Способность хранящихся растительных веществ саморазогреваться была известна давно.
Так, в первые годы нашей эры на явления самонагревания указывал римский писатель Колюмелла (Columella). Приблизительно в 60-х годах первого столетия Плиний пытался даже объяснить самонагревание и воспламенение органических масс. Он, как и позднее Декарт, считал, что тепло образуется при внутреннем трении, происходящем при поднятии растительных соков.
Олеарий, посетивший Россию в первой половине XVII в., писал, что население в «Московии» широко пользуется разогревающимся навозом для утепления скотных дворов и парников.
В настоящее время известно, что различные самонагревающиеся вещества (навоз, компоста, сено, зерно и т. д.) сильно обогащаются термофильными микроорганизмами. В данных субстратах температура может подниматься до 50—70°, а иногда и выше. Создающаяся обстановка весьма благоприятствует развитию теплолюбивой микрофлоры и вызывает гибель мезофилов, имеющих низкий температурный максимум развития.
Совершенно очевидно, что, в зависимости от химического состава разогревающихся растительных масс и условий их нахождения, видовой состав размножающейся микрофлоры в отдельных случаях может достаточно сильно различаться.
В средах, имеющих повышенную температуру, термофильные микроорганизмы принимают самое ближайшее участие в превращениях органических и минеральных веществ. Однако появление термофильных микробов в самонагревающихся массах — это не только следствие повышения температуры, происходящей от каких-то причин, не связанных с деятельностью микрофлоры. В настоящее время достаточно наглядно показано, что собственно работа микробов обусловливает разогревание скоплений разнообразных органических материалов. Отсюда следует, что термофильные микроорганизмы сами активно принимают участие в создании того температурного режима, который наблюдается в разогревающихся массах.
Ниже в кратком изложении мы стараемся дать представление о ведущих факторах, вызывающих термогенез. Под последним явлением мы подразумеваем большее или меньшее повышение температуры хранящихся масс органических веществ.
Исследователям уже давно стало очевидным, что термогенез в значительной степени связан с деятельностью микробов и объяснить его чисто химическими причинами, как это иногда делалось, нельзя. Так, Кон, работавший с самонагреванием растительных материалов в период 1890—1893 гг., писал: «Процесс самонагревания обусловливается дыханием аэробных бактерий». Он ставил опыты с сырой травой в калориметре. Через восемь дней в калориметре с 3 кг травы температура с 18° поднялась до 57°. Отмечалось сильное подщелачивание разогревшейся массы, что связывалось, очевидно, с выделением аммиака. Одновременно было констатировано громадное увеличение числа микроорганизмов. Кон писал: «Без сомнения, эти бациллы были возбудителями брожения, которое было связано с выделением аммиака». Он полагал, что теплопродукция должна обусловливаться «сгоранием» при дыхании сахара и клетчатки.
Позднейшие экспериментальные работы вполне подтвердили, что разогревания стерильного материала не происходит. Отсюда вполне рельефно вырисовывалась роль микроорганизмов в разбираемом нами процессе. Однако до недавнего прошлого интимная сторона процесса самонагревания оставалась весьма слабо изученной. В ее выяснение существенный вклад внесли работы советских исследователей.
Для иллюстрации представлений о сущности термогенеза, имевшихся лет 25 назад, можно привести выдержку из работы Молиша (Molish, 1923): «Так как дыхание представляет собой окислительный процесс, то при этом должна развиваться теплота». Эта цитата показывает, что Молиш повторял лишь формулировку Кона, не внося в нее ничего нового.
Приведенные объяснения термогенеза страдали чрезвычайной общностью и не раскрывали механизма явления. На самом деле дыхание является весьма сложным физиологическим актом, включающим целую систему окислительно-восстановительных процессов; при этом только часть энергии, не использованной организмом, выделяется в виде тепла. В частности, для физиологических отправлений организм может использовать весьма разнообразные органические вещества, и, естественно, возникает вопрос, какие же из этих соединений служат материалом для термогенеза. С принципиальной же стороны объяснение Кона считалось вполне понятным, так как общеизвестно, что при окислительных реакциях вообще и при дыхании в частности в организмах выделяется в виде тепла значительная энергия.
