Мезофильные бактерии польза и вред

Термофильные бактерии очень теплолюбивы. Это следует из их названия. Данные микроорганизмы имеют широкое представительство в природе – в частности, их наличие подтверждено в микрофлоре кишечника человека и животных, в почве и воде. Также бактерии часто встречаются в компостных кучах, навозе и подстилках для скота. Особенностью отдельных термофилов является способность образовывать споры даже в неблагоприятных условиях. Микроорганизмы отличаются быстрым обменом веществ.

Причины популярности термофильных бактерий

Термофилы очень популярны у исследователей благодаря своей способности проводить ферментативную реакцию при высоких температурах. При этом, чем выше скорость реакции, тем ниже вероятность заражения посторонними микроорганизмами. Устойчивость к высоким температурам и, более того, предрасположенность к росту в таких условиях, связана с невосприимчивостью к воздействию других негативных факторов.

В частности, бактерии способны выдерживать атаки детергентов, что делает возможным их использование в моющих средствах. Это одна из множества причин, которые привели к популярности исследований разнообразия микроорганизмов, обладающих термофильными свойствами.

Одним из примеров можно назвать поиск и обнаружение кератиназы Caldoanaerobacter 1004. Организм, который вызывает появление данного фермента, был выделен из горячего источника. Производимая им кератиназа внеклеточного типа побуждает развитие гидролиза кератинов, которые отличаются устойчивостью к воздействию стандартных протеиназ. Данный фермент используется в птицеводстве, значительно ускоряя переработку перьев.

Виды термофильных бактерий

Термофильные бактерии различаются по необходимым для проживания и роста условиям, которые зависят от среды – выращиваемые в искусственных условиях лучше ощущают себя в твердых средах с наличием воздуха. Другие же способны обходиться без кислорода и растут в жидких средах. Форма бактерий, которые могут быть подвижными и неподвижными, зависит от температуры. С температурой до 40 °C микроорганизмы имеют вид палочковидных бацилл, а при ее повышении приобретают вид нитей.

Изучение термофилов продолжается до сих пор – не все показатели и формы бактерий на данный момент установлены. Более того, не так давно в садовой почве были обнаружены плесневые грибы, которые имеют аналогичные свойства и предпочитают высокие температуры.

Однако, стоить отметить прогресс, который был достигнут за последние годы в плане исследований данной категории микроорганизмов. Так, установлено, что наиболее заметным изменениям,
которые происходят под влиянием высоких температур, подвергаются клеточные белки и липиды, связанные с основными жизненными процессами бактерий.

Разделение термофилов на группы

Если задевать вопрос температуры, бактерии по данному показателю разделяются на несколько подгрупп, различающихся по предпочитаемым температурным показателям:

• Экстремальные термофилы. Наиболее комфортной температурой для данных микроорганизмов является значение 80 °C. При этом бактерии способны существовать при температуре от 60 до 105 °C.
• Стенотермофилы. Данные микроорганизмы еще называют факультативными. Демонстрируют рост при температуре от 20 до 40 °C.
• Эвритермофилы. Они сохраняют предрасположенность к росту при температуре до 70 °C, но не ниже 40 C.
• Термотолеранты. Минимальная температура, необходимая для роста таких бактерий составляет всего 10 °C, максимальная – 60 °C.

О пользе термофилов

Есть ли от термофильных бактерий польза? Да, и довольно большая. Но здесь все зависит от правильности применения и дозирования. Так, молочнокислые палочки, которые активно используются в пищевой промышленности, являются неотъемлемой частью молочнокислых продуктов и оказывают положительное влияние на человеческий организм.

В частности, они контролируют обменные процессы, помогая стабилизировать деятельность пищеварительного тракта, и обеспечивают лучшую защиту от вредоносных бактерий. Коме того, термофильные бактерии благотворно влияют на иммунитет, успокаивая нервную систему, и подавляют негативное воздействие антибиотиков.

