Уравнение трансформации целлюлозы в аэробных условиях (8 видео)

АГРОИНФормация

Агропортал — все для специалистов агропромышленного комплекса

Содержание

Разложение целлюлозы
Трансформация углеродсодержащих веществ
Уравнение трансформации целлюлозы в аэробных условиях
💡 Видео

Видео:Аэробный и анаэробный гликолиз. Реакции катаболизма глюкозы. Расчет выхода АТФ в гликолизеСкачать

Разложение целлюлозы

В состав целлюлозы (клетчатки) входит более 50% всего органического углерода биосферы. Целлюлоза — наиболее распространенный полисахарид растительного мира; высшие растения на 15—50% состоят из целлюлозы.

В связи с большим количеством синтезируемой в природе целлюлозы микроорганизмы, ее разлагающие, играют очень важную роль в процессе минерализации и круговороте углерода.

Разнообразие микрофлоры, способной разлагать целлюлозу в почве, позволяет проводить трансформацию этого вещества в различных условиях аэрации, при кислом или щелочном pH, низкой или высокой влажности и температуре. Для большинства микроорганизмов, разлагающих целлюлозу, характерна высокая специфичность по отношению к этому веществу.

Целлюлозу разлагают аэробные микроорганизмы (бактерии и грибы) и анаэробные мезофильные и термофильные бактерии.

Аэробное разложение. Группа аэробных целлюлозоразлагающих микроорганизмов наиболее богато представлена в почве.

В 1918 г. X. Б. Хутчинсон и Дж. Клейтон выделили из почвы целлюлозоразлагающую бактерию, имеющую вид длинных веретенообразных палочек с острыми концами. Микроорганизму было дано название Spirochaeta cytophaga. В настоящее время эта бактерия относится к семейству Cytophagaceae роду Cytophaga. Впоследствии были описаны другие виды цитофаг. Сейчас известны виды Cytophaga, разлагающие хитин (рис. 30).

Бактерии рода Cytophaga очень требовательны к среде и обычно в большом количестве встречаются в навозе и почвах, удобренных навозом. То же свойственно и представителям рода Sporocytophaga, разлагающим целлюлозу. Они отличаются от видов рода Cytophaga способностью образовывать микроцисты

В расщеплении целлюлозы принимают участие миксобактерии, относящиеся к порядку Myxobacteriales: семейство Мухососсасеае (род Myxococcus), семейство Archangiaceae (род Archangium), семейство Polyangiaceae (род Polyangium), широко распространенные в почвах разных зон.

В почвах встречаются представители рода Cellulomonas. Это аэробные грамположительные подвижные палочковидные бактерии, неправильной формы, с возрастом они иногда превращаются в кокки. Разлагают целлюлозу в аэробных условиях, однако способны и к анаэробному росту. Эти бактерии встречаются в почвах, богатых минеральными формами азота.

Единичные виды Pseudomonas, Vibrio и Bacillus также могут использовать целлюлозу.

Актиномицеты и грибы, обитающие в относительно бедных почвах, в аэробных условиях могут медленно разрушать целлюлозу. К актиномицетам, разлагающим целлюлозу, относятся представители родов Streptomyces, Streptosporangium, Micromonospora, к грибам — представители родов Fusarium, Dematium, Chaetomium, Trichoderma, Verticillium, Aspergillus, Penicillium, Botrytis, Rhizoctonia, Myrothecium. В разрушении целлюлозы участвуют и хитридиомицеты, среди которых много паразитов.

Анаэробное разложение. Большинство представителей анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, найденных в природе, относятся к семейству Bacillaceae, роду Clostridium. Эти бактерии обитают в почвах, компостах, навозе, речном иле и сточных водах. Они устойчивы к кислотности и распространены не только в нейтральных, но и в кислых почвах. Типичный представитель рода, разлагающий целлюлозу при температуре 30—40°С,— Clostridium omelianskii, впервые выделенный известным микробиологом В. Л. Омелянским в 1902 г.

