Ферментация на целулозата


Категория на документа: Биология


ФЕРМЕНТАЦИЯ НА ЦЕЛУЛОЗАТА

СЪДЪРЖАНИЕ

1.Целулоза. 3
2.Причинители. 5
3.Химизъм на ферментацията 7
4.Значение и приложение 9

Целулозата е най-широко разпространеният захар в природата и основна съставна част на всяка растителна клетка. Биохимичният процес, при който в резултат на жизнената дейност на специфични бактерии при анаеробни условия целулозата се разгражда до мастна киселина, оцетна киселина, етилов алкохол, СО2 и Н2, се нарича ферментация на целулозата. Поради широкото разпространение на този въглехидрат, разлагането му играе важна роля в процеса на минерализация и в кръговрата на въглерода в природата.
1. Целулоза.

Целулозата се синтезира почти изцяло от зелените растения - намиращите се в почвата растителни остатъци се състоят 40 до 70% от целулоза. По този начин нейната синтеза превишава синтезата на всички останали природни съединения и намира широко разпространение.

Фиг.1. Целулозни влакна в растителната клетъчна стена.

Целулозата е основна съставна част на растителната клетка, като голямото й съдържание в клетъчната стена определя редица свойства на клетката - якост, еластичност, пропускливост (фиг.1). С най-голямо съдържание е в памука (95-98 %) и дървесината (40-60%). Тя е основен компонент, изграждащ структурата на естествените влакна лен, памук и коноп. Целулозата е безцветно вещество с влакнеста структура. Тя е полизахарид, природен високомолекулен полимер, веригата на който е неразклонена и се състои от глюкозни единици или остатъци от целобиоза, съединени с β-1,4-глюкозидни връзки (фиг.2).
Фиг.2. Структура на целулозата.
Молекулите на целулозата, имащи удължена форма, са съединени чрез водородни връзки в снопчета, микрофибрили, всяко от които се състои от приблизително 60 молекули. Формирането на такава нишковидна структура, поддържана от многобройни водородни връзки е причина за изключителната здравина на целулозните влакна, също така определят неразтворимостта й във вода и органични разтворители. Хидроксилните групи пропускат водата и разтворените в нея съединения. Така, предпазвайки клетките от механични повреди, целулозните обвивки не пречат на снабдяването им с хранителни вещества и изпълняват опорна функция в растителните клетки. В растителните тъкани целулозата почти винаги е свързана с хемицелулоза, пектин и лигнин (фиг.3), които оказват значително влияние върху нейната достъпност за ензимно действие, т.е. препятстват контакта на ензими с целулозните микрофибрили и по този начин правят тъканите устойчиви към неблагоприятни външни условия.
Фиг.3. Целулоза, хемицелулоза и пектин в клетъчната стена.
Тези особености в структурата на целулозата обуславят нейното повсеместно разпространение в растителния свят, придавайки на клетките устойчивост и здравина. Тези й качества обаче определят и трудното й разграждане до по-прости монозахари от живите организми. Повечето бозайници, както и човекът не оползотворяват целулозата, която приемат с храната, т.е. не могат да я разграждат. Изключение правят тревопасните животни. В храносмилателния им канал има бактерии, които разграждат целулозата до глюкоза. Термитите, както и някои гъби също могат да разграждат целулозата. Въпреки че се синтезира почти изцяло от зелените растения, при кръговрата на веществата в природата се разгражда предимно от микроорганизми. Разнообразната микрофлора, способна да разгражда целулозата, позволява осъществяването й в различни условия на аерация, при различно рН на средата, влажност и температура. Целулозата се разгражда от аеробни микроорганизми, бактерии и гъби, и анаеробни мезофилни и термофилни бактерии.

2.Причинители.

Ферментацията на целулозата се причинява от бактерии от род Clostridium, които се отнасят към семейство Bacillaceae (фиг.4). Отделните клетки са пръчковидни, което им дава името си от гръцката Kloster (κλωστήρ) или вретено. Те са облигатни анаероби - за съществуването им е задължително в средата да не присъства кислород. Способни са да образуват ендоспори, които спомагат за предпазване на клетките от неблагоприятни външне условия.

В тази форма бактериите могат да преживеят десетки години. Бактериите са Грам-положителни. Формират колонии под формата на пелена на повърхността на субстрата. Тези бактерии обитават почвата, естествените торове, отпадните води, храносмилателния канал на преживните животни и др. Те са киселинно устойчиви.
Фиг.4. Бактерии от род Clostridium.

Clostridium участват активно в кръговрата на въглерода и азота в природата - някои от тях са амонифициращи, а други осъществяват ферментация на полизахариди до по-нискомолекулни съединения. Съществуват и патогени, които попаднали в организма разграждат живите тъкани и развиват редица заболявания - ботулизъм, газ гангрена, тетанус, хранителни инфекции(фиг.5). Счита се, че непатогенните щамове могат да помагнат в лечение на различни забалявания, като изследванията показват, че Clostridium могат избирателно да разграждат ракови клетки. Някои се използват за разграждане на трудноразградими органични отпадъци от производството. Изследва се способността на бактериите да отделят водород и етанол, които като биогорива биха могли в бъдеще да послужат като алтернативен възобновяем източник на енергия. Поради широкото разпространение на целулозата, чрез осъществяване на нейната ферментация микроорганизмите поддържат един от най-големите материални потоци в биосферата - консумацията на въглерод. Фиг.5. Clostridium tetani -