Термофилы в молоке и молочных продуктах

Отдельного упоминания стоят термофильные бактерии в молоке. В ходе исследований специалистами было доказано, что при пастеризации молока происходит заметный прирост количества микроорганизмов. Если судить с гигиенической точки зрения, то подобное недопустимо.

Большая часть микрофлоры молока, которое прошло процедуру пастеризации, образуется медленно растущими колониями. Термофильные микроорганизмы обычно размножаются при температуре 60-63 °C, свойственной так называемой «низкой» пастеризации. При «высокой» их развития практически не происходит.

Однако, несмотря на повышенную температуру при процедуре одного размножения термофилов в молоке оказалось бы недостаточно, если говорить о росте бактериального населения. Видимо, резкий рост связан еще и оборудованием, которое не соответствует стандартам и нормам, а также несоблюдением условий содержания. Это вызывает загрязнение самого молока.

В каких сферах применяют термофильные бактерии?

Помимо использования в пищевой промышленности, в частности, при изготовлении молока и кисломолочной продукции, данные микроорганизмы находят широкое применение в косметологии и фармакологии в качестве основы для пробиотиков и средств по уходу за кожей. Термофильные и мезофильные микроорганизмы, проживающие в почве и компосте, оптимизируют процесс переработки органических веществ.

При отслеживании предельно допустимого уровня концентрации и постоянном наблюдении за производственным процессом можно избежать осложнений, которые вызывают термофильные бактерии. Термофилы и мезофилы, проживающие в почве и компосте также способствуют более быстрому росту саженцев. При этом эффективность работы первых в данном случае заметно выше.

Рост предрасположенности к метановому брожению стал наблюдаться после того, как в ходе исследований удалось определить получение витаминов B12 и H. Являясь удобрением и источником более эффективной переработки органики, вырабатываемый метан используется при обогреве помещений жилого и промышленного типа. Также он активно задействуется на предприятиях химической промышленности.

Как уменьшить вред, который могут наносить термофильные палочки? Если речь идет о предприятиях, помочь в этом сможет постоянный мониторинг оборудования, а также регулярная обработка с использованием бактерицидных препаратов. Подобные мероприятия позволяют контролировать качество изготавливаемой продукции, снижая риск возникновения каких-либо проблем до нуля.

Чем обусловлена устойчивость бактерий к высоким температурам?

На протяжении многих лет в рамках исследований учеными осуществлялись попытки установления причин устойчивости термофильных микроорганизмов к высоким температурам. Речь о значениях от 50 до 90 °C.

Основной причиной является особенность составляющих бактерий, в то числе оболочки, рибосомы и ферментов – по своим характеристикам они заметно отличаются от схожих компонентов мезофильных форм. При этом термофилы способны замещать недостаточную стабильность клеток за счет синтеза, который в таких случаях осуществляется более быстро – для этого в процессе задействуются наиболее термостабильные ферменты.

О вреде термофилов

Ряд термофилов способен вызвать инфицирование почвы во время добавления органических удобрений и при обогащении земли перепревшей подстилкой, ранее находившейся в коровниках. Вследствие этого наносится серьезный вред грунтовым водам и водоемам.

Отметим, что для термофильных бактерий не характерны патогенные или токсигенные свойства, тем самым они не относятся к категории особо опасных микроорганизмов для человека. Однако, загрязнение ими молока, продуктов, а также воды и почвы крайне нежелательно и рискует привести к неблагоприятным последствиям. В связи с этим рекомендуется проводить исследование на содержание термофилов в специализированной лаборатории.

Как убить бактерии?

Чтобы избавиться от термофилов, можно воспользоваться способом, доказавшим свою эффективность – достаточно поместить их в условия с заметным превышением верхнего температурного порога. Учеными установлен максимальный порог, при котором микробы способны выживать, пусть и теряют умение расти – это 122 °C. Стоит отметить, что обеспечить больший нагрев можно в лабораторных условиях, оснащенных необходимым оборудованием. Также на жизнедеятельность бактерий пагубным образом влияют температурные колебания.

Какие термофильные бактерии существуют?