Этот микроорганизм имеет палочковидную форму (4—8×0,3—0,5 мкм), подвижен, образует толстые споры в клетке, поэтому спорообразующая клетка сильно раздувается и становится похожей на барабанную палочку.

Разлагать целлюлозу может и другой мезофильный вид — Сl. cellobioparum.

Среди анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, встречающихся в почве, навозе и компостах, имеются термофилы. Эти формы весьма активно сбраживают клетчатку. К ним относится Cl. thermocellum, оптимальная температура для которого около 60°С, а максимум приближается к 70°С. При 40—45°С эта бактерия развивается плохо.

Мезофильные и термофильные анаэробные бактерии хорошо используют целлюлозу, но на обычных средах, содержащих простые сахара, они развиваются слабо. Они плохо переносят даже несколько повышенные концентрации сахаров.

Следует указать, что в рубце жвачных животных находятся специфические облигатные анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии. Они вызывают разложение целлюлозы кормов до глюкозы, которая затем сбраживается с образованием органических кислот (уксусной, пропионовой, масляной, молочной, муравьиной, янтарной и др.), спиртов и газов (СО2 и Н2). Разложение целлюлозы в рубце животных осуществляют кокковидные и палочковидные бактерии: Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus, Bacteroides succinogenes, Butyrovibrio fibrisolvens, Ruminobacter parvum. Бактерии рубца имеют большое значение в питании жвачных животных.

Кратко остановимся на биохимической стороне процесса распада клетчатки. Целлюлоза представляет собой высокомолекулярный полимер с неразветвленной цепью, состоящей из соединенных (3-1,4-гликозидными связями глюкозных остатков, число которых в молекуле колеблется от 1400 до 10 000. Молекулы целлюлозы соединены в пучки, или мицеллы, из 40—60 молекул каждая.

Разложение целлюлозы микроорганизмами проходит в несколько этапов. Сначала происходит ферментативный гидролиз полимера. Этот процесс протекает под влиянием фермента, называемого целлюлазой и представляющего собой комплекс двух ферментов — эндо — и экзоглюканазы или С1фактора и Сх-фермента. Целлюлаза действует на в (1,4) — гликозидные связи. В результате целлюлоза превращается в дисахарид целлобиозу, которая при воздействии фермента в — глюкозидазы переходит в глюкозу.

При аэробном разложении целлюлозы из образовавшейся глюкозы в основном получаются два продукта — СО2 и Н2О. Могут накапливаться и небольшие количества органических кислот.

При анаэробном распаде целлюлозы первоначальный продукт ее гидролиза — глюкоза в дальнейшем подвергается сбраживанию, в результате чего образуется много органических веществ, состав которых несколько различен у отдельных культур микроорганизмов. Ниже указаны продукты, образуемые отдельными видами целлюлозоразлагающих бактерий.

Cl. omelianskii Этиловый спирт, уксусная, молочная и муравьиная кислоты, СО2, Н2

Cl. dissolvens Этиловый спирт, уксусная, молочная и масляная кислоты, С02, Н2

Cl. cellobioparum Этиловый спирт, уксусная, муравьиная к молочная кислоты, СО2, Н2

Cl. thermocellum Этиловый спирт, уксусная, молочная, муравьиная кислоты, СО2, Н2

Раньше считали, что при брожении целлюлозы образуется также метан СН4. Однако современными исследованиями это опровергнуто. Метан образуется не бактериями, использующими полисахариды, а вторичным бактериальным населением, которое разлагает органические кислоты, возникшие в результате сбраживания целлюлозы.

Имеющиеся в растениях простые сахара — моно — и дисахариды, а также низкомолекулярные полисахариды (крахмал, инулин, камеди и т. п.) легко разрушаются различными микроорганизмами.

Видео:Опыт трансформации в микробиологии.Скачать

Трансформация углеродсодержащих веществ

Разложение целлюлозы.Целлюлоза является самым распространенным органическим соединением в природе. В ее состав входит более 50% всего органического углерода. Синтезируют целлюлозу в основном высшие растения, в организме которых она составляет от 40 до 70%. Из низших организмов к синтезу целлюлозы способны некоторые грибы, а среди прокариот отдельные виды уксуснокислых бактерий (Acetobacter xylinum).