К явлениям самонагревания с энергетических позиций подошел Рубнер (Rubner, 1906—1908). В первых же опытах, поставленных им методом непрямой калориметрии, Рубнер установил, что при образовании бактериальной массы Bad. vulgare на мясном бульоне происходит значительная потеря энергии. Так, например, образовавшиеся бактериальные клетки в описываемом опыте обладали калорийностью в 5.05 Кал, а при их образовании была обнаружена потеря 12.2 Кал. Отсюда становились понятными явления саморазогревания интересовавших Рубнера субстратов — солода, сена, навоза и т. д.
Позднее Веселов (1940) показал, что плесневые грибы используют для синтетических целей не более 5.0—10.0% энергии потребленных ими веществ. Остальная энергия выделяется главным образом в виде тепла. Он указал также, что чем выше энергетический потенциал веществ, потребляемых клеткой, тем больше освобождается при ассимиляции тепла.
Экспериментируя с чистыми культурами микроорганизмов, Рубнер натолкнулся на чрезвычайно интересное наблюдение. Оказалось, что бактерии, развиваясь на молоке, продуцировали больше тепла, чем это могло быть обусловлено превращением молочного сахара в молочную кислоту. Стало очевидным, что при разложении молока фигурируете качестве источников теплопродукции не только сахар, но белки, а возможно, и жиры. Ученик Рубнера Навьяский (Nawiasky), а также Терруан (Terroine) и Гольдин вполне подтвердили данное наблюдение; они пришли к выводу, что азотсодержащие вещества используются организмом не только в качестве пластического материала, но и для целей, имеющих большое термохимическое значение.
До отмеченных исследований полагали, что лишь углеводы могут служить основой, на которой развивается явление термогенеза.
В физиологии животных существует понятие о «специфическом динамическом действии». Характеризуя это понятие, Таусон пишет: «Специфическое динамическое действие является выражением потери энергии, происходящей в виде тепла». В своих опытах Рубнер показал наличие при микробных процессах совершенно тождественного явления.
Терруан (1924—1929) установил, что при ассимиляции сахаров плесневыми грибами теряется значительно меньше энергии, чем при питании белком. При усвоении аминокислот жирного ряда количество выделенного тепла (экстраэнергии) оказалось постоянным и равнялось в среднем 118 кал на 14 мг аммиачного азота. Перестройке углеродной цепочки ассимилируемых соединений в явлении термогенеза Терруан тоже придавал большое значение. На основании изучения физиологии грибов им был сформулирован так называемый «биоэнергетический закон», согласно которому организм может использовать для синтеза лишь энергию, освобождающуюся при превращениях трехчленных (углеводоподобных) органических соединений. Та же энергия, которая получается в процессе трансформации белков и жиров до стадии образования из них углеводоподобных соединений, выделяется в виде тепла.
Исследования Таусона и Веселова показали, что допущения Терруана были неточны, и организм может использовать энергию, которая им расценивалась как бесполезная. Тем не менее заслуга Терруана заключается в том, что он указал на причинную связь между явлением термогенеза и энергетикой питания микроорганизмов. Им было также показано, что белок используется менее экономно, чем сахар, и это обусловливает в первом случае большее выделение тепла.
Таким образом, размер теплопродукции при микробиологических процессах определяется характером физиологических процессов, происходящих при ассимиляции органических и минеральных веществ.
Вопрос о выделении тепла при распаде различных органических соединений был значительно углублен советскими исследователями. Мы считаем необходимым задержать внимание читателей на некоторых работах сотрудников Таусона (Гольдин и Равич, 1936).
Экспериментируя с Bad. vulgare, Гольдин весьма наглядно продемонстрировал, что данный микроорганизм, развиваясь на белковых веществах, продуцирует заметно больше тепла, чем при совершенно тождественном росте на сахарах. Таким образом, и здесь было подчеркнуто, что не только энергия размножения микробов, но и характер усваиваемого вещества оказывают сильное влияние на теплопродукцию. Отмеченные опыты были поставлены в сосудах Дюара.