Науке известно множество видов термофилов, которые получили широкое распространение в природе. Благодаря своей теплолюбивости они хорошо чувствуют себя в человеческом организме, а также растениях, почве и воде. Несмотря на общую предрасположенность, некоторым бактериям требуется воздух для роста, другие могут продолжать свое развитие и без него. В связи с этим термофильные организмы разделяют на аэробные и анаэробные.

Анаэробные, то есть не нуждающиеся в кислороде для роста, могут принадлежать одной из нескольких групп:

• Маслянокислые. Такие бактерии производят масляную кислоту, питаясь сахаром и пектинами, а также продуцировать кислоты, среди которых уксусная и масляная. Среди полезных свойств можно отметить выработку ацетона и ряда спиртов. Бактерии встречаются как в термофильной, так и в мезофильной форме.
• Целлюлозные. Проживают в иле рек, а также остатках растений. Микроорганизмы термофильного типа часто используются в сельском хозяйстве при приготовлении компоста. Наиболее активны бактерии при температуре среды 60-65 °C.
• Метанообразующие. Не образуя споры, вырабатывают витамины и ферменты. Бактерии могут смешиваться вместе с целлюлозными. Для питания им необходимы сточные воды и бытовые отходы, которые образуются как следствие хозяйственной деятельности.
• Десульфирующие. Встречаются вместе с целлюлозными, сохраняют жизнедеятельность благодаря умению восстанавливать сульфаты. Образуют споры овальной формы.
• Молочнокислые. Эта группа находится в молоке и может нанести вред человеку при определенной концентрации. За счет способности синтезировать ароматические вещества микроорганизмы придают характерный аромат и вкус сливкам и творогу. Так как они относятся к факультативным термофилам, то могут расти даже при достаточно низких температурах (ниже 50 °C).

Аэробные термофилы также делятся на группы, среди которых нужно выделить две:

1. Экстремально-термофильные. Бактерии относятся к облигатным и фактически бездвижны. Предельной температурой для их роста считается значение 70 °C. Более высокое меняет структуру палочек, которые обретают форму тонких нитей. Микроорганизмы можно чаще всего встретить в горячих источниках и верхних слоях почвы.
2. Спорообразующие. Данное название говорит само за себя – микроорганизмы способны образовывать споры и проживают в обработанной почве или водах, подвергавшихся аэрации. Отличаются умением подстраиваться под изменения в окружающей среде.

Об организации и реализации генетических данных бактерий

Изучение ферментов, влияющих на процесс синтеза дочерних молекул ДНК термофилов, пользуется популярностью благодаря наличию как теоретического, так и практического интереса. Он связан с успешным применением ферментов при осуществлении полимеразной цепной реакции – это один из самых чувствительных анализов ДНК.

Ее суть заключается в организации размножения в объеме, которого достаточно для осуществления исследований с применением гель-электрофореза. Исследование проводится в несколько шагов, среди которых разработка способов клонирования с последующей оценкой эффективности действия ферментов.

В дословном переводе термофильные бактерии значит «любящие тепло». Эти микроорганизмы широко распространены в природе. Учеными они были обнаружены в составе нормальной микрофлоры кишечника животных и человека, в почве и глубоких слоях хвойной и лиственной подстилки лесов, в воде морей, рек и горячих источников. Они встречаются в навозе, компостных кучах, охотно заселяют подстилки для животных из сена, опилок или соломы. Среди них выделены подвижные и неподвижные формы. Большинство термофилов в неблагоприятных условиях образуют споры.

При выращивании в искусственных условиях некоторые термофильные бактерии предпочитают твердые среды и присутствие воздуха. Другие лучше живут в жидких средах и не нуждаются в кислороде для своего роста. Форма этих бактерий зависит от температуры. В горячих источниках они имеют вид нитей, а при снижении температуры до 40°С превращаются в палочковидные бациллы.

Изучение термофильных организмов еще очень далеко от завершения, среди них обнаружены не только бактерии. Недавно в садовой почве обнаружен и один вид плесневых грибов, имеющий аналогичные свойства и предпочитающий высокие температуры. Термофильным бактериям мы обязаны существованием таких продуктов, как ацидофилин и йогурт.

