Важнейшие биохимические процессы, вызываемые микроорганизмами, и их практическое значение

Микроорганизмы вызывают сложные превращения различных минеральных и органических веществ - соединений серы, фосфора, железа, азота, углерода и других элементов. В процессе своей жизнедеятельности микробы непрерывно синтезируют одни соединения и расщепляют другие, получая при этом нужные для клетки химические вещества и энергию.

Превращения веществ под влиянием микробов происходят повсюду в природе как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Многие из этих превращений имеют важное биологическое и народнохозяйственное значение.

Так, при гнилостном бактериальном разложении в природе растительных и животных остатков содержащаяся в них сера обычно освобождается в виде сероводорода. Сероводород образуется также в результате восстановления серной, сернистой и серноватистой кислот под действием особых десульфофицирующих бактерий. Оба эти процесса приводят к накоплению в почве и водоемах ядовитого для живых организмов сероводорода. Накопление сероводорода в почве вызывает гибель произрастающей на ней растительности. Если сероводород будет накапливаться в водоеме, то существование животных и растительных организмов в нем тоже может оказаться невозможным. Образование и накопление сероводорода иногда наблюдается в озерах и лиманах. Воды Черного моря на глубине более 200 м также насыщены сероводородом и являются ядовитыми для живых организмов.

Поэтому окисление сероводорода, в результате которого он утрачивает ядовитые свойства, а сера, входящая в его состав, получает удобную для усвоения форму сернокислых солей, имеет очень важное значение. Такое окисление сероводорода постоянно происходит в природе под действием серобактерий.

Многообразные превращения соединений фосфора сводятся в основном к двум процессам: к расщеплению фосфоросодержащих органических соединений до образования минеральных веществ и к переводу труднорастворимых фосфорнокислых солей в легкорастворимые. Оба указанных процесса происходят под влиянием различных микроорганизмов и играют большую роль в обогащении почвы фосфором и усвоении его растениями.

Широко распространены в природе превращения соединений железа, заключающиеся в переходе в результате окисления закисных солей этого элемента в окисные соединения под влиянием железобактерий.

Среди превращений соединений азота, вызываемых микробами, важнейшее место принадлежит процессам расщепления различных белковых веществ и мочевины, нитрификации, денитрификации и фиксации атмосферного азота.

Разложение белковых веществ (гниение) - явление, широко распространенное в природе. Поскольку изменения белков под действием микроорганизмов имеют особое значение для пищевой микробиологии, о них более подробно будет сказано отдельно.

Азотсодержащее вещество мочевина СО(МНа)2 является конечным продуктом распада белкового обмена в организме многих животных и человека. В моче человека содержится до 2,4% мочевины и в сутки ее выделяется с мочой около 30 г.

Население и животный мир земли ежегодно дают многие миллионы тонн мочевины, причем почти 50% этого вещества составляет азот, совершенно необходимый растениям и животным. Однако ни растения, ни животные не усваивают азот в форме мочевины. Огромное количество ее накапливалось бы в природе, если бы она не подвергалась разложению под действием особых аэробных бактерий - уробактерий. С помощью фермента уреазы эти бактерии разлагают мочевину с образованием аммиака и углекислого газа.

Распад органических азотистых веществ (в том числе и белков) до полной их минерализации с образованием аммиака называется аммонификацией.

Накапливающийся таким путем в форме аммонийных солей аммиак под влиянием особых бактерий может подвергаться дальнейшему превращению - нитрификации.

Нитрификацией называется процесс окисления аммиака (или солей аммония) в азотнокислые соли (нитраты). Возбудителями этого процесса, открытого в 1887 г. С. Н. Виноградским, являются нитрифицирующие бактерии.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и в природных водах, они играют важную роль в обогащении почвы азотистыми веществами, необходимыми для питания растений.

Денитрификация означает восстановление солей азотной кислоты (нитратов) до молекулярного азота.

Нитраты, образующиеся в почве, используются для питания не только растениями, но и денитрифицирующими бактериями.  Денитрифицирующие бактерии широко распространены в почве, навозе, в природных водах и т. д. Так как эти бактерии для своего питания используют нитраты, нужные растениям, и переводят их в не усвояемый растениями молекулярный азот, то деятельность денитрифицирующих бактерий может нанести большой ущерб плодородию почвы, особенно при плохой ее аэрации. Аэрация (насыщение воздухом) почвы в результате вспашки препятствует денитрификации ее бактериями, поскольку этот процесс протекает только в анаэробных условиях.

Способность денитрифицирующих бактерий восстанавливать нитраты до нитритов используется в пищевой промышленности при изготовлении некоторых мясных товаров, например, колбас. Для придания им устойчивой розово-красной окраски к сырью добавляют нитрат (селитру). Под действием бактерий он восстанавливается до нитрита, а последний, соединяясь с миоглобином (красящим веществом) мяса, придает ему розово-красную окраску.

Фиксация атмосферного азота означает связывание атмосферного азота некоторыми микроорганизмами. Уменьшение связанного азота в почве вследствие жизнедеятельности денитрифицирующих бактерий может в большей или меньшей степени возмещаться азотфиксирующими микроорганизмами, способными связывать (фиксировать) атмосферный азот, соединяя его с другими элементами. К числу таких микроорганизмов относятся некоторые водоросли и бактерии. Они играют большую роль в пополнении азотистых запасов почвы и повышении урожайности сельскохозяйственных культур.

Превращения соединений углерода, не содержащих азота, протекают в природе повсюду. Особое место среди этих превращений принадлежит различным бродильным процессам, многие из которых имеют важнейшее значение для технической микробиологии.

Брожением называется расщепление углеводов, спиртов, органических кислот под влиянием микроорганизмов. Среди бродильных процессов различают истинное брожение, протекающее в анаэробных условиях, и окислительные процессы, которые проходят в аэробных условиях и получили название - окислительные брожения.

К числу превращений безазотистых органических соединений относится также разрушение жира и жирных кислот. Среди многочисленных и сложных процессов, протекающих в природе под влиянием микробов, встречаются такие, которые имеют большое практическое значение в деятельности человека.

С точки зрения пищевой микробиологии особого внимания заслуживают различные виды брожения, разрушение жиров и гнилостные процессы.