Гольдин установил определенную закономерную связь между выделением тепла микроорганизмами и дезаминированием. Это указывает на то, что потеря энергии при разложении белка происходит главным образом при отделении NH2 групп. Произведенные же вычисления показывают, что при разложении белка дезаминация дает не более 25% всей экстратеплоты. Отсюда следует что, помимо дезаминации, при разложении белка и аминокислот происходят еще иные процессы, обусловливающие значительную потерю тепла.
Аналогичные эксперименты были поставлены Равич (1936) С грибками Aspergillus fumigatus и Penicillium sp. Эти микроорганизмы усваивали, наряду с белком и простыми сахарами» также клетчатку. На целлюлозе развитие шло заметно медленнее, чем на первых двух органических соединениях.
Результаты нескольких опытов Равич обобщены нами в диаграмме. Как и следовало ожидать, максимальная теплопродукция была отмечена на пептоне. Несколько слабее разогревалась среда, содержащая сахар. На клетчатке продукция тепла была ничтожна, что связывалось с чрезвычайно медленным развитием грибка. Таким образом, как это видно из приведенного опыта, и энергия размножения микроорганизмов в среде весьма существенно сказывается на термогенезе. Для высокого поднятия температуры должно быть обеспечено наличие соответствующих органических веществ и бурное развитие микробов.
В связи с последним положением следует отметить весьма интересные данные Веселова, который на основании своих опытов пришел к заключению, что теплообразование является не столько функцией содержания организма, сколько следствием роста и размножения клеток.
Соответствующие вычисления показывают, что величина энергетического обмена, т. е. количество образующейся энергий на 1 кг дышащих тканей (или клеток) примерно одинакова у весьма различных организмов в том случае, если они берутся в неразмножающемся состоянии. Так, например» энергетический обмен, вычисленный для указанных условий, за сутки равен у прорастающего зерна 1.117 Кал, а у аэробно живущих дрожжей — 1.008 Кал.
Однако вследствие того, что живая масса у микроорганизмов нарастает исключительно быстро, их деятельность определяет весьма высокий разогрев тех субстратов, где протекают микробиологические процессы, Установлено, что энергетический обмен у размножающихся в аэробных условиях дрожжей в 20 раз больше, чем у развивающегося зародыша семени. Это вполне понятно, так как у дрожжей масса нарастает в 25 раз быстрее, чем у зародыша растения, а последний растет в 130 раз быстрее, чем ребенок. Так как наибольшей энергией размножения обладают бактерии, особенно термофильные, то становится понятным, почему именно их развитие приводит к наибольшей продукции тепла. В свете рассмотренного становится понятной и роль кислорода в термогенезе,
Энергичная продукция тепла, как это было установлено Исаченко (1934), а затем подтверждено другими исследователями, происходит только в аэробных условиях. Данный вопрос считался весьма спорным и решался отдельными исследователями совершенно различно. Так, первоначально Кон (1893) утверждал, что при изготовлении кислого и бурого сена в обстановке, исключающей доступ кислорода, получается сильное саморазогревание. Правда, проводя опыты с хлопковыми очесами, он мог убедиться в ошибочности своих взглядов. «При исключении кислорода,— писал он, — самонагревание прекращается». К аналогичным заключениям пришел Миэ (1907—1930); Рубнер и Навьяский получили весьма неопределенные результаты.
Гольдин культивировал кишечную палочку в сосудах Дюара первоначально в анаэробных условиях, периодически продувая через среду водород. Затем сосуд был переключен на круглосуточную продувку воздухом. Эффект получился совершенно отчетливый. В анаэробных условиях за четыре дня в среде было выделено 1.305 Кал, несмотря на вполне удовлетворительное развитие бактерий. Температура среды при этом поднялась с 28 до 31°. За двое суток пребывания в аэробных условиях культура выделила 14.071 Кал, и температура поднялась до 38°.
Данный опыт вполне наглядно показывает роль кислорода в продукции тепла, развивающейся культурой микроба. Отмеченное положение хорошо иллюстрируется и общеизвестными уравнениями спиртового брожения и аэробного распада сахара, которые мы здесь считаем полезным напомнить. Можно указать, что при спиртовом брожении микроорганизмами используется для синтетических целей лишь небольшая часть энергии (около 4 Кал), остальная же энергия теряется в виде тепла. Абсолютные потери энергии при аэробном процессе, конечно, получаются значительно большими.
