Гниение продуктов вызывают бактерии

Смрад выгребных ям и свалок, гниющие органические останки – все это вызывает у людей стойкое чувство отвращения. Но, когда первая реакция проходит, и включается здравый смысл, приходит понимание, что это обязательный процесс жизни. За любым гниением можно увидеть зарождающуюся новую жизнь. Это вечный круговорот веществ в природе. И как ни разнообразны живые организмы на планете, удивительно, что единственные из них, которые отвечают за разложение – это бактерии гниения.

Что разлагается

Процессы разложения – это весь спектр реакций, в результате которых сложные вещества разлагаются до простых и более стойких. Процессом гниения (аммонификацией) называют разложение до простых молекул органических веществ, содержащих азот и серу. Сходный процесс – брожение – это разложение безазотистых органических веществ – сахаров или углеводов. И тот и другой процессы осуществляют микроорганизмы. Выяснение механизма данных процессов началось с опытов Луи Пастера (1822-1895). Если же посмотреть на бактерии гниения исключительно с химической точки зрения, то мы увидим, что причинами этих процессов является нестойкость органических соединений и микроорганизмы выступают лишь как возбудители химических реакций. Но и белок, и кровь, и животные под воздействием бактерий подвергаются разным типам гниения, то главенствующая роль именно микроорганизмов неоспорима.

Изучение предмета продолжается

Гниение имеет огромное значение как в экономии природы, так и в человеческой деятельности: от технических производств до развития болезней. Прикладная бактериология родилась всего порядка 50 лет назад, трудности изучения и сегодня громадны. Но перспективы огромны:

• Гниение и брожение активно используется в различных производствах – разделение растительных веществ, растительных волокон и стебля, зерен от мякоти и многое другое. Изучение процессов и микроорганизмов сулит новые технологии.
• Удаление органики необходимо при придании прочности растительным материалам (бумаги, древесины, ткани). И новые технологии этих производств уже в пути.
• Бактерии незаменимы в технологиях генной инженерии и производстве биологических лекарств. а их способности захватывать и выводить болезнетворные организмы сулит прорыв в медицине.

Кто же они – эти деструкторы?

Бактерии – это целое царство одноклеточных прокариотических (не имеющих ядра) организмов, которое начитывает порядка 10 тысяч видов. Но это нам известных, а вообще предполагается существование более миллиона видов. Они появились на планете задолго до нас (3-4 миллиона лет назад), были первыми ее обитателями и во многом именно благодаря им Земля стала пригодной для развития других форм жизни. Впервые в собственноручно деланный микроскоп «анималькули» увидел в 1676 году голландский натуралист Антони ван Левенгук. Только в 1828 году они получили свое название благодаря работам Христиана Эренберга. Развитие увеличительной техники позволило Луи Пастеру в 1850 году описать физиологию и метаболизм бактерий гниения и брожения, в том числе болезнетворных. Именно Пастер, изобретатель вакцины против сибирской язвы и бешенства, читается основателем бактериологии – науки о бактериях. Второй выдающийся бактериолог – немецкий врач Роберт Кох (1843-1910), открывший холерный вибрион и туберкулезную палочку.

Такие простые и такие сложные

По форме бактерии могут быть шаровидные (кокки), прямые палочки (бациллы), выгнутые (вибрионы), спиральные (спириллы). Они могут объединяться – диплококки (два кокка), стрептококки (цепочка кокков), стафилококки (гроздь кокков). Клеточная стенка из муреина (полисахарида в соединении аминокислотами) придает форму организму и защищает содержимое клетки. Мембрана клетки из фосфолипидов может впячиваться и одержит комплексы органов движения (жгутиков). В клетках нет ядра, а в цитоплазме находятся рибосомы и кольцевая ДНК (плазмид). Органелл нет, а функции митохондрий, хлоропластов выполняют мезосомы – выпячивания мембраны. У некоторых имеются вакуоли: газовые выполняют функцию перемещения в толще воды, а в запасающих находятся гликоген или крахмал, жиры, полифосфаты.

Как они питаются

По типу питания бактерии бывают автотрофные (сами синтезируют органические вещества) и гетеротрофные (потребляют готовые органические вещества). Автотрофы могут быть фотосинтетиками (зеленые и пурпурные) и хемосинтетиками (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии). Гетеротрофы бывают сапротрофами (используют продукты жизнедеятельности, отмершие останки животных и растений) и симбионты (используют органику живых организмов). Гниение и брожение осуществляют сапротрофные бактерии. Для осуществления обмена веществ одним бактериям необходим кислород (аэробы), а другим он не нужен (анаэробы).

