Промышленная микробиология

Уксуснокислые бактерии относятся к грамотрицательиым аэробным хемоорганогетеротрофам. От других бактерий, обладающих указанными свойствами, они отличаются способностью активно осуществлять разнообразные окислительные трансформации первичных спиртов, гликолей, полиолов, альдо- и кетоса-харов, а также их производных. К настоящему времени известно более восьмидесяти подобных трансформаций, производимых уксуснокислыми бактериями, в том числе окисление этилового спирта до уксусной кислоты, глюкозы до 2- и 5-кетоглюконовых кислот, превращение глицерина в диоксиацетон и сорбита в сор-бозу.
В природе уксуснокислые бактерии обитают на листьях, цветах и плодах многих растений. Их можно обнаружить на пчелах и в созревающем меде, в почвах фруктовых садов и виноградников, в растительных соках, вине и пиве, молоке и кисломолочных продуктах. Некоторые из них проявляют себя как фито-патогены.
Как установил еще Л. Пастер (1868), «болезни» вина и пива, их порча — результат жизнедеятельности микроорганизмов, в частности уксуснокислых бактерий. На поверхности зрелого винограда, яблок и других плодов, используемых как сырье в виноделии, всегда присутствуют уксуснокислые бактерии. Вследствие размножения клеток и активности синтезируемых ими ферментов в вине снижается содержание спирта и Сахаров, происходят изменения в составе органических кислот, оно мутнеет, иногда ослизняется. Аналогичные процессы происходят при развитии уксуснокислых бактерий в пиве. Поэтому в технологии виноделия и пивоварения, предусмотрены мероприятия, устраняющие возможность размножения этих бактерий на всех этапах производств.
Осуществляя окислительные трансформации спиртов и Сахаров, уксуснокислые бактерии необычайно точно воздействуют лишь на определенные группы атомов в молекулах этих веществ. В некоторых условиях, и прежде всего при высокой концентрации окисляемых соединений в среде, они образуют значительное количество продуктов трансформаций, что определяет целесообразность их использования в практике.
В настоящее время специализированные промышленные предприятия культивируют уксуснокислые бактерии с целью получения сорбозы как промежуточного соединения в синтезе витамина С, диоксиацетона, пищевого уксуса. В лабораторных условиях с помощью уксуснокислых бактерий получают некоторые редкие сахара и органические кислоты, а также их радиоактивные препараты, необходимые для научных исследований.
К группе уксуснокислых бактерий относят два рода бактерий: Acetobacter и Gluconobacter. Первый род объединяет ряд видов, среди них Acetobacter aceti, A. xylinym, A. ratteens (син. A. pas-teurianus), A. peroxydans. Второй представлен одним видом Gluconobacter oxydans. Объекты многих исследований по физиологии и биохимии бактирий A. suboxydans и A, melanogenum ранее описанные как самостоятельные виды рода Acetobacter, в настоящее время рассматривают как подвиды G. oxydans или как синонимы этого вида.
Клетки ацетобактеров — прямые или слегка изогнутые палочки (0,6—-0,8 X 1,0—3,0 мкм). Клетки глюконобактеров также палочковидные или эллипсоидной формы (0,6—0,8X1,5— 2,0 мкм). Для бактерий этих родов характерно образование инволюционных форм — гипертрофированных клеток, часто нитевидных со вздутиями. Это явление наблюдается в культурах уксуснокислых бактерий в условиях, не благоприятных для размножения (клетки растут, но не могут делиться).
Считают, что представители рода Acetobacter — перитрихи, тогда как G. oxydans — лофотрих. Однако имеются наблюдения, свидетельствующие, что у глюконобактеров встречаются клетки с единичными боковыми жгутиками, а ацетобактеры обладают наряду с одним полярным жгутиком тремя — пятью боковыми.
Уксуснокислые бактерии относятся к мезофилам. Оптимальная температура их роста 25—30 °С. Приспособлены к существованию в кислой среде. Максимальная скорость роста отмечается при рН 5,4—5,8. Однако они могут размножаться и производить окислительные трансформации и при рН 3,5—4,5, а отдельные представители — даже при рН 2,5. Уксуснокислые бактерии не разлагают белки, не используют аминокислоты в качестве источника углерода и поэтому не растут на мясопептонных средах. Они лишены внеклеточных протеиназ, амилолитических и липо-литических ферментов.
