Факультет

Студентам

Посетителям

Использование термофильных микроорганизмов в промышленности и медицине

Описанные особенности термофильных микроорганизмов делают весьма заманчивой перспективу использования их в различных отраслях промышленности.

Пока данной области сделано очень мало, хотя представляющиеся здесь возможности очевидны. К примеру можно взять хотя бы бродильную промышленность. Известно, что микробиологические процессы при высоких температурах осуществляются значительно быстрее, чем при обычно используемых в практике бродильных производств. В южных местностях, к тому же при высокой летней температуре, некоторые бродильные процессы подавляются, и для их интенсификации желательно было бы, вместо обычных микроорганизмов, применять термофильные или термотолерантные их формы. Например, летняя жаркая погода весьма осложняет работы на заводах уксусной кислоты. Аналогичное явление происходит и на спиртовых заводах.

Несмотря на отмеченные моменты, в бродильной промышленности пока используется лишь относительно теплолюбивая культура молочнокислой палочки Bact. delbrucki, весьма энергично образующая молочную кислоту. Термофильных возбудителей других процессов найти в природе пока не удалось, а искусственное их выведение только начинают изучать.

В последние годы в Советском Союзе значительная работа по практическому использованию термофильных микроорганизмов была проведена Имшенецким (1944). Наличие его опубликованных работ делает излишним детальный разбор поднятых вопросов; в настоящей работе, имея в виду дать лишь общее представление о возможности практического использования термотолерантных и термофильных микроорганизмов, данный весьма важный раздел мы разбираем в самых общих чертах.

К настоящему времени известное практическое применение нашли термофильные целлюлозоразрушающие микроорганизмы. Имшенецкий рекомендовал их культуры использовать для испытания целлюлозных материалов. Специальные ткани, рыболовные сети, покровы кабеля и прочие материалы подвергают пропитыванию различными бактерицидными веществами для предупреждения разложения микроорганизмами. Без подобной обработки отмеченное оборудование подвергается быстрой порче, чем приводит к большим экономическим потерям.

До последнего времени для сравнительной оценки качества отдельных антисептиков обработанные ими ткани или волокна помещались в почву или подвергались действию смешанной микрофлоры конского навоза. При проведении эксперимента испытываемые тест-объекты подвергались периодическому испытанию на прочность. Таким путем создавалось впечатление о консервирующем действии тех или иных химических веществ.

Отмеченные нами методы, как это очевидно без особых объяснений, весьма несовершенны. Прежде всего, проводимые этими методами испытания требуют значительного времени (8—10 дней). Помимо того, разобранные приемы испытаний не могут гарантировать стандартных результатов, так как в отдельных случаях для работы берется совершенно различная микрофлора. Это мешает сопоставлять данные, полученные в различное время.

Имшенецкий предложил значительно более совершенную методику, основанную на применении обогащенных культур термофильных целлюлозразлагающих бактерий. Это дает возможность проводить работу в совершенно стандартных условиях.

Сущность метода Имшенецкого состоит г следующем. Исследуемые целлюлозные материалы помещают в большие стеклянные банки и заливают средой Вильджона и Фреда. Последняя имеет следующий состав:

1.5 г Na NH4 НРO4∙4Н2O, 0,5 г КН2 РO4, 0.5 г К2НРO4, 0.4 г MgSO4, 0.1 г NaCl, по 1 капле 1%-ного раствора, 5.0 г пептона, 15.0 г фильтровальной бумаги, 2 г CaCO3, 1000 мл водопроводной воды. Значение pH среды равно 7.0. К ней добавляется 0.25% печеночного экстракта или 10% фекального экстракта.

Количество материалов, подвергающихся испытанию, не должно превышать 3% от веса добавляемой питательной среды. Затем в сосуды добавляют 10% двух-трехсуточной хорошо бродящей культуры целлюлозных бактерий и помещают их в термостат на 60°. Для предотвращения всплывания материалов на них сверху накладывают груз.

В качестве контроля производят сбраживание в таких же условиях испытуемых материалов, но не пропитанных соответствующими бактерицидными составами. В зависимости от характера испытуемых материалов их извлекают из сосудов через различное число дней и производят определение их прочности на разрыв с помощью специальных приборов.