Армии нашей не счесть

Бактерии обитают везде. Буквально. В каждой капле воды, в каждой луже, на камнях, в воздухе и почве. Перечислим лишь некоторые группы:

• Почвообразующие бактерии гниения – среда обитания почва, именно они обеспечивают круговорот веществ и без них планета покрылась бы трупами.
• Азотфикирующие бактерии – усваивают азот из воздуха, симбионты бобовых растений.
• Молочнокислые – предпочитают в пищу молочные продукты.
• Группа бактерий кишечных палочек – живут в нашем кишечнике и помогают в расщеплении углеводов.
• Болезнетворные – это все бактерии-возбудители заболеваний.
• Метанобактерии – бактерии, которые сделали для нас тот самый метан, на котором вы подогреете борщ.

Оптимальные условия

Для гниения необходимы определенные условия, и именно лишение бактерий этих условий лежит в основе нашей кулинарии (стерилизация, пастеризация, консервирование и так далее). Для интенсивного процесса гниения необходимо:

• Наличие самих бактерий.
• Внешние условия – влажная среда, температура +30-40 °С.

Варианты возможны различные. Но вода является неотъемлемым атрибутом гидролиза органических веществ. А ферменты работают только в определенном температурном режиме.

Главные аммонификаторы

Бактерии гниения, живущие в почве земли, это самая распространенная группа прокариот. Они играют важную роль в круговороте азота и возвращают в почву минеральные вещества (минерализуют) так необходимые растениям для процессов фотосинтеза. Форма бактерий, их отношение к наличию кислорода и способы питания разнообразны. Основные представители данной группы это спорообразующие клостридии, бациллы и неспорообразующие энтеробактерии.

Этапы разложения органики

Стадии разложения органических веществ бактериями гниения с химической точки зрения довольно сложны. В целом этот процесс осуществляется следующим образом:

• Метаболизм бактерий (ферментативная составляющая) основан на их возможности разорвать связи в молекулах азотсодержащих органических соединений. В процессе своего питания они захватывают белки и аминокислоты.
• В конечном итоге при воздействии ферментов-протеаз, в процессе гидролиза они разлагают их до простых неорганических веществ.
• Продукты. Полученные в результате этих химических реакций идут на постройку собственного организма и используются для накопления энергии в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Сенная палочка

Самая изученная бактерия – Bacillus subtilis, очень эффективный аммонификатор. Лучше нее изучена только кишечная палочка (Escherichia coli), наш кишечный симбионт. Сенная палочка – это аэробная бактерия гниения. На ее поверхности находятся ферменты-катализаторы протеазы, выработанные бактерией и используемые для получения жизненной энергии. Протеазы вступают в реакции гидролиза с белками внешней среды и разрушают его пептидные вязи с высвобождением начала крупных цепочек аминокислот, а потом все более мелких. Все, что ей необходимо, поступает в клетку, а что не нужно, отдается. И остаются токсичные вещества – сероводород и аммиак. Именно из-за этих газов места обитания сенных палочек так неприятно пахнут.

Наши соседи

В нашем кишечнике живет примерно 50 триллионов различных микроорганизмов, это где-то два килограмма. А это в 1,5 раза больше, чем общее количество клеток всего организма человека. И кто здесь хозяин, а кто симбионт? Это, конечно, шутка. Но среди этого многообразия соседей есть и бактерии гниения. Польза и вред для организма от них зависит от их количества и патогенности. В нашей ротовой полоти обитает до сорока тысяч бактерий. Кислую среду нашего желудка могут выдержать лактобациллы, некоторые стрептококки и сарцины. В двенадцатиперстную кишку выделяется сок поджелудочной железы с агрессивными пищеварительными ферментами (липазы и амилазы) и делают ее почти полностью стерильной.

В тонком и толстом кишечнике среда щелочная, тут сосредоточена вся масса микрофлоры. Именно тут бактерии помогают нам усваивать витамины (бифидобактерии), синтезировать витамины (К и В) и подавлять патогенную флору (кишечная палочка), расщеплять крахмал и целлюлозу, белки и жиры (аммонифицирующие бактерии) и это далеко не весь список полезных функций наших соседей. С калом каждый человек выделяет порядка 18 миллиардов бактерий, а это больше, чем людей на всей планете. Но те же бактерии могут при определенных условиях вызвать болезни. Именно поэтому многие из них считаются условно патогенными.

