Разложение клетчатки
Общебиологическое значение брожения клетчатки (целллюлозы) исключительно велико. В течение года растения образуют до 35 млрд. т органических веществ, 50% сухой массы которых представлены клетчаткой. К концу вегетационного периода на поверхности и в глубине почвы, в различных водоемах скапливаются огромные количества погибших растений. Разложение всех этих растительных остатков осуществляется разнообразными микроорганизмами: аэробными и анаэробными бактериями, актиномицетами, грибами. Минерализация клетчатки микроорганизмами обусловливает восстановление баланса углерода в природе.
Значительный технический интерес представляет биохимическое разложение клетчатки в пищевой промышленности. С этим процессом связана утилизация и уничтожение производственных отходов, так как в растительных отбросах, в сточных и фекально-хозяйственных водах содержится значительное количество клетчатки. Брожение клетчатки часто используется и в производствах, получающих органические кислоты, спирты и пр. Осахаривание клетчатки позволяет использовать ее вместо пищевого сырья.
Возможность разрушения клетчатки микробами приходится учитывать и в строительном деле, так как целлюлозоразлагающие бактерии и грибы, поражающие деловую древесину, могут нанести большой экономический ущерб хозяйству. Разложение клетчатки осуществляется и в кишечнике травоядных животных.
Сбраживание клетчатки микробами наблюдал в 1850 г. Митчерлих, а в 1875 г. русский микробиолог Попов. Однако детальное объяснение этот процесс получил лишь в 1902 г. в классических работах В. Л. Омелянского. Большую роль в изучении морфологии и физиологии целлюлозоразлагающих микробов сыграли и другие отечественные ученые - С. Н. Виноградский, А. А. Имшенецкий, Б. Л. Исаченко, В. В. Первозванский и др.
Для расщепления клетчатки в лабораторных условиях необходимы высокие температуры и давления и сильные реактивы: только длительное кипячение в автоклавах под давлением с разведенной серной кислотой или действие на холоду соляной кислоты плотностью 1,21 г/см3 вызывает осахаривание клетчатки - ее гидролиз до глюкозы по схематическому уравнению
В природных же условиях расщепление клетчатки микробами осуществляется при обычных температурах как в аэробных, так и анаэробных условиях. Благодаря содержанию у целлюлозоразлагающих микробов в комплексе их ферментов целлюлазы гидролиз клетчатки протекает довольно быстро. В дальнейшем образовавшаяся глюкоза подвергается сбраживанию.
В анаэробных условиях брожение протекает с выделением либо водорода (водородное брожение), либо метана (метановое брожение); кроме того, образуются уксусная и масляная кислоты и углекислый газ. Возбудителями анаэробного брожения клетчатки являются бактерии Омелянского (Bac. Omeljanskii). Водородное брожение вызывает Bac. cellulosae (Bac. cellulosae hydrogenicus), метановое - Bac. methanicus (Bac. cellulosae methanicus). Эти микроорганизмы морфологически близки друг к другу, представляют собой довольно тонкие и длинные палочки и являются облигатными анаэробами. Отличаются они друг от друга только своими размерами. Возбудитель водородного брожения клетчатки раза в полтора крупнее возбудителя метанового брожения клетчатки.
Клетки Bacillus cellulosae (рис. 32, а) имеют 4-8 мкм в длину и 0,3-0,5 мкм в ширину. В старых культурах длина клеток достигает 10-15 мкм. Споры шаровидные, 1,5 мкм в диаметре, располагаются терминально, сильно раздувая клетку, отчего вся клетка становится похожей на барабанную палочку. Гранулезы в клетках не образует. Возбудитель метанового брожения Bacillus methanicus (рис. 32, б) имеет более тонкие (0,2 мкм) и короткие (4 мкм) клетки. Не накапливающие гранулезы спорообразующие клетки также имеют форму барабанных палочек. Существенным отличием этих бацилл друг от друга является скорость прорастания спор: у бациллы метанового брожения они прорастают значительно быстрее. Оптимальная температура развития обоих микроорганизмов 30-35 °С.
Из экспериментов травоядных животных был выделен термофильный микроб Bac. cellulosae dissolvens, лучше всего разлагающий клетчатку при 35-50 °С. Это длинная палочка (до 12 мкм), образующая овальные споры, выдерживающие кипячение при 100 °С в течение 50 мин.
Из факультативных анаэробов разложение клетчатки вызывает небольшая (0,4-0,5 мкм) спороносная палочка Clostridium thermocellum, обитающая в почве, в конском навозе и пр. Сбраживание клетчатки ею осуществляется при температурах 40-65 °С. При этом образуются уксусная и масляная кислоты, этиловый спирт, углекислый газ и водород.
Очень широко распространено в природе и аэробное брожение клетчатки. Из аэробных целлюлозоразлагающих бактерий наибольший интерес представляет Myxococcus Hutchinsonii (названная С. Н. Виноградским Cytophaga Hutchinsonii). Это неспорообразующая, длинная и тонкая (6,0x0,3 мкм), слегка изогнутая палочка, довольно подвижная и заостренная с обоих концов. Цитофага размножается делением, но в цикле ее развития наблюдается и стадия микроцисты - округлой клетки диаметром около 1,5 мкм. Микроциста не делится и не прорастает, но со временем превращается в цитофагу. Этот микроб превращает бумагу в слизистую желтую массу, легко растворяющуюся при кипячении в 1%-ном растворе соды.
Из актиномицетов и грибов активное участие в разложении клетчатки принимают некоторые виды Botrytis, Cladosporium, Trichoderma, Penicillium, Aspergillus и др. Они сначала гидролизуют клетчатку, а затем окисляют образовавшиеся сахара до воды и СO2. Развитие в почве целлюлозоразлагающих микроорганизмов имеет большое значение для жизнедеятельности другой почвенной микрофлоры, в частности азотфиксирующих бактерий. Эти микроорганизмы, развиваясь в симбиозе с разрушителями целлюлозы, способствуют образованию в почве гумусоподобных веществ, повышающих ее плодородие.
Ярким представителем микроорганизмов - возбудителей разрушения лигнина (или лигноцеллюлозы - вещества, инкрустирующего ткани растений и всегда сопутствующего целлюлозе) - является «домовой гриб» Merulius lacrymans. Мицелий этого гриба развивается на деревянных частях различных строительных сооружений (мосты, железнодорожные шпалы, полы, потолки, особенно в подвалах, и пр.). Дерево коробится, покрывается трещинами, буреет; на поверхности древесины образуется белый ватообразный объемистый мицелий гриба с желтыми или розовыми пятнами и каплями водянистой жидкости. 50% древесины при поражении домовым грибом превращается в CO2 и H2O, а остальное приходит в полную негодность. Развитие домового гриба на деловой древесине наносит большой ущерб народному хозяйству.