Маслянокислые бактерии¶

Маслянокислые бактерии (Clostridium spp.) — это группа грамположительных, строго анаэробных спорообразующих бактерий рода Clostridium, способных сбраживать углеводы и многоатомные спирты с образованием масляной (бутановой) кислоты, а также углекислого газа и водорода. Являются типичными представителями почвенной микрофлоры, кишечника животных и человека, а также участвуют в процессах брожения при производстве пищевых продуктов и силосовании кормов.

¶История открытия и изучения

Первые наблюдения маслянокислого брожения относятся к середине XIX века. В 1861 году французский микробиолог Луи Пастер описал процесс сбраживания глюкозы с образованием масляной кислоты, выделив возбудителя — Clostridium butyricum. В 1870-х годах немецкий ботаник Фердинанд Кон дал подробное морфологическое описание бактерий, образующих споры в виде веретена (от лат. clostridium — «веретёнце»). В 1890-х годах русский учёный С. Н. Виноградский установил роль маслянокислых бактерий в круговороте азота и углерода в почве. В XX веке с развитием промышленной микробиологии были выделены штаммы, используемые для получения масляной кислоты, ацетона и бутанола.

¶Морфология и физиология

¶Клеточное строение

Маслянокислые бактерии представляют собой крупные палочки длиной 3–8 мкм и шириной 0,6–1,2 мкм. Располагаются одиночно, парами или короткими цепочками. Клетки подвижны за счёт перитрихиально расположенных жгутиков. Характерной особенностью является способность образовывать споры, которые придают клетке веретенообразную (клостридиальную) форму. Споры устойчивы к нагреванию, высушиванию и действию дезинфицирующих средств.

¶Физиолого-биохимические свойства

• Дыхание: строгие анаэробы — рост возможен только в отсутствие молекулярного кислорода.
• Температурный оптимум: мезофильные виды (25–40 °C), некоторые термофильные (до 55 °C).
• pH-оптимум: 6,5–7,5.
• Субстраты: сбраживают моносахариды (глюкоза, фруктоза), дисахариды (сахароза, мальтоза), полисахариды (крахмал, пектин, целлюлоза), а также глицерин и лактат.
• Продукты брожения: масляная кислота, уксусная кислота, углекислый газ, водород. В зависимости от штамма и условий могут образовываться ацетон, бутанол, этанол, пропионовая кислота.

¶Классификация и основные виды

Род Clostridium включает более 150 видов, из которых к маслянокислым относят около 30. Основные представители:

¶Распространение и экология

Маслянокислые бактерии широко распространены в природе. Их споры обнаруживаются в почве (особенно в богатой органикой), донных отложениях водоёмов, навозе, силосе, а также в кишечнике травоядных животных и человека. В анаэробных условиях (например, в болотах, руминальном отделе желудка жвачных) они участвуют в разложении целлюлозы и пектина, способствуя круговороту углерода. Некоторые виды, такие как C. pasteurianum, способны фиксировать атмосферный азот, что важно для плодородия почв.

¶Маслянокислое брожение

¶Химизм процесса

Маслянокислое брожение — это анаэробный метаболический путь, при котором из глюкозы образуется масляная кислота. Суммарное уравнение: \[ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow \text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2 + 2\text{CO}_2 + 2\text{H}_2 + \text{энергия} \] Промежуточными продуктами являются пируват, ацетил-КоА и ацетоацетил-КоА. Выход масляной кислоты может достигать 0,5–0,6 г на 1 г сброженного субстрата.

¶Виды брожения

• Классическое маслянокислое: преобладает масляная кислота (до 70–80% от всех кислот).
• Ацетон-бутанольное: характерно для C. acetobutylicum; наряду с масляной кислотой образуются ацетон и бутанол.
• Смешанное (пропионово-масляное): у некоторых видов дополнительно синтезируется пропионовая кислота.

¶Применение в промышленности

¶Производство масляной кислоты

Масляная кислота используется в пищевой промышленности (ароматизатор сыров, кондитерских изделий), в производстве пластмасс (сложные эфиры), в фармацевтике (синтез лекарственных средств). Промышленное получение основано на ферментации углеводсодержащего сырья (меласса, крахмал, гидролизаты древесины) с использованием C. butyricum или C. tyrobutyricum.

¶Получение растворителей

Ацетон-бутанольное брожение, осуществляемое C. acetobutylicum, было развито в первой половине XX века (процесс Вейцмана). Бутанол применяется как растворитель, в производстве лаков, красок, а также как биотопливо. В настоящее время интерес к этому процессу возрождается в связи с поиском возобновляемых источников энергии.

¶Биотехнология и пробиотики

Штаммы C. butyricum (например, MIYAIRI 588) используются в составе пробиотических препаратов для коррекции микробиоты кишечника, лечения диареи и воспалительных заболеваний кишечника. Масляная кислота, продуцируемая бактериями, служит источником энергии для колоноцитов и обладает противовоспалительным действием.

¶Отрицательное значение

¶Порча продуктов

Маслянокислые бактерии вызывают порчу молочных продуктов (позднее вспучивание сыров, прогоркание масла), консервов (бомбаж), пива и сидра (помутнение, неприятный запах). Споры выдерживают пастеризацию, что требует дополнительных мер контроля на пищевых производствах.

¶Патогенность

Некоторые виды рода Clostridium являются патогенными для человека и животных (например, C. botulinum — возбудитель ботулизма, C. tetani — столбняка). Однако собственно маслянокислые бактерии (кроме C. butyricum в редких случаях) обычно не вызывают заболеваний. Исключение — C. difficile (признан патогеном, вызывающим псевдомембранозный колит), но он не относится к типичным маслянокислым.

¶Интересные факты

• Масляная кислота придаёт характерный запах прогорклому маслу и рвотным массам.
• В 1915 году Хаим Вейцман (впоследствии первый президент Израиля) разработал промышленный процесс получения ацетона с помощью C. acetobutylicum, что было критически важно для производства кордита в Первую мировую войну.
• Споры маслянокислых бактерий могут сохранять жизнеспособность в почве десятки лет.

¶Источники

• Пастер Л. «Исследования о брожении» (1861).
• Виноградский С. Н. «О роли микроорганизмов в почвенных процессах» (1890).
• Schlegel H. G. «General Microbiology» (7th ed., 1993).
• Биологический энциклопедический словарь / гл. ред. М. С. Гиляров. — М.: Советская энциклопедия, 1986.
• «Маслянокислые бактерии» // Большая советская энциклопедия. — М., 1969–1978.
• Микробиология: учебник / под ред. А. И. Нетрусова. — М.: Академия, 2009.