Разложение целлюлозы играет первенствующую роль в круговороте углерода, так как именно этот процесс обеспечивает возврат основной массы СО₂ в атмосферу. С разложением целлюлозы в почве связано образование гумусовых веществ и формирование почвенной структуры.

По химизму целлюлоза представляет собой высокомолекулярный линейный гомополисахарид, состоящий из глюкозных остатков. В одной молекуле целлюлозы может содержаться от 300 до 3000 и более молекул
β-D-глюкозы. Молекулы целлюлозы плотно соединены в пучки микрофибрилл, формирующих волокно.

Разложение целлюлозы происходит путем ферментативного гидролизов несколько стадий. Первоначально под действием фермента целлюлазы нерастворимая в воде целлюлоза превращается в целлобиозу. Далее целлобиоза ферментом В-гликозидазой расщепляется до глюкозы:

Глюкоза в аэробных условиях окисляется до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях сбраживается с образованием органических кислот (уксусная, янтарная, масляная, молочная, муравьиная), этилового спирта и газов (углекислого и водорода). Состав конечных продуктов определяется видом микроорганизма, ведущего процесс брожения.

В аэробных условиях разложение целлюлозы ведут микроорганизмы разных таксономических групп. В кислых лесных почвах ведущая роль в разложении целлюлозы лесной подстилки принадлежит грибам, относящимся к родам Trichoderma, Fusarium, Myrothecium, Penicillium и др. В степных и луговых почвах разложение целлюлозы в первую очередь осуществляют миксобактерии родов Archangium и Polyangium, цитофаги родов Cytophaga и Sporocytophaga, а также бактерии, входящие в состав родов Vibrio, Achromobacter, Pseudomonas и Bacillus. Помимо различных бактерий и грибов, в процессе аэробного разложения целлюлозы принимают участие актиномиценты, из которых наиболее активны представители родов Streptomyces, Micromonospora, Streptosporangium.

Анаэробное разложение целлюлозы ведут исключительно бактерии, подавляющее большинство их относится к обширную роду Clostridium. Типичным представителем анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий является Cl. Omelianskii, выделенные и изученный в 1902 г. В.Л. Омелянским. Этот микроб имеет вид тонкой длинной палочки, в молодой культуре подвижен, при старении образует спору на одном из полюсов клетки, принимая характерную форму барабанной палочки. Cl. Omelianskii – мезофил, оптимальная температура роста составляет 30–40 градусов. Среди анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий имеются и термофильные виды, наилучшим образом развивающиеся при температуре 60–65 градусов. К термофилам относится Cl. Thermocellum, выделяющийся из прелого зерна и силоса, а также из разогревающихся масс навоза и компостов.

Бактерии, разрушающие целлюлозу, населяют пищеварительный тракт травоядных животных. Так, в рубце жвачных животных активное участие в разложении целлюлозы принимают бактерии Ruminococcus flavefaciens и Cl. cellobioparum.

Разнообразие микроорганизмов, участвующих в разложении целлюлозы, определяет масштабность этого естественного процесса, протекающего в самых различных условиях среды, при разной температуре и влажности, в аэробных и анаэробных условиях, при щелочном и кислом значении рН.

Разложение гемицеллюлозы.В природе гемицеллюлоза по количеству занимает второе место после целлюлозы. Она входит в состав межклеточного вещества растительных тканей и является опорным компонентом древесины. В древесине лиственных пород гемицеллюлоза составляет до 25%, в древесине хвойных – 12%. Гемицеллюлозу способны синтезировать и некоторые низшие организмы. У дрожжей и грибов гемицеллюлоза входит в состав внеклеточных полисахаридов.

С химической точки зрения гемицеллюлозы являются сложными полисахаридами, молекулы которых содержат пентозы (ксилозы, арабинозы), гексозы (глюкозы, маннозы, галактозы), а также уроновые кислоты (глюкуроновая кислота).