Значение бактерий гниения

Первые живые организмы этой планеты, самые эффективные в части занятия всех существующих на планете Земля экологических ниш – бактерии. Они минерализуют почву, делая ее плодородной. Возвращают в круговорот неорганические вещества. Утилизируют трупы и продукты жизнедеятельности всех живых организмов планеты. Обеспечивают человечество природными ресурсами. Делают нашу жизнь легче и помогают в усвоении пищевых компонентов. Этот список можно продолжать еще долго. Конечно, негативное значение гнилостных бактерий также велико. Но природа знала, что делала и наша задача на этой планете не нарушить то хрупкое равновесие, к которому пришел за эти почти четыре миллиона лет мир вокруг нас.

Гние́ние (аммонификация) — процесс разложения азотсодержащих органических соединений (белков, аминокислот) в результате их ферментативного гидролиза под действием аммонифицирующих микроорганизмов с образованием токсичных для человека конечных продуктов — аммиака, сероводорода, а также первичных и вторичных аминов при неполной минерализации продуктов разложения:

Содержание

Аммонифицирующие микроорганизмы [ править | править код ]

Аммонифицирующие микроорганизмы (иначе гнилостные микроорганизмы, гнилостная микрофлора) широко распространены в почве, воздухе, воде, животных и растительных организмах. Поэтому любой подходящий субстрат быстро подвергается гниению. Наиболее глубокий распад белка с образованием безазотистых и азотистых соединений (индол, скатол, аммиак, сероводород) идет при участии спорообразующих бактерий рода Bacillus (например Bacillus subtilis, Bacillus mycoides), Clostridium (Clostridium perfringens, Clostridium tetani, Clostridium histolyticum), и семейства Enterobacteriaceae (например Proteus, Escherichia).

Физиолог XIX века И. И. Мечников считал, что постоянно образующиеся в кишечнике продукты гниения (скатол, индол и др.) вызывают хроническую интоксикацию и являются одной из причин преждевременного старения. Чрезмерно интенсивное гниение в толстом кишечнике является причиной гнилостной диспепсии, диареи и дисбактериоза толстого кишечника.

Этапы гниения [ править | править код ]

Первой стадией разложения белков является их гидролиз как микробными протеазами, так и протеазами клеток погибшего организма, высвобождаемыми из лизосом в результате смерти клеток (аутолиз). Протеолиз происходит в несколько стадий — в начале белки расщепляются до всё ещё крупных полипептидов, затем образовавшиеся полипептиды расщепляются до олигопептидов, которые в свою очередь расщепляются до дипептидов и свободных аминокислот. [1] Образовавшиеся свободные аминокислоты затем подвергаются ряду превращений, приводящих к выделению характерных для гниения продуктов. Первыми стадиями является дезаминирование аминокислот, в результате которого аминогруппа аминокислоты отщепляется и высвобождается свободный ион аммония и декарбоксилирование, в результате которого карбоксильная группа отщепляется с высвобождением диоксида углерода (реакция декарбоксилирования чаще всего происходит в условиях пониженного pH). В результате декарбоксилирования высвобождаются также первичные амины:

Выделяют так называемое окислительное дезаминирование (наиболее распространённый вид дезаминирования, в результате которого NAD(P) восстанавливается до NAD(P)H₂) и гидролитическое дезаминирование, при котором аминогруппа аминокислоты заменяется на гидроксильную.

Также некоторые аминокислоты трансаминируются путём перемещения аминогруппы аминокислоты на 2-оксикислоту (в результате этого процесса также происходит дезаминирование аминокислот, кроме этого синтезируются те аминокислоты, которые бактерии не могут синтезировать путём аминирования ионами аммония).

Образовавшиеся в результате дезаминирования и декарбоксилирования продукты могут как окисляться микроорганизмами с целью получения энергии в виде АТФ, так и участвовать в реакциях промежуточного обмена. [2]

Образование скатола и индола [ править | править код ]

Анаэробное разложение белков представителями рода Clostridium [ править | править код ]

Характерной особенностью так называемых протеолитических клостридиев (то есть разрушающих белки — например Clostridium hystoliticum) является способность сбраживать аминокислоты (таким образом используя их для получения энергии и как источник углерода) и продуцировать протеолитические ферменты. Представители рода Clostridium способны сбраживать глутаминовую кислоту, глутамин, гистидин, лизин, аргинин, фенилаланин, серин, треонин, аланин и цистеин. Некоторые аминокислоты могут сбраживаться одиночно (например лизин, в результате сбраживания которого происходит образование аммиака, масляной и уксусной кислот), а некоторые лишь парами (при котором происходит сопряжённая окислительно-восстановительная реакция, в которой одна аминокислота выступает в роли донора электронов, а вторая- акцептора). Донорами электронов в реакциях парного сбраживания могут выступать аспарагин, аланин, валин, серин, гистидин, в роли акцептора — глицин, пролин, орнитин, аргинин.