На чем основано разделение

Если оценивать температурные предпочтения бактерий вообще, то их можно разделить на три основные группы. Виды бактерий различают, изучая диапазон, приемлемый для жизни. Он характеризуется минимальной, максимальной и оптимальной температурами роста. Оптимальной считается та, при которой наблюдается максимальная скорость увеличения размера бактериальных колоний. Чаще всего эту скорость измеряют количеством генераций, появившихся в течение часа.

1. Психрофильные организмы предпочитают температуры, близкие к 0°С, и демонстрируют рост, даже если их среда охлаждается до -5°С. Оптимальными для их роста являются температуры около +10°С.
2. Мезофильные бактерии. Предпочитают температуры, близкие к 37°С.
3. Термофильные бактерии. Активно растут при температурах, превышающих 50°С.

В свою очередь, термофильные бактерии делятся на несколько групп. Это экстремальные термофилы (оптимальная температура около 80°С), стенотермофилы с оптимумом в 55-65°С, эвритермофилы (оптимальные температуры колеблются от 37 до 48°С) и термотолеранты, растущие при температуре не более 48°С и отличающиеся от мезофилов тем, что при росте температуры увеличивают скорость своего роста.

В зависимости от потребности в кислороде термофильные бактерии бывают аэробными и анаэробными.

Анаэробные термофилы

Среди анаэробных термофильных бактерий различают несколько групп.

Маслянокислые

Эти термофильные организмы осуществляют брожение с образованием масляной кислоты. Относятся к сахарорасщепляющим клостридиям. Являются анаэробными бациллами, использующими для питания сахара, пектин, декстрины (углеводы с короткими цепочками, образующиеся при расщеплении целлюлозы или крахмала) и продуцирующие масляную, уксусную кислоты, а также углекислый газ и водород.

Разновидностью этой группы термофильных бактерий являются микроорганизмы, осуществляющие ацетонобутиловое брожение. Некоторые из них имеют весьма полезные для человека свойства – дополнительно продуцируют изопропиловый спирт, ацетон, бутиловый и этиловый спирты. Существуют виды, способные фиксировать никель. Известны термофильные и мезофильные формы.

Существуют также клостридии, имеющие свойства сбраживать белки, аминокислоты, а также способные разлагать пурины и пиримидины (циклические соединения, содержащие азот, некоторые из которых входят в состав ДНК).

Целлюлозные

Заселяют ил, компосты, растительные остатки, в почве соседствуют с грибами и актиномицетами, которые также питаются растительной органикой. Большинство из них относятся к роду клостридиум (Clostridium). Эти бактерии в почве и перегное активны в диапазоне температур от 60 до 65°С, когда их соседи прекращают свою деятельность из-за перегрева. Иногда пигментированы и имеют желто-оранжевый цвет.

В этих условиях существуют также и мезофильные виды (например, палочка Омелянского). Температурные диапазоны их активности существенно различаются, создавая каждому виду подходящую экологическую нишу. Некоторые ученые считают, что термофильные и мезофильные бактерии могут быть вариациями одного вида, поскольку имеют сходное строение и внешний вид. С точки зрения морфологии (внешнего вида) эти термофильные бактерии являются палочковидными (бациллами), имеют концевые споры, различную длину и степень изогнутости.

Они разлагают целлюлозу при помощи специального фермента, выделяют водород, углекислый газ, этиловый спирт, уксусную, муравьиную, молочную, фумаровую и другие органические кислоты.

Метанообразующие

Часто живут рядом с целлюлозными и культивируются совместно. Среди них наиболее изучены виды метанобактериум (Methanobacterium) и метанобациллюс (Methanobacillus), которые являются прямыми и тонкими, несколько изогнутыми палочками, не способными образовывать споры. Несомненная польза от этих микроорганизмов состоит в том, что они способны продуцировать витамины, антибиотики и ферменты, используя в качестве питательной среды отходы и сточные воды, образующиеся в результате хозяйственной деятельности человека.