В природе в разложении гемицеллюлоз принимают участие многие микроорганизмы, синтезирующие ферменты ксиланазы. Ксиланазы обнаружены у дрожжей (Trichosporon), грибов (Aspergillus, Rhizopus, Fomes, Polyporus и др.), у большинства целлюлозоразрушающих бактерий (Clostrridium, Cytophaga, Sporocytophaga, Vibrio, Bacillus). Ферменты ксиланазы катализируют расщепление полисахаридной молекулы гемицеллюлозы до сахаров, которые окисляются или сбраживаются до конечных продуктов. Гемицеллюлозы разных растительных организмов в значительной мере различаются по своему химическому составу, а поэтому разложение их в почве протекает с различной скоростью и во многом зависит от условий окружающей среды (температуры, влажности, рН, аэрации и т.д.).

Дата добавления: 2015-08-14 ; просмотров: 1031 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Гликолиз анаэробный/аэробный, челночные системы||медицинская биохимияСкачать

Уравнение трансформации целлюлозы в аэробных условиях

Аэробное разложение, или окисление клетчатки (целлюлозы) проходит в две фазы. Первая фаза – это гидролиз под действием выделяемых микроорганизмами экзоферментов до β-глюкозы, а вторая фаза – это полное окисление поглощенной микробами β-глюкозы до углекислого газа и воды:

(С6Н10О5) n + n Н2О ¾¾ ® n С12Н22О11 + n Н2О ¾¾ ®

nC 6Н12О6 + О2 ® СО2 + Н2О.

Постановка опыта . В работе используют метод почвенных пластинок Кристенсена. Чашку Петри заполняют почвой слоем около 1 см, предварительно увлажнённой водой или средой Гетчинсона следующего состава, г: NaNO 3 – 2,5, K 2 HPO 4 – 1,0, MgSO 4 – 0,3, CaCl 2 – 0,1, NaCl – 0,1, FeCl 3 – 0,01, вода дистиллированная – 1000 мл. Поверхность почвы выравнивают шпателем, сверху накладывают кружок фильтровальной бумаги и плотно прижимают к поверхности среды, чашки помещают в термостат, при 27-30 ºС. Периодически смачивают почву в чашке водой, но не допускают того, чтобы вода полностью заливала фильтровальную бумагу, и не развивались бы на фильтровальной бумаге анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии.

Результаты опыта . Через 4-5 суток после постановки опыта на бумаге появляются пигментные зоны и ослизненные участки, указывающие на разрушение клетчатки. Через 1,5-2 недель их можно микроскопировать.

Микроскопирование . Для микроскопического изучения аэробных целлюлозоразлагающих бактерий бактериологической петлей берут немного слизи, покрывающей фильтровальную бумагу, растирают её на предметном стекле, фиксируют мазок в пламени и окрашивают кристаллвиолетом 30-60 с. Препарат рассматривают, пользуясь иммерсионной системой микроскопа.

Возбудителями аэробного разложения клетчатки являются бактерии, актиномицеты, плесневые грибы. Наибольшее значение имеют бактерии. К ним относятся миксобактерии, цитофаги и вибрионы. Миксобактерии образуют яркоокрашенные слизистные плодовые тела на разлагающейся древесине. На фильтровальной бумаге в нашем опыте развиваются в основном цитофаги и вибрионы.

Цитофаги – Cytophaga – крупные длинные слегка изогнутые палочки с острыми краями.

Вибрионы: Cellvibrio – мелкие тонкие изогнутые клетки и Cellfalcicula – мелкие короткие толстые изогнутые клетки с заостренными концами.

Характеристика аэробных целлюлозоразлагающих бактерий: грамотрицательные, палочки и вибрионы, подвижные, неспоровые.

Зарисовывают и описывают аэробные целлюлозоразлагающие бактерии в тетради.

Материалы и оборудование: чашки Петри, среда Гетчинсона, дистиллированная вода, почва, простерилизованные кружки фильтровальной бумаги, шпатели, кристаллвиолет.