Хорошо изучено сопряжённое окисление-восстановление пары аланина и глицина. Суммарно реакция выглядит так:

В результате парного сбраживания аланина и глицина бактерия получает 1 молекулу АТФ на каждую молекулу аланина. [3]

Анаэробная и гнилостная инфекция [ править | править код ]

Анаэробная инфекция — тяжелая токсическая раневая инфекция, вызванная анаэробной гнилостной микрофлорой, с преимущественным поражением соединительной и мышечной ткани.

В хирургии принято выделять [4] :

• Анаэробная клостридиальная (классическая) инфекция (гангрена газовая)
• Анаэробная неклостридиальная инфекция
• Гнилостная инфекция

При анаэробной инфекции (газовой гангрене) ткани, омертвевшие под действием экзотоксинов, образуемых бактериями рода Clostridium, колонизируются вторичной гнилостной микрофлорой.

Гнилостная инфекция — инициируется представителями анаэробной неклостридиальной микрофлоры в сочетании с аэробными микроорганизмами (чаще стафилококками или граммотрицательными палочками Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Proteus vulgaris, Enterobacter aerogenes, Klebsiella).

Судебная медицина [ править | править код ]

Под гниением трупа человека в судебной медицине понимают такие поздние трупные явления, при которых под воздействием микроорганизмов происходит разложение сложных органических соединений тканей человека (прежде всего белков). Гниение трупа начинается через сутки-двое после смерти человека. При гниении трупа выделяется много газообразных продуктов (аммиака, сероводорода, метана), при этом труп распухает (так называемая трупная эмфизема, особенно распухают ткани лица, конечности, мошонка и молочные железы), при этом ткани могут разрываться с выделением жидкости, окрашенной в коричневые и зелёные тона, представляющей собой вышедшую в ткани плазму крови, окрашенную биливердином и билирубином (продуктами разложения гемоглобина).

Гниение наиболее интенсивно происходит в условиях повышенной влажности воздуха и повышенной температуры. В условиях доступа свежего воздуха гниение также происходит быстрее, чем в воде или почве (в гробах и других герметично закрытых ёмкостях гниение происходит медленнее). При низких температурах гниение замедляется, при температурах ниже нуля может совсем приостановиться. При наличии гнойных процессов, а также сепсиса гниение значительно ускоряется.

Толстый кишечник первым вовлекается в процесс гниения (из-за обильной обсеменённости кишечника симбионтными бактериями), при этом при комнатной температуре через сутки на нижней части брюшной стенки появляются зелёные пятна, распространяющиеся через 11—13 суток на всё тело. Тело распухает из-за выделяющихся газообразных продуктов гниения, кровь окрашивается в грязно-зелёный цвет. В дальнейшем все мягкие ткани человека разлагаются, становятся кашицеобразными, превращаясь в дурнопахнущую жидкость и наступает скелетизация трупа, при этом остаётся один скелет. [5]

Бактерии обитают везде: на земле и на воде, под землей и под водой, в воздушной среде, в телах других созданий природы. Так, к примеру, в организме здорового взрослого представителя рода людского обитает свыше 10 тысяч видов микроорганизмов, а общая их масса составляет от 1 до 3 процентов всего веса человека. Часть микроскопических созданий в качестве питания используют органику. Среди них значимое место занимают бактерии гниения. Они разрушают останки мертвых тел животных и растений, питаясь данной материей.

Естественный процесс

Разложение органики является естественным процессом и к тому же обязательным, словно бы четко запланированным самой природой. Без гниения невозможен был бы круговорот веществ на Земле. И в любом случае признаки разложения означают появление новой жизни, зарождающейся вначале. Бактерии гниения здесь – важные персоны! Среди всего богатства органических форм жизни именно они отвечают за этот трудоемкий и незаменимый процесс.

Что такое гниение

Суть в том, что сложнейшая по своему составу материя распадается на более простые элементы. Современное представление ученых об этом процессе, превращающем органические соединения в неорганические, можно описать следующими действиями:

• Бактерии гниения обладают метаболизмом, что разрывает химическим путем связи молекул органики, содержащих азот. Процесс питания происходит в форме захвата молекул белка и аминокислот.
• Ферменты, что выработаны микроорганизмами, в процессе расщепления высвобождают аммиак, амины, сероводород из молекул белка.
• Продукты, поступающие в организм бактерии гниения, используются для получения энергии.

