаком (1815). Разноречивые мнения о сущности брожения привели к длительному научному спору между Л. Пастером и Ю. Либихом. Согласно химической теории Ю. Либиха молекулярные колебания белковых веществ передаются сахару, расшатывают его молекулу, превращая ее в молекулы спирта и диоксида углерода. Убедительные опыты Пастера в 1857 с использованием микроскопических организмов — дрожжей отвергли несостоятельную теорию Либиха. Пастером была защищена биологическая теория, определяющая брожение как результат анаэробного обмена веществ дрожжей. Работами С. П. Костычева и В. И. Палладина доказано, что анаэробный распад молекулы сахара является начальным этапом кислородного дыхания. В 1871 рус. врач-биохимик М. М. Манассеина первая указала на возможность бесклеточного брожения спиртового, а в 1897 братьями Э. и Т. Бухнер была раскрыта ферментативная сущность реакций процесса благодаря использованию простого метода получения бесклеточного дрожжевого сока, разработанного русским биохимиком А.Н. Лебедевым. Процесс брожения спиртового исследовался многими выдающимися отечественными и зарубежными биохимиками и физиологами: Л. А. Ивановым, А. Гарденом, К. Нёйбергом, Г. Эмбденом, О. Мейергофом, Я. Парнасом и др. Первый значительный шаг в изучении химизма брожения спиртового был сделан Ивановым и Лебедевым, доказавшими участие фосфатов в брожении сахарных растворов. Большое значение имело открытие Иванова, доказавшего, что анаэробному распаду при брожении подвергается не свободная молекула гексозы, а предварительно образующийся ее фосфорный эфир. Последующее изучение механизма Б. с. показало, что первым этапом химических реакций является гликолиз, объединяющий реакции, протекающие в живых клетках до образования пировиноградной кислоты. Эти реакции осуществляются с тем же запасом энергии и тем же ферментативным путем как в анаэробных (спиртовое брожение), так и в аэробных условиях (дыхание).

 

3.Молочнокислое и пропионовокислое брожение

Многие молочные продукты, такие, как  простокваша, йогурт или сыр, образуются путем брожения с участием молочнокислых бактерий. Последовательность реакций такая же, как и в организмах высших животных: пируват, образующийся главным образом в результате деградации дисахарида лактозы, восстанавливается лактатдегидрогеназой в лактат. Молочнокислое брожение также играет существенную роль при квашении капусты и силосовании кормов. Получаемые продукты хорошо хранятся, так как происходящее при брожении уменьшение величины рН тормозит рост гнилостных бактерий.