Таким образом, микробиологические процессы при анаэробиозе дают некоторое количество тепла, но его недостает для сильного разогревания органических масс.
Следует отметить, что явления термогенеза рельефно становятся осязаемыми лишь в условиях; затрудненной теплоотдачи. В противном случае тепловая энергия из среды, где развиваются микробы, рассеивается и субстрат заметно не разогревается. Это делает понятным, почему в практике отмечается разогревание лишь значительных скоплений различных материалов, т. е. таких масс, в которых может происходить аккумуляция тепла.
Сообщенные нами факты приводят к заключению, что деятельность любых аэробных бактерий, энергично размножающихся на том или ином веществе, приводит к явлению термогенеза. В том случае, если к среде имеется достаточный доступ воздуха и материал достаточно предохранен от потери тепла, наступает самонагревание. Приведенная нами установка получила всеобщее признание после работ (Исаченко и других ученых), показавших, что самонагревание как в лабораторных, так и природных условиях наступает под влиянием самых разнообразных микроорганизмов.
Последний вывод следует подчеркнуть, так как долгое время, под влиянием работ Кона и, отчасти, Миэ считали достоверно установленным существование в природе особых «термогенных» бактерий, продуцирующих значительное количество тепла.
Сейчас для нас очевидно, что не существует группы термогенных бактерий, а имеется термогенный процесс, при известных условиях приводящий к самонагреванию.
Возникает вопрос — какова же роль термофильных микробов в самонагревании, если огромная масса мезофильных бактерий может нести данный процесс?
Обычно на органических веществах развивается большое разнообразие микроорганизмов. При относительно низких температурах доминируют мезофильные их формы. При постепенном повышении температуры наступает момент, при котором среда становится благоприятной для размножения теплолюбивых форм микробов, а мезофилы начинают угнетаться. Этот переломный момент находится примерно в зоне 42—45°. Он имеет большое принципиальное значение, так как появление новой температурной группы микроорганизмов резко сказывается на темпе развития микробиологических процессов в разогревающейся массе.
Как было доказано выше, термофильные микроорганизмы принципиально отличаются от мезофилов не только своим отношением к температуре, но и темпами размножения. При благоприятной обстановке бактериальная масса у термофилов нарастает значительно быстрее, чем у бактерий, развивающихся в зоне обычных температур. Так как биохимические процессы в среде протекают обычно в прямой зависимости от количества накопленных микробных клеток, то в зоне повышенных температур всевозможные трансформации органических соединений осуществляются чрезвычайно быстро. В общем, при повышении температуры на каждые 10° микробиологические процессы, как это было показано Имшенецким (1944), усиливаются в 2—3 раза. Здесь мы обнаруживаем частный случай проявления закона Вант-Гоффа, установленного для химических явлений. Правда, термофильные микроорганизмы не могут развиваться выше 75—80°, и дальнейшее повышение температуры уже тормозит их работу. Поэтому следует помнить, что отмеченное правило Вант-Гоффа в приложении к термофильным бактериям имеет значение только в определенной температурной зоне.
В практических условиях, когда необходимо быстро осуществить какой-нибудь процесс, основанный на работе теплолюбивых микробов, стараются до минимума сократить фазу развития мезофилов. В биотермических камерах, предназначенных для переработки мусора, устраивают хорошую теплоизоляцию, иногда применяют первичный подогрев паром и т. д.
Таким образом, в процессе самонагревания разнообразных веществ происходит хорошо выраженная смена микрофлоры. Лишь предварительная работа мезофилов делает среду подходящей для термофильных микробов, при соответствующей обстановке наиболее энергично продуцирующих тепло.
Приведенные рассуждения строились на предположении, что масса, в которой происходят микробиологические процессы, мертва и в ней не проявляется деятельность ферментов.