Высвобождая аммиак

Круговорот азота – важная составляющая жизни на Земле. А микроорганизмы, в нем участвующие, – одна из самых многочисленных групп. В природных экосистемах они играют основную восстанавливающую роль в минерализации почвы. Отсюда и название – редуцент (что означает "восстанавливающий"). Здесь широко представлены бактерии разложения и гниения аммонифицирующие, то есть способные высвобождать азот из мертвой органики. Это неспорообразующие энтеробактерии, бациллы, спорообразующие клостридии.

Сенная палочка

Bacillus subtilis – одна из самых распространенных и изученных исследователями бактерий. Живет в почве, в основном осуществляет дыхание при помощи кислорода. Состав тела – одна безъядерная клетка. Это довольно крупный микроорганизм, изображение которого можно получить при помощи простого увеличения. Для питания сенная палочка вырабатывает протеазы – ферменты катализации, которые пребывают на внешней оболочке ее клетки. С помощью ферментов бактерия разрушает структуру молекулы белка (пептидную связку аминокислот), тем самым высвобождается аминогруппа. Как правило, этот процесс происходит в несколько этапов и приводит к синтезу энергии в клетке (АТФ). Разложение, вызванное бактериями (гниение), сопровождается образованием токсичных соединений, вредных для человека.

Что это за вещества

В первую очередь это конечные продукты: аммиак и сероводород. Также при неполной минерализации образуются:

• трупные яды (кадаверин, например);
• соединения ароматического характера (скатол, индол);
• при гниении аминокислот, содержащих серу, образуются тиолы, диметилсульфоксид.

Вообще-то, в рамках, контролируемых иммунитетом, процесс разложения – часть пищеварительного процесса для многих животных и для человека. Он происходит, как правило, в толстом кишечнике, и бактерии, вызывающие гниение, играют в нем первостепенную роль. Но в больших масштабах отравление продуктами гниения может привести к плачевным результатам. Человек нуждается в срочной медицинской помощи, промывании кишечника и восстанавливающей микрофлору терапии. К тому же накопление в организме аммиака может инициироваться некоторыми видами бактерий, в том числе и кишечной палочкой. В результате в некоторых тканях накапливается аммиак. Но при нормальном функционировании всех систем он связывается до мочевины и затем выводится из организма человека.

Сапротрофы

Бактерии гниения относят к сапротрофам, наряду с бактериями брожения. И те и другие расщепляют органические соединения – азотсодержащие и углеродсодержащие соответственно. В обоих случаях высвобождается энергия, используемая для питания и жизнеобеспечения микроорганизмов. Без бактерий брожения (к примеру, кисломолочных) человечество не получило бы таких важнейших продуктов питания, как кефир или сыр. Также широко они нашли применение в кулинарии и виноделии.

Но сапротрофные бактерии гниения могут вызывать и порчу продуктов. Данный процесс, как правило, сопровождается обширным выделением углекислот, аммиака, энергии, ядовитых для человека веществ, а также нагреванием субстрата (иногда до самовоспламенения). Поэтому люди научились создавать условия, при которых бактерии гниения утрачивают способность к размножению или просто погибают. К таким предохраняющим продукты мерам можно отнести стерилизацию и пастеризацию, благодаря которым консервация может сохраняться относительно долгое время. Утрачивают свои свойства бактерии и при заморозке продукта. А в древности, когда еще не были известны современные способы, от порчи патогенной микрофлорой продукты предохраняли при помощи высушивания, соления, засахаривания, так как в соленой и сахарной среде микроорганизмы прекращают свою жизнедеятельность, а при сушке удаляется большая часть воды, нужной для размножения бактерий.

Бактерии гниения: значение микроорганизмов в биосфере

Роль бактерий такого рода для всего живого на Земле трудно переоценить. В биосфере, благодаря их аммонифицирующей жизнедеятельности, постоянно идет процесс разложения умерших животных и растений с последующей их минерализацией. Образовавшиеся в результате этого простые вещества и соединения неорганического характера, среди которых углекислый газ, аммиак, сероводород и другие, участвуют в круговороте веществ, служат питанием для растений, замыкают переход энергии от одного представителя флоры и фауны Земли к другому, предоставляя возможность зарождения новой жизни.

Высвобождение азота недоступно для высших растений, и без участия бактерий гниения они не смогли бы полноценно питаться и развиваться.

Бактерии гниения напрямую участвуют в почвообразовательных процессах, разлагая отмершую органику на составные части. Это их свойство играет незаменимую роль в сельском хозяйстве и других видах деятельности человека.

Наконец, без упомянутой жизнедеятельности микроорганизмов поверхность Земли, включая водные пространства, была бы усеяна не разложившимися трупами животных и растений, а их за время существования планеты умерло немалое количество!