причинител на тетанус

Типични представители на целулозоразграждащи щамове са:
Clostridium cellobioparum: клетките имат форма на пръчици с размери 0,5-0,6 и 1,4-3,3 µm, Грам +. Движат се с помощта на перитрихи и са мезофилни. Спорите са овални или сферични, разположени терминално. Повърхностните колонии са кръгли, с диаметър 0,5-1,5 µm, с жълтеникъв отенък.
Clostridium omelianskii: Грам +, подвижни пръчковидни бактерии, образуващи големи спори, в резултат клетката силно се раздува и наподобява барабанна палка, разграждат целулозата при температура 30-40ºС.
Clostridium thermocellum (фиг.6): термофили, оптималната температура за вида е 60ºС. Клетките на тези бактерии са подвижни, грамотрицателни пръчици с размери 0,6-0,7 и 2,5-3,5 µm. Спорите са разположени субтерминално и придават на клетките бухалковидна форма. Тази бактерия расте на прости синтетични среди, използвайки като въглероден източник целулоза или целобиоза. Повърхностните колонии са воднисти, леко изпъкнали, често са оцветени в жълтооранжев цвят.
Фиг.6. Clostridium thermocellum.
Целулозоразграждащите бактерии живеят винаги в симбиоза с други бактерии. Те снабдяват своите спътници с различни продукти от целулозната ферментация, а получават от тях азотни източници при анаеробни условия. Натрупването на отпадни продукти в хранителната среда инхибира развитието на бактериите - затруднява се тяхното фунциониране, което води до лизис на клетката. Абсорбирането им обаче от други микроорганизми спомага за подобряване на условията. Например жизнеспособността на Clostridium се повишава, когато натрупаният като продукт водород се преработва от щама Methanobacterium ruminantium.
В търбуха на преживните животни целулозата се разлага предимно от микроорганизми. Целулозата на фуражите би останала неизползвана, ако в процеса на еволюцията при преживните животни не са възникнали симбиотични взаимоотношения с микроорганизми, способни да разлагат пелулозата до по-нискомолекулни съединения.
Първото изолиране и изследване на бактерии, ферментиращи целулоза е направено от В. Л. Омелиански през 1902 г. Целулозните бактерии са строго приспособени към използване на целулоза. Клетките се развиват плътно прилепнали към целулозните влакна. Ферментират лошо или слабо глюкоза, малтоза, захароза. Разграждането на целулозата е основната им роля в природата. Целулазните ензими, които катализират хидролизата на целулозата не се отделят в средата. Затова се предполага, че те се намират в концентриран вид на повърхността на клетките, тъй като е установено, че целулозата се хидролизира само в тези участъци където клетките са плътно прилепнали към нея. Способността на бактериите да разграждат целулозата се дължи на производството на сложна система от около 20 целулазми ензима, наречена целулозом, чрез които се осъществява както деградацията на молекулата, така и транспортът на нейните мономери в клетката.

3.Химизъм на ферментацията.

Целулозната ферментация е сложен биохимичен процес, при който в резултат на жизнената дейност на специфични бактерии целулозата се разгражда при анаеробни условия до маслена киселина, оцетна киселина, етилов алкохол, СО2 , Н2.
Процесът на разграждането на целулозата е твърде сложен и минава през редица етапи. Първият представлява ензимна хидролиза на полимера под влияние на ензима целулаза. Неразтворимата във вода целулоза се превръща отначало в дизахарида целобиоза, който след това под действието на ензима целобиаза се хидролизира и преминава в глюкоза. Схематично този процес може да се изрази по следния начин:

В процеса участват ензими с общото название "целулолитични" или "целулази". Ензимният комплекс катализира хидролизата на нативната целулоза и нейните производни до получаване на разтворими захари по схемата:

Целулазните ензими се разделят на С1, С2 и β - глюкозидаза (целобиаза). С1 - ензимът се означава като екзо - целобиохидролаза или β-1,4,- D- глюканцелобиохидролаза. Участието на този ензим при хидролазата на целулозата е задължително. Механизмът на действието му все още не е напълно изяснен, но е установено, че С1 - ензимът катализира известни изменения в молекулата на целулозата (вътре в макромолекулата се разкъсват различни β-1,4 връзки, при което се получават големи вериги от фрагменти) със свободни краища, която става достъпна за действието на следващите ензими от целулазния комплекс. Сх -ензими (β-1,4-глюканази) участвуват задължително в хидролиза на целулозата след С1 ензимите. В зависимост от механизма на дейсствие върху β-1,4- глюканите Сх ензимите се класифицират в две групи: 1.Сх - ендо-ензим, ендо .1,4- β-глюканаза (целулаза-β-D-глюкан-4-глюканохидролаза), който катализира безпорядъчно хидролизата на вътрешноверижните β-1,4-глюкозидни връзки в молекулата на целулозата: 2.Сх - екзоензим е екзо-1,4-β-глюканаза (1,4-β-D- глюкан-4-глюканохидролаза), който катализира последователното хидролитично
Фиг.7. Хидролиза на целулоза. глюкан-4- верига.



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Ферментация на целулозата 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.