Испытание материалов при описанном способе обычно продолжается не более 2—4 дней. Способ с успехом был применен во многих специальных лабораториях. Сопоставление показаний термофильного метода с производственными данными подтвердили его безусловную годность.

К настоящему времени до известной степени подработан способ сбраживания клетчатки каучуконосов с помощью термофильных микроорганизмов. Существующий прием переработки каучуконосов заключается в том, что корни кок-тау или крым-сагыза укладывают в бурты, и развивающаяся в них бактериальная и грибная микрофлора мацерирует корни. При периодическом увлажнении и перемешивании буртов процесс заканчивается в 20—30 дней. В дальнейшем корни подвергаются обработке, включающей действие щелочи и направленной к тому, чтобы освободить каучук от посторонних примесей.

В лабораторных условиях Имшенецкий (1939—1940) показал, что обогащенные культуры анаэробных целлюлозных бактерий могут провести мацерацию корней каучуконосов за 20—40 часов.

На основании работы о термофильных клетчаткуразрушающих бактериях своеобразный метод обработки каучуконосов предложил Филиппов (1945). Он рекомендовал использовать в буртах из каучуконосов добавки навоза. Богатый питательными для микробов веществами навоз способствует бурному развитию микрофлоры и возникновению термогенеза. Развившиеся в среде термофилы обусловливают быстрое освобождение каучука от клетчатки.

Близкое участие принимают целлюлозные термофильные бактерии в образовании «целлюлозного» газа. В разделе о термофильной микрофлоре сточных вод мы отмечали, что образующиеся в них осадки, состоящие в основном из клетчатки, подвергаясь разложению, дают большое количество газа. В значительной степени (на 70—75%) он состоит из метана; углекислота и небольшая часть водорода являются остальными его компонентами. Подобного рода газ используется в качестве топлива, так как его теплотворная способность исключительно высока.

В настоящее время рекомендуют процесс сбраживания осадков проводить при повышенной температуре (45—48°). Это значительно сокращает время, необходимое для переработки газа. Технология получения целлюлозного газа разработана довольно детально.

Совершенно очевидно, что при получении «целлюлозного» газа работа ведется смешанной микрофлорой, и применение чистых культур здесь немыслимо. Это приводит к тому, что в отдельных случаях состав получаемого газа весьма колеблется. Регулирование процесса брожения осадка, конечно, возможно, но этот процесс еще недостаточно изучен.

Следует еще раз вспомнить, что, по данным Имшенецкого, термофильные целлюлозные бактерии, разлагая клетчатку, образуют из газообразных продуктов лишь углекислый газ и водород. Метан выделяется при распаде органических соединений, полученных при разрушении клетчатки. Этот процесс вызывается разнообразными спутниками целлюлозных бактерий. Таким образом, в производстве приходится иметь дело с метабиотическим сообществом микробов.

При распаде клетчатки, вызываемом обогащенными или чистыми культурами термофильных целлюлозных бактерий, образуются органические кислоты и этиловый спирт. Этот момент дал повод для разработки технических приемов получения отмеченных выше соединений из различных отходов сельскохозяйственного производства. При термофильном брожении спирт и кислоты могут быть получены из свекловичного жома, пшеничных отрубей, кукурузных кочерыжек и тому подобных продуктов. Растительное сырье (опилки сахарного клена, дуба и березы, листья древесных растений и т. д.), богатое лигнином, удовлетворительно сбраживается лишь после удаления из них лигнина.

Брожение рекомендуется вести в алюминиевых чанах. Внесенное в них растительное сырье заливается питательной средой, содержащей хлористый или сернокислый аммоний и фосфаты. Для нейтрализации образующихся кислот в среду добавляется мел. Некоторые исследователи рекомендует брать, вместо него, MgCO3, КНСO3 или NaHCO3.

Клетчатка должна составлять 6—8% массы питательной среды. Питательная среда заражается обогащенной культурой термофильных целлюлозных бактерий или конским навозом, богатым термофильной микрофлорой.

Брожение проводят при 50—60° в продолжение 5—7 дней. Химический состав получающихся при брожении клетчатки продуктов разбирался в общей части настоящей работы. Надо, однако, иметь в виду, что в практической обстановке дело приходится иметь не с чистой целлюлозой, а с растительным материалом, в состав которого входят разнообразные соединения. Их присутствие сильно сказывается на выходах, так как эти вещества также перерабатываются смешанной микрофлорой закваски. Неудивительно поэтому, что состав конечных продуктов брожения в отдельных случаях довольно сильно варьирует. Это зависит как от применения нестандартных заквасок, так и от пестроты используемого растительного материала.