Десульфирующие

Часто соседствуют с целлюлозными, и живут за счет восстановления сульфатов. Наиболее изучена Desulfotomaculum nigrificans, имеющая вид палочки со скругленными концами, или форму чечевицы. Образует овальные споры, расположенные ближе к одному из концов (субтерминальные или терминальные).

Молочнокислые

Бактерии группы молочнокислые могут приносить человеку как пользу, так и вред. Поселяясь в молоке, они могут вызвать его порчу, а некоторые виды способны синтезировать ароматические вещества, придавать особый вкус сливкам и творогу. Молочнокислые бактерии являются факультативными анаэробами, для которых оптимальной является жизнь в отсутствии кислорода. Однако они способны существовать в средах, где его количество невелико. Делятся на палочки и кокки.

1. Молочнокислые кокки имеют вид коротких цепочек из нескольких клеток (стрептококки) и бывают гомо- и гетероферментивными. Первые способны сбраживать сахара, находящиеся в молоке. С их помощью изготавливают живой йогурт. Наиболее хорошо изученными являются Lactococcus и Leuconostoc. Вторые способны параллельно выделять ароматические вещества диацетил и цитоин. Их клетки имеют круглую или овальную форму, не образуют капсул и спор, хорошо окрашиваются по Граму. Считаются аэротолерантными, то есть способны существовать в присутствии воздуха, однако не имеют способности осуществлять аэробное дыхание, продолжая осуществлять привычный для них процесс брожения. Для питания требуют широкого спектра веществ, в том числе витамины, белки, органические кислоты. В молоке вызывают его свертывание с образованием ровного сгустка без большого количества сыворотки. Аромообразующие молочнокислые стрептококки являются причиной наличия в сыре пузырьков, имеющих характерный запах, имеют более низкую способность к производству кислот (энергию кислотообразования). Имеют высокую спиртоустойчивость, требуют высокой кислотности.
2. Молочнокислые термофильные палочки, или лактобактерии, могут быть одиночными или парными. Наиболее часто используются ацидофильные лактобактерии, а также L. helveticus, L. lactis, L. Bulgaricum – последняя входит в закваски, при помощи которых производится йогурт. Кроме них, в молочной промышленности используются стрептобактерии и бета-бактерии. Это неподвижные микроорганизмы, не образующие спор и капсул, хорошо окрашивающиеся по Граму. Молочнокислые термофилы являются факультативными анаэробами. Они также могут быть моноферментными с высокой скоростью кислотообразования и гетероферментными, способными параллельно перерабатывать фруктозу с образованием шестиатомного спирта маннита, ацетатов (солей уксусной кислоты), лактатов (солей молочной кислоты) и углекислого газа. Обладают слабой способностью перерабатывать белки, поэтому для роста требуют наличия в среде аминокислот. Некоторые из них имеют необычные свойства и способны производить каталазу (фермент, расщепляющий перекись водорода) или ацетальдегид, который находясь в сыре, придает ему специфический запах и вкус и способен подавлять патогенную микрофлору.
3. Термоустойчивые молочнокислые палочки. Выживают в молоке даже после его пастеризации при 85-90°С. Устойчивы к действию дезинфицирующих агентов и наносят немалый вред предприятиям пищевой промышленности. Антагонисты кишечной палочки. Иногда обнаруживаются в заквасках, а также в молоке, пастеризованном при невысоких температурах.

Аэробные термофилы

Термофилы, требующие для дыхания кислорода, подразделяются на две группы.

Экстремально-термофильные

Грамотрицательные палочки, не способные к движению. Наиболее изучена Thermus aquaticus. Это облигатный аэроб с оптимальной температурой роста 70°С, окрашен в желтый или оранжевый цвет. При повышении температуры палочки преобразуются в нити. Широко распространены в горячих источниках и в почве возле них. Часто образуют своеобразный союз с экстремально термофильными водорослями, обмениваясь питательными веществами.

Спорообразующие

Многие из них имеют аналогичные мезофильные формы. Наиболее изучены Вас. stearothermophilus и Вас. coagulans. Широко распространены в рыхлой почве и хорошо аэрируемых водах.