В качестве источника азота уксуснокислые бактерии используют минеральные соли, лучше всего аммонийные. Их рост в синтетических питательных средах часто зависит от наличия витаминов, потребности в которых у разных видов различны. Так, G. oxydans нуждается в пантотеновой, пара-аминобензойной и никотиновой кислотах. В промышленности в питательные среды для G. oxydans в качестве источника указанных витаминов добавляют дрожжевой или кукурузный экстракты. A. aceii сам синтезирует все необходимые витамины и поэтому растет в синтетических питательных средах без их добавления.
Для бактерий рода Acetobacter лучшим соединением углерода является уксусная кислота. Они хорошо растут также в средах, содержащих этиловый спирт или молочную кислоту, превращая их в уксусную. Ацетобактеры окисляют уксусную кислоту в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК). У некоторых из них функционирует также глиоксилатный цикл .
Глюконобактеры хорошо растут в средах, содержащих глюкозу, фруктозу, сорбит или глицерин. Этиловый спирт и уксусную кислоту в качестве источника углерода они не используют и уксусную кислоту не окисляют. G. oxydans обладает неполным ЦТК. У этих бактерий отсутствует сукцинатдегидрогеназа и, соответственно, янтарная кислота не превращается в фумаровую. Другие ферменты ЦТК у G. oxydans имеются, но проявляют низкую активность по сравнению с аналогичными ферментами у бактерий рода Acetobacter. Поэтому считают, что ЦТК не имеет значения в энергетическом обмене у О. oxydans, функционируя только как механизм, обеспечивающий биосинтез органических кислот, из которых образуются аминокислоты .
Уксуснокислые бактерии не способны расти за счет анаэробного превращения углеводов. Энергией они обеспечиваются в процессе аэробного дыхания. Диссимиляция моносахаридов и многоатомных спиртов происходит по пентозофосфатному окислительному пути. Для G. oxydans пентозофосфатныи путь имеет важное значение, компенсируя нефункционирующий полный ЦТК. Дегидрогеиазы глюкозо-6-фосфата и 6-фосфоглю-коната этих бактерий проявляют активность не только с НАДФ, как у большинства организмов, но и с НАД. Благодаря этому в окислительных реакциях пеитозофосфатного пути, катализируемых указанными ферментами, образуется восстановленный НАД,от которого электроны транспортируются в дыхательную цепь. Функционирование последней ведет к окислительному фосфори-лированию и, следовательно, к образованию АТФ.

Окислительные трансформации этилового спирта в уксусную кислоту, сорбита в сорбозу и многие другие происходят не только в растущих культурах уксуснокислых бактерий, но и при инкубации суспензии их неразмножающихся клеток в растворах окисляемых веществ.
Уксуснокислые бактерии обладают дегидрогеназами двух типов, которые различаются по локализации в клетках и физико-химическим свойствам. Одни из них связаны с системой внутриклеточных мембран и не требуют для своей активности пиридин-нуклеотидов, другие — растворимые — зависимы от НАД и НАДФ. Мембранно-связанные ферменты действуют" в кислой среде, растворимые — в щелочной.
Активность мембранно-связанной алкогольдегидрогеназы A. aceti и G. oxydans в 300 раз выше активности растворенного фермента. Оптимум рН мембранно-связанной алкогольдегидрогеназы A. aceti — 4,0, а растворенной — 8,0. Поэтому считают, что основная роль в трансформации спирта в уксусную кислоту в промышленных условиях (при рН 2,5—3,0) принадлежит мемб-ранно-связанным ферментам уксуснокислых бактерий. Указанные ферменты выделены и очищены. Предложен новый микрометод определения количества этилового спирта, основанный на использовании мембранно-связанной алькогольдегидрогеназы уксуснокислых бактерий в реакции in vitro.
Уксуснокислые бактерии окисляют не только этиловый спирт, но и другие первичные алифатические спирты с длиной цепи углеродных атомов не более шести, однако количество образуемых при этом кислот — муравьиной, пропиоиовой, масляной, изомасляной и изовалерьяновой — невелико.
Много органических соединений уксуснокислые бактерии образуют в результате окислительных трансформаций алифатических гликолей. Они окисляют как первичные, так и вторичные спиртовые группы этих веществ; при этом возникают кислоты или кетосоединения. Ниже приведены примеры таких реакций.
Некоторые гликоли и их производные подавляют рост уксуснокислых бактерий. Однако отмытые клетки, выращенные в среде с другими соединениями углерода, производят окислительные трансформации таких веществ. Из разных видов уксуснокислых бактерий выделены ферменты, катализирующие неполное окисление гликолей. Они специфичны по отношению к гликолям и не катализируют окисление альдосахаров, а также полиолов.