Между тем в некоторых случаях в разогревающихся субстратах продолжают работать ферменты живых клеток. Так, в случае влажного зерна, свежего сена и т. д. отмечается проявление активной ферментативной деятельности. Клетки продолжают дышать, в Мидс осуществляются реакции гидролиза и прочий процессы, Нам необходимо разобраться, как же все это сказывается на процессе термогенеза, тем более, что некоторые исследователи, как Чирх (Tschirch, 1917), приписывали растительным ферментам в данном случае большую роль.
Нет сомнения, что вследствие ферментативных реакций, особенно окислительных, выделяется известное количество тепловой энергии, Однако она несопоставимо мала, по сравнению с вырабатываемой микроорганизмами. При разборе работы Веселова, мы приводили некоторые цифры, наглядно показывающие, как мало тепла дают ферментативные процессы растительных тканей, по сравнению с деятельностью размножающихся микроорганизмов. Не следует также забывать, что в зоне повышенных температур ферменты растений инактивируются. В полном соответствии с изложенным находятся прямые опыты, показывающие весьма слабый разогрев органических масс при работе одних ферментов.
Анализ термогенеза завершим кратким обзором явлений самовозгорания разогревающихся масс. Подобные случаи отмечаются при разогревании сложенных в стога силосов, травы, хлопчатника и других материалов. Самовоспламеняется, как правило, лишь пористая сильно разогревшаяся масса.
Наблюдения показывают, что обугливание растительной массы начинается при температуре около 90°, а воспламенение происходит при температуре выше 100°. Совершенно очевидно, что в этой температурной зоне протекают только чисто химические процессы, так как бактерии при сложившейся обстановке развиваться не могут. В отдельных случаях, правда, отмечалась более низкая температура самовоспламеняющихся растительных материалов.
Специфический запах готовой к воспламенению массы указывает на начавшуюся сухую перегонку органического вещества. Этот процесс должен сопровождаться выделением горючих газов, вроде метана и водорода. Они адсорбируются на пористой поверхности обуглившихся растительных частиц, и при известных условиях может произойти самовоспламенение. Весьма вероятно, что при воспламенении роль катализатора играют соединения железа. Самовозгорание может произойти лишь при наличии воздуха; обычно загорается недостаточно плотно уложенная масса. В ветреную погоду случаи самовоспламенения учащаются.
Анализу самовоспламенения было посвящено достаточно много работ, и были разработаны весьма интересные теории. На некоторых из них мы остановим внимание читателей. Учитывалась, например, способность некоторых элементов к самовоспламенению в раздробленном состоянии (углерода, железа и марганца). Еще в 1872 г. Баккнер (Bakkner) выдвинул теорию о способности углерода поглощать кислород и самовоспламеняться. Данная точка зрения как бы была подтверждена случаями, при которых разбрасываемое самонагревавшееся сено давало искры и затем самовоспламенялось.
Лафар (Lafar, 1905) полагал, что микроорганизмы своей окислительной деятельностью превращают растительные волокна в гумусообразные пористые массы, которые затем, наподобие порошка свежевосстановйенного железа, адсорбируют кислород воздуха и от этого воспламеняются.
Миэ (1907) предполагал, что обугливание растительной массы может происходить уже при 70—80°, т. е. в условиях проявления жизнедеятельности термофильных микроорганизмов. Воспламенение же, по его представлениям, вызывается взаимодействием образовавшихся мелких частиц угля и кислорода воздуха.
В иных теориях каталитическое действие приписывалось не углероду, а ионизированному железу или марганцу.
В1929 г. была предложена теория Брауном (Browne), по которой во время процесса термогенеза из сахара образуются неустойчивые ненасыщенные соединения, последующее автоокисление которых дает все увеличивающееся количество тепла. Это приводит в результате к самовозгоранию массы.
В настоящее время трудно оказать предпочтенье тому или иному из высказанных взглядов. Совершенно очевидным остается лишь положение, что катализируемое микробами самонагревание в зоне высоких температур приводит к развитию чисто химических процессов, могущих дать явление самовоспламенения.
После рассмотрения общих принципов явления термогенеза в следующих разделах мы переходим к анализу развития термофильной микрофлоры в разных разогревающихся субстратах. В каждом отдельном случае наряду с элементами тождественного порядка мы обнаружим и специфические моменты, определяемые характером самонагревающегося материала.