Можно указать, что способ термофильного сбраживания Целлюлозы для получения спирта и кислот не получил пока широкого использования. Препятствием к его внедрению является небольшая концентрация веществ, получающихся в сбраживаемой жидкости, а также нестандартный характер образующихся продуктов. Вместе с тем полупроизводственные опыты, проведенные как в Советском Союзе, так и за границей, дали обнадеживающие результаты (см. литературу о термофильном разложении клетчатки). Это заставляет вести работу по усовершенствованию метода термофильного сбраживания веществ, богатых клетчаткой.

Имшенецкий считает, что для разбираемой отрасли промышленности должны быть использованы симбиотические культуры. Следует полагать, что лишь после того как микробиологи смогут по своему желанию создавать нужные комбинации микробов в заторе, рассматриваемый нами прием использования отходов сельскохозяйственного сырья найдет себе широкое применение.

Вещества, получавшиеся отдельными исследователями при анаэробном сбраживании клетчатки, были рассмотрены в главе, посвященной физиологии термофильных бактерий. Здесь отметим лишь, что основными продуктами брожения являются органические кислоты (уксусная, масляная и молочная). Их выход доходит до 40% от сброженной клетчатки. Больше всего образуется уксусной кислоты. Масляной кислоты накопляется значительно меньше. Количество молочной кислоты подвержено сильным колебаниям. Обычно ее содержание увеличивается при замедленном брожении. Этиловый спирт накопляется в относительно небольшом количестве. Аэрация увеличивает его выход.

Из газообразных продуктов наиболее постоянными являются водород и углекислый газ. Иногда обнаруживается метан. Его выход обычно возрастает при исчезновении этилового спирта. В общем имеются большие возможности практического использования термофильных целлюлозуразлагающих бактерий, но они далеко не полностью пока реализованы.

Значительных успехов в применении амилазы термофильных бактерий добился Имшенецкий. Препараты амилазы довольно широко применяются в различных отраслях промышленности, но во многих случаях целесообразнее пользоваться ферментными препаратами, полученными из термофильных бактерий, как обладающими значительно большей производительностью и быстротой действия. Имшенецкий показал, что амилаза, выделенная им из культуры детально изученной спороносной термофильной палочки Bac. diastaticus, в 5—10 раз скорее производит гидролиз декстринов, чем Bac. mesentericus, амилаза которого находит себе практическое применение.

Фермент Bac. diastaticus в течение 2 минут столь сильно разжижает 3%-ный крахмал, что его скорость истечения из вискозиметра приблизительно соответствует скорости прохождения воды. Более концентрированные растворы крахмала разжижаются медленнее.

Энергичное действие амилазы термофильных бактерий происходит лишь при температуре 70—90°; при более низких температурах активность амилазы довольно резко снижается.

Культура, имевшаяся у Имшенецкого, быстро переводила нерастворимый крахмал в растворимый, а последний — затем в декстрины. Осахаривание растворимого крахмала шло, однако, более медленно. Для амилазы этого микроба вполне благоприятен был интервал pH в 4.6—7.9 с оптимумом между 5.5—7.9. Таким образом, амилаза термофильных бактерий по своей активности при нейтральной и слабо щелочной реакции резко отличается от амилазы грибов из рода Aspergillus и солода.

Имшенецкому удалось разработать схему производства бактериальной амилазы, используя культуру Bac. diastaticus.

Сущность производства препаратов амилазы из термофильных бактерий (препарат был назван «супербиолазой») не сложна. На питательной среде, состоящей из картофельного отвара с 0.1 % мела или картофельных отрубей, разводят при 60° культуру Bac. diastaticus, при достаточной степени аэрации. Когда контрольные пробы покажут наличие в среде достаточного количества фермента, развитие культуры приостанавливается. Если фермент применяется на месте его производства, то жидкая культура может быть использована как таковая. В том случае, если препарат нужно транспортировать, то из культуры готовят сухую супербиолазу с помощью высушивания или осаждения с фермента.