Особенности организации и реализации генетической информации термофилов

Изучение ферментов, обслуживающих репликацию ДНК термофильных бактерий, имеет не только теоретический, но практический интерес. Это связано с тем, что такие ферменты могут успешно применяться для проведения одного из наиболее чувствительных анализов ДНК – полимеразной цепной реакции. Смысл ее состоит в том, что в специальном аппарате при помощи специфической затравки – кусочка ДНК организовывается ее размножение в количествах, достаточных для проведения анализа при помощи гель-электрофореза. Делается это с помощью ферментов, расплетающих двойную спираль ДНК и синтезирующих недостающие цепочки на каждой из расплетенных ветвей.

Клонирование данных ферментов с целью получения «идеальной ДНК-полимеразы» – тема, актуальная для всех, кто занимается проблемами повышения точности и производительности ферментов, синтезирующих ДНК при проведении ПЦР (Полимеразная цепная реакция). Обычно исследование проводят в несколько этапов:

1. Разработка способа клонирования участков ДНК бактерий, с которых считывается данный фермент, выделение необходимых генов из ДНК-библиотек исследуемых организмов.
2. Определение последовательности нуклеотидов в ДНК интересующих генов.
3. Внедрение необходимых генов в ДНК бактерий для получения рекомбинантных ферментов.
4. Оценка эффективности работы этих ферментов при проведении ПЦР.
5. Оценка точности воспроизведения фрагментов ДНК при помощи полученных ДНК-полимераз.

Полезные и вредные свойства термофилов и их применение

Ацидофильные молочнокислые палочки применяются не только в пищевой промышленности, но и в фармакологии. Их можно обнаружить в твороге и сыре, а также в составе большинства пробиотических препаратов, заквасках, позволяющих производить кефир и йогурт и призванных нормализовать микрофлору в организме человека.

Индустрия красоты

Косметологи широко применяют йогурт в качестве средства, отбеливающего кожу и восстанавливающего ее упругость. Живой йогурт, применяемый в качестве маски, способен восстановить здоровье кожи и нормализовать баланс бактерий на ее поверхности.

Производство йогуртов

Термофильный стрептококк и болгарская ацидофильная палочка входят в состав заквасок, при помощи которых производится йогурт. Многие люди, имеющие проблемы с перевариванием цельного молока, могут употреблять йогурт, поскольку в его составе нет молочного сахара – лактозы. Йогурт показан грудным детям как средство для поддержания нормальной микрофлоры, а также как продукт, содержащий витамины групп В и К, фолиевую кислоту и аминокислоты. Он легко готовится из сухих заквасок путем добавления их в молоко и выдерживания при температуре 38-45°С. В отличие от кефира или ацидофилина, йогурт имеет приятный сливочный вкус и не содержит дрожжей и спирта.

Переработка органики

Это еще одна сфера применения термофильных бактерий. Ее выполняют как термофильные, так и мезофильные бактерии, живущие в почве, однако эффективность работы первых существенно выше. Интерес к метановому брожению существенно возрос после того, как было выяснено, что в результате можно получать витамины В12 и Н. Кроме того, образующийся при переработке подстилки и других органических отходов в компостных ямах метан может успешно применяться для обогрева жилых и промышленных помещений, а также в химической промышленности.

Чтобы уменьшить вред, наносимый термофильными палочками предприятиям пищевой промышленности, проводят мониторинг оборудования и его регулярную обработку бактерицидными препаратами, что позволяет контролировать качество выпускаемой продукции.

Клостридиумы в почве

Немалый вред приносит инфицирование земель клостридиумами при внесении органических удобрений, а также использовании в качестве удобрения перепревшей подстилки из коровников. Высокое содержание клостридиумов в почве наносит существенный вред качеству грунтовых вод и воды в естественных водоемах.

Интересно, что в почве, загрязненной нефтепродуктами, обнаружены термофилы, способные перерабатывать твердые парафины и ароматические углеводороды. Их присутствие в почве позволяет существенно снизить степень загрязненности и сделать ее пригодной для растений.