Высушивание культуры осуществляют в вакуум-аппаратах при температуре, не превышающей 80°. Если пользуются методом осаждения, то к культуре прибавляют сернокислый аммоний в количестве 60 кг на 100 л среды. Выпавший осадок фильтруют через полотняные фильтры или фильтрпрессы. Осадки высушивают вместе с тканью, собирают с них и просеивают. Из 10 л жидкой культуры получается около 50 г сухой супербиолазы.

Осажденный сухой ферментный препарат представляет собой сыпучий серо-коричневый, не гигроскопический порошок.

Имшенецкий указывает, что ферментные препараты термофилов могут быть применены в тех случаях, когда необходимо быстрое разжижение крахмала и сравнительно незначительное осахаривание. Супербиолазу можно рекомендовать для разжижения крахмалсодержащих заторов в бродильных производствах. Однако до сих пор этот препарат в бродильной технике не нашел применения.

Супербиолазой пользуются в текстильной промышленности для удаления крахмала с хлопчатобумажных или камвольных тканей. В обоих случаях желательно не полное осахаривание крахмала, а только перевод его в декстрины. Для расшлихтовки ткань обычно пропитывают раствором, содержащим амилазу, затем на несколько часов укладывают в чаны. Применение супербиолазы дает возможность перейти на непрерывную и быстро осуществляемую расшлихтовку, а также отказаться от расходов пищевого сырья. До последнего времени для получения амилазы использовали зерновые материалы.

Не менее целесообразно могут быть использованы протеиназы термофильных бактерий, свойства которых также были обстоятельно изучены Имшенецкими его сотрудниками. Получение сухих препаратов протеиназ не представляет трудности и может производиться методами, весьма близкими к применяемым при выработке бактериальной амилазы («супербиолазы»). Здесь, однако, приходится ограничиваться лишь некоторыми перспективными указаниями, так как препараты протеиназ термофильных бактерий в практику еще не вошли.

Имшенецкий делал попытки освобождения шелка от серицина, т. е. обесклеивания его протеиназами термофильных бактерий. При практическом осуществлении подобный прием дал бы возможность освободиться от обычно применяющейся химической обработки шелка. Опыты Имшенецкого относятся к периоду перед Великой Отечественной войной. В недавно опубликованной сводке Гауграна имеется указание на аналогичное применение протеиназа для обработки шелка, предложенное Катагири и Никахама.

По мнению Имшенецкого, целесообразно было бы использовать в сыроделии химозин термофильных бактерий, вместо сычужного фермента. Протеолитические ферменты термофилов, повидимому, могут в некоторых случаях заменить химическую обработку сырья животного происхождения, как, например, при чистке шерсти животных, получении клея из костей, и т. д.

Можно отметить, что по некоторым данным, термофильный процесс используется для мацерации растительных тканей при получении из них масла.

В общем же следует считать, что практическое использование чистых культур термофильных микроорганизмов и вырабатываемых ими ферментов в настоящее время осуществляется недостаточно.

Делаются попытки получения лечебных препаратов из культур термофильных микробов. Отдельные наблюдения (в частности работа, проделанная в нашей лаборатории) показывают, что среди термофильных бактерий и актиномицетов имеются виды, активно вырабатываюпще антибиотически действующие вещества. Некоторые из них обладают довольно широким спектром и угнетают как грам-положительные, так и грам-отрицательные формы бактерий. Между тем общие соображения явно говорят за целесообразность более детального изучения термофильных микробов-антагонистов, Как нам известно, термофилы биохимически весьма активны. Это может обеспечить быстрое накопление ценных веществ в среде. Вещества, вырабатываемые термофилами, очень устойчивы к действию повышенной температуры. Это обстоятельство облегчает очистку соединений, накопленных в культурах термофилов. Наконец, среди термофильных микроорганизмов до сих пор не найдены возбудители болезненных явлений у человека и животных, Это облегчает отбор перспективных культур по признаку патогенности и токсигенности.

На основании отдельных сообщений, можно судить, что сейчас возрастает интерес и к термофильным грибам как производителям антагонистически действующих веществ.

Сделанный нами обзор о возможностях использования в промышленности и медицине культур термофильных микроорганизмов показывает, что здесь имеются большие возможности. Из них реализована в настоящее время лишь весьма небольшая часть.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: