microbiologie aplicata

of 25 /25
MICROBIOLOGIE APLICATĂ Cunoaşterea particularităţilor microorganismelor permite dezvoltarea unor aplicaţii în diferite domenii ale agriculturii, industriei alimentare, industriei farmaceutice, industriei chimice, a pielăriei, a protecţiei mediului ş.a.m.d. Trebuie remarcat faptul că biotehnologia a fost multă vreme identificată cu microbiologia industrială, incluzând doar aspectele legate de cultivarea microorganismelor, conservarea, ameliorarea prin metode convenţionale (mutaţie şi selecţie a mutantelor de interes) şi utilizarea lor practică pentru obţinerea unor produse specifice. Ulterior, domeniul biotehnologiei s-a extins, incluzând şi plantele, animalele, virusurile şi culturile celulare precum şi tehnologia ADN recombinant aplicată în scopuri industriale. In tabelul 1 sunt redate o parte dintre principalele microorganisme utilizate în biotehnologii din diferite domenii. Tabelul 1. Principalele microorganisme cu importanţă biotehnologică şi produşii lor (după Hunter- Cevera şi Belt, 1996) Domeniul de aplicare Organismul Tipul Produsul Industria alimentară şi a băuturilor Saccharomyces cerevisiae Drojdie Produse de panificaţie, vin, bere, sake S.carlsbergensis Drojdie Bere slabă S.rouxii Drojdie Sos de soia Candida milleri Drojdie Pâine franţuzească din aluat acrişor („Sour bread”) Lactobacillus sanfrancisco Bacterie Pâine franţuzească din aluat acrişor („Sour bread”) Streptococcus thermophilus Bacterie Iaurt Lb.bulgaricus Bacterie Iaurt Propionibacterium shermanii Bacterie Brânză elveţiană Gluconobacter suboxidans Bacterie Oţet Penicillium roquefortii Fung filamentos Brânză tip „Roquefort” P.camembertii Fung filamentos Brânză tip „Camembert” şi „Brie” Aspergillus oryzae Fung filamentos Sake Rhizopus Fung filamentos Tempeh Mucor Fung filamentos Sufu (cheag microbian) Monascus purpurea Fung filamentos Ang-kak (orez roşu) Industria chimică S.cerevisiae Drojdie Etanol (din glucoză) Kluyveromyces fragilis Drojdie Etanol (din glucoză) Clostridium acetobutylicum Bacterie Acetonă şi butanol Xanthomonas campestris Bacterie Polizaharide Aspergillus niger Fung filamentos Acid citric Aminoacizi şi Corynebacterium Bacterie L-lizină; acid 5’inozinic; acid 5’ guanilic

Author: lamnhi

Post on 17-Dec-2016

294 views

Category:

Documents


11 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • MICROBIOLOGIE APLICAT

    Cunoaterea particularitilor microorganismelor permite dezvoltarea unor aplicaii n

    diferite domenii ale agriculturii, industriei alimentare, industriei farmaceutice, industriei

    chimice, a pielriei, a proteciei mediului .a.m.d. Trebuie remarcat faptul c biotehnologia a

    fost mult vreme identificat cu microbiologia industrial, incluznd doar aspectele legate de

    cultivarea microorganismelor, conservarea, ameliorarea prin metode convenionale (mutaie i

    selecie a mutantelor de interes) i utilizarea lor practic pentru obinerea unor produse

    specifice. Ulterior, domeniul biotehnologiei s-a extins, incluznd i plantele, animalele,

    virusurile i culturile celulare precum i tehnologia ADN recombinant aplicat n scopuri

    industriale. In tabelul 1 sunt redate o parte dintre principalele microorganisme utilizate n

    biotehnologii din diferite domenii.

    Tabelul 1. Principalele microorganisme cu importan biotehnologic i produii lor (dup Hunter-

    Cevera i Belt, 1996)

    Domeniul de aplicare Organismul Tipul Produsul

    Industria alimentar i a

    buturilor

    Saccharomyces cerevisiae Drojdie Produse de panificaie, vin, bere, sake S.carlsbergensis Drojdie Bere slab

    S.rouxii Drojdie Sos de soia Candida milleri Drojdie Pine franuzeasc din aluat acrior (Sour bread)

    Lactobacillus sanfrancisco Bacterie Pine franuzeasc din aluat acrior (Sour bread) Streptococcus thermophilus Bacterie Iaurt

    Lb.bulgaricus Bacterie Iaurt Propionibacterium

    shermanii Bacterie Brnz elveian

    Gluconobacter suboxidans Bacterie Oet

    Penicillium roquefortii Fung filamentos Brnz tip Roquefort

    P.camembertii Fung filamentos Brnz tip Camembert i Brie

    Aspergillus oryzae Fung filamentos Sake

    Rhizopus Fung filamentos Tempeh

    Mucor Fung filamentos Sufu (cheag microbian)

    Monascus purpurea Fung filamentos Ang-kak (orez rou)

    Industria chimic

    S.cerevisiae Drojdie Etanol (din glucoz) Kluyveromyces fragilis Drojdie Etanol (din glucoz)

    Clostridium acetobutylicum Bacterie Aceton i butanol Xanthomonas campestris Bacterie Polizaharide

    Aspergillus niger Fung filamentos Acid citric

    Aminoacizi i Corynebacterium Bacterie L-lizin; acid 5inozinic; acid 5 guanilic

  • nucleotide aromatizante

    glutamicum

    Proteine monocelulare

    (single-cell protein)

    Candida utilis Drojdie Proteine microbiene prin cultivare de deeuri din industria hrtiei S.lypolitica Drojdie Proteine microbiene prin cultivare pe alcani

    Methylophilus methylotrophus Bacterie

    Proteine microbiene prin cultivare pe metan sau metanol

    Vitamine Eremothecium asbyi Drojdie Riboflavin

    Pseudomonas denitrificans Bacterie Vitamina B12 Propionibacterium Bacterie Vitamina B12

    Enzime

    Aspergillus oryzae Fung filamentos Amilaze

    A.niger Fung filamentos Glucoamilaze

    Trichoderma reesii Fung filamentos Celulaz

    S.cerevisiae Drojdie Invertaz K.fragilis Drojdie Lactaz

    S.lipolytica Drojdie Lipaz Bacillus Bacterie Proteaze

    Aspergillus Fung filamentos Pectinaze i proteaze

    Endothia parasitica Fung filamentos Cheag microbian

    Polizaharide Leuconostoc mesenteroides Bacterie Dextran X.campestris Bacterie Gum xantanic

    Carotenoizi Blakeslea trispora Fung

    filamentos Beta-caroten

    Phaffia rhodozyma Drojdie Astaxantin

    Industria farmaceutic

    Penicillium chrysogenum Fung filamentos Peniciline

    Cephalosporium acremonium

    Fung filamentos Cefalosporine

    Streptomyces sp. Bacterie Amfotericin B, kanamicin, neomicin, streptomicine, tetracicline etc B.brevis Bacterie Gramicidin S B.subtilis Bacterie Bacitracin

    B.polymyxa Bacterie Polimixina B

    Rhizopus nigricans Fung filamentos Transformarea steroizilor

    Arthrobacter simplex Bacterie Transformarea steroizilor Mycobacterium Bacterie Transformarea steroizilor

    Escherichia coli (tulpini obinute cu ajutorul tehnologiei ADN

    recombinant)

    Bacterie Insulin, hormonul uman de cretere, somatostatin, interferon

    Bacterii entomopatogene

    B.thuringiensis Bacterie Bioinsecticide B.popilliae Bacterie bioinsecticide

    Odat ce un microorganism a fost selectat, fie prin metode clasice fie prin folosirea

    tehnicilor moleculare de modificare i screening, este necesar cultivarea sa n condiii care

  • s asigure exprimarea caracteristicilor specifice, utile din punct de vedere practic. In acest fel,

    folosirea unui microorganism n biotehnologia modern se bazeaz pe principiile clasice ale

    culturilor microbiene, cunoscute i elaborate de mult vreme.

    In cadrul biotehnologiei este foarte mult utilizat termenul de fermentaie, acesta avnd

    mai multe semnificaii pentru specialiti i nespecialiti:

    se refer la orice proces ce implic cultivarea unui microorganism, n condiii de

    aerobioz sau de anaerobioz;

    orice proces microbiologic ce se realizeaz n absena oxigenului;

    contaminarea alimentelor;

    producerea buturilor alcoolice;

    utilizarea unui substrat organic ca donor sau acceptor de electroni;

    utilizarea unui substrat organic ca reductor i a aceluiai substrat parial degradat

    ca oxidant (acceptor de electroni);

    creterea dependent de nivelul fosforilrii substratului (Prescott i col., 1996).

    Pentru aplicaiile industriale, microorganismele pot fi cultivate n tuburi, n baloane de

    capacitate mic sub agitare sau n instalaii de mare capacitate (de la 3-4l pn la 100.000 l),

    n funcie de scopurile urmrite. Instalaiile industriale de mare capacitate (fig.8.1) necesit

    investiii nsemnate i operatori bine instruii. De asemenea, toate etapele de lucru, ncepnd

    cu creterea microorganismelor i pn la obinerea i purificarea produsului final presupun

    condiii aseptice, strict controlate.

    In prezent exist mai multe sisteme de cultivare a micro-organismelor, n

    fermentatoare de diferite tipuri, n funcie de microorganismul de interes. De obicei,

    instalaiile de cultivare a microorganismelor sunt nsoite de uniti de dializ, care asigur

    att ndeprtarea compuilor toxici eliminai n cursul procesului de fermentaie ct i a

    produilor finali i care permit ca noi cantiti de mediu proaspt s fie introduse n instalaie

    pentru a obine culturi continue.

    Alegerea mediului de cultur pentru cultivarea microorganismelor reprezint o etap

    cheie deoarece poate influena aspectele economice ale procesului de producie; de obicei se

    apeleaz la ingrediente ieftine care s constituie sursa de carbon, azot i fosfor (tabelul 2). De

    cele mai multe ori, drept surse complexe de carbon, azot i fosfor sunt utilizate hidrolizatele

    vegetale, ca i unele subproduse rezultate n diferite industrii (melas, zeruri etc).

  • Tabelul 2. Componente majore ale mediilor de cultur folosite la nivel industrial (dup

    Prescott i colab., 1996).

    Sursa Materia prim Carbon i energie Melas, zer, grune, deeuri agricole (tiulei)

    Azot Extract de porumb (corn-steep liquor), fin de soia, sruri de amoniu, amoniac, nitrai, produi solubili provenii de la distilerii Vitamine Extracte totale vegetale sau diverse produse de origine animal

    Fier Substane anorganice Soluii tampon Carbonai sau fosfai

    Ageni antispumare Alcooli, silicon, esteri naturali, uleiuri vegetale

    Concentraia i echilibrul ntre elementele minerale i factorii de cretere constituie un

    alt punct critic al cultivrii microorganismelor la nivel industrial. De exemplu, biotina i

    tiamina, influennd reaciile de biosintez, controleaz acumularea produsului de interes n

    numeroase fermentaii. Mediul de cultur trebuie astfel stabilit nct sursele nutritive, dup un

    anumit interval de timp, s devin factori limitativi ai creterii, procesul fiind asociat deseori

    cu producerea unor metabolii de interes.

    Nivelul oxigenului limiteaz deseori procesele fermentative aerobe sau influeneaz

    modul de cretere, aa cum se ntmpl n cazul actinomicetelor i al fungilor filamentoi.

    In privina seleciei microorganismelor utile pentru procesele biotehnologice, acestea

    provin de obicei din medii naturale (probe de sol, de ap, fructe i produse alimentare

    contaminate etc). Odat selectate, tulpinile interesante pentru un anumit scop pot fi supuse

    unor procese de ameliorare, fie prin metode clasice (mutageneza chimic sau cu radiaii

    ultraviolete; fuziunea protoplatilor) fie prin aplicarea tehnicilor moleculare (tehnologia ADN

    recombinant). De exemplu, tulpina de Penicillium chrysogenum izolat n 1943 a fost supus

    unor tratamente succesive de mutaie i selecie astfel c, n prezent, culturile microbiene

    derivate de la tulpina original produc de 55 ori mai mult penicilin dect aceasta. De

    asemenea, fuziunea protoplatilor (celule lipsite de perete celular obinute prin tratamentul cu

    diferii ageni de degradare a peretelui celular) mediat de polietilenglicol (PEG) poate

    asigura obinerea de tulpini recombinate cu proprieti mbuntite sau modificate, avantajul

    principal fiind acela c pot fi depite barierele normale de specie. In ultimii ani, aplicarea

    tehnologiei ADN recombinant a permis obinerea unor tulpini modificate genetic capabile de

  • a sintetiza compui pe care, n mod normal, nu i-ar putem produce. Tulpinile microbiene de

    interes selectate (naturale sau ameliorate) sunt conservate prin metode specifice (liofilizare,

    transfer periodic, conservare sub ulei mineral, uscare etc).

    1. Produi majori ai microbiologiei industriale

    Metaboliii primari sunt compui legai de sinteza componentelor celulare ce se

    realizeaz pe parcursul fazei de cretere (trofofaza). Acest grup de metabolii include

    aminoacizii, nucleotidele i anumii produi finali de metabolism de tipul etanolului i acizilor

    organici. In plus, n timpul trofofazei mai sunt sintetizate i diferite enzime, mai ales

    exoenzime care prezint importan practic deosebit.

    Metaboliii secundari se acumuleaz n timpul fazei ce urmeaz etapei de cretere activ,

    numit idiofaz. Compuii sintetizai n aceast faz nu au legtur direct cu materialele celulare

    eseniale i cu creterea normal. De exemplu, majoritatea antibioticelor i a micotoxinelor sunt

    produse pe parcursul acestei faze.

    Cultivate n condiii ideale, fr limitri ale mediului, microorganismele tind s

    formeze cantiti mari de biomas i mai puin s acumuleze anumii compui. Specialitii au

    elaborat o serie de metode de pclire a microorganismelor de interes astfel nct acestea s

    produc n exces compusul util, de obicei prin inducerea de mutaii.

    1.1. Antibioticele

    Reprezint un grup special de metabolii secundari, sintetizai n cea mai mare parte de

    bacteriile din genul Streptomyces dar i de specii de fungi filamentoi (3). Majoritatea

    antibioticelor cu semnificaie n practica medical includ antibioticele -lactamice de tipul

    penicilinei i cefalosporinei, aminoglicozidele i tetraciclinele.

    Penicilina este primul antibiotic descoperit de Fleming n 1929; ea este sintetizat de

    tulpini de Penicillium chrysogenum, iar producerea sa la nivel industrial este un foarte bun

    exemplu de fermentaie n care ajustarea compoziiei mediului asigur obinerea unor cantiti

    maxime de antibiotic.

  • Tabelul 3. Principalele antibiotice sintetizate de microorganisme

    Grupul de

    microorganisme productoare

    Antibioticul Specia productoare Spectru de aciune

    Actinomicete

    Amfotericina B Streptomyces nodosus Fungi

    Carbomicina S.halstedii Bacterii Gram pozitive Clortetraciclina S.aureofaciens Spectru larg Cloramfenicolul S.venezuelae Spectru larg

    Cicloheximida S.griseus Drojdii patogene

    Eritromicina S.erythaeus Majoritatea bacteriilor Gram pozitive Kanamicina S.kanamyceticus Bacterii Gram pozitive

    Oleandomicina S.antibioticus Stafilococi Oxitetraciclina S.rimosus Spectru larg Neomicina B S.fradiae Spectru larg Novobiocina S.niveus Bacterii Gram pozitive

    Nistatin S.noursei Fungi

    Streptomicina S.griseus Bacterii Gram negative,

    Mycobacterium tuberculosis

    Alte bacterii Polimixina B Bacillus polymyxa Bacterii Gram negative Bacitracina B.licheniformis Bacterii Gram pozitive

    Fungi

    Cefalosporina Cephalosporium acremoniium Spectru larg

    Fumigilina Aspergillus fumigatus Amoebe

    Griseofulvina Penicillium griseofulvum Fungi

    Penicilina P.chrysogenum Bacterii Gram pozitive

    Cultivarea fungului n mediu bogat n glucoz stimuleaz creterea vegetativ dar nu i

    producerea de penicilin; n schimb, utilizarea drept surs de carbon a lactozei i limitarea

    concentraiei surse de azot determin o acumulare nsemnat a antibioticului dup ce procesul

    de cretere a fost stopat. Atunci cnd se dorete sinteza unui anumit tip de penicilin, la

    mediul de fermentaie sunt adugai precursorii corespunztori. Fermentaia este complet

    dup 6-7 zile de cultivare dup care biomasa micelial este separat de mediul de cultur,

    acesta din urm fiind apoi prelucrat prin adsorbie, precipitare i cristalizare pentru a obine

    produsul de interes. Materialul brut obinut poate fi apoi supus unor tratamente chimice n

    urma crora au loc anumite transformri ale penicilinei iniiale, cu formarea penicilinelor

    semisintetice.

  • Streptomicina este un metabolit secundar sintetizat de tulpini de S.griseus n condiii

    de mediu strict controlate. Utilizarea finii de soia att ca surs de carbon ct i de azot,

    asigur producerea unor cantiti mari de antibiotic n timpul fazei staionare de cretere. De

    asemenea, trebuie remarcat faptul c, n prezent, exist adevrate programe de identificare a

    noi tulpini de streptomicete sau de fungi productoare de antibiotice sau de alte substane

    biologic active, cum ar fi cele cu aciune antitumoral.

    1.2. Aminoacizii

    Aminoacizii, aa cum sunt lizina i acidul glutamic, sunt utilizai n industria

    alimentar drept suplimente nutriionale n producerea pinii sau ca stimulatori ai aromelor

    (aa cum este glutamatul de sodiu). Biosinteza aminoacizilor este realizat, n scopuri

    industriale de mutante reglatorii la care, calea metabolic de biosintez a anumitor compui

    este blocat ntr-o anumit etap, corespunztoare celei ce asigur producerea aminoacidului

    de interes. De exemplu, lizina este produs de tulpini mutante de Corynebacterium

    glutamicum care prezint blocat calea de biosintez a homoserinei n etapa ce permite

    acumularea de lizin. In acest fel, pe parcursul unei fermentaii ce dureaz trei zile se obin

    44g lizin/l cultur.

    1.3. Acizii organici

    Producerea acestor substane de ctre microorganisme prezint o mare importan

    practic i ilustreaz efectele urmelor de metale asupra proceselor de sintez i excreie. Cei

    mai importano acizi produi prin fermentaie microbian sunt: acidul citric, acidul acetic,

    acidul lactic, acidul fumaric i acidul gluconic. Pn la descoperirea biosintezei microbiene, o

    principal surs de acid citric era reprezentat de fructele citrice (de obicei din Italia). In

    prezent, cea mai mare parte a acidului citric este de origine microbian, el fiind utilizat n

    proporie de 70% n industria alimentar i a buturilor i de 20% n industria farmaceutic.

    Caracteristic procesului de fermentaie pentru producerea acidului citric prin utilizarea

    tulpinilor de Aspergillus niger este limitarea concentraiei de mangan i fier pentru a

    mpiedica creterea vegetativ peste un anumit punct. Succesul unei asemenea fermentaii

    depinde de reglarea i funcionarea cii glicolitice i a ciclului acizilor tricarboxilici.

  • Producerea acidului citric se realizeaz n mod similar cu orice metabolit secundar: in

    trofofaza fermentaiei, o parte a substratului glucidic este utilizat pentru producerea de

    miceliu fungic iar o alta este convertit la CO2 n cursul procesului respirator. In timpul

    idiofazei, restul substratului glucidic determin creterea activitii citrat sintetazei i scderea

    activitii aconitazei i a izocitrat dehidrogenazei, ceea ce conduce la acumularea i excreia

    de acid citric de ctre microorganismul aflat n condiii de stress. Din punct de vedere istoric,

    producerea acidului citric prin proces submers reprezint primul exemplu de fermentaie

    industrial aerob.

    Acidul acetic este un alt acid obinut prin fermentaii microbiene, utilizrile sale fiind

    mai ales n domeniul industriei alimentare, ca oet. Obinerea i utilizarea oetului se cunosc

    de aproximativ 10.000 de ani. Oetul este produsul rezultat din conversia alcoolului etilic din

    vin la acid acetic cu ajutorul bacteriilor acetice din genurile Acetobacter i Gluconobacter.

    Producerea la nivel industrial a oetului se realizeaz n instalaii speciale, printr-o fermentaie

    continu (substratul se adaug continuu n fermentator pentru a susine dezvoltarea bacteriilor,

    iar n aceeai msur se ndeprteaz produsul de fermentaie). Concentraia maxim de acid

    acetic obinut prin acest procedeu este de 13-14%, fermentaia realizndu-se la 30oC timp de

    35 de ore. Cele mai utilizate sortimente de oet sunt: oetul alb obinut din etanol distilat

    (etanolul folosit ca materie prim este fie de origine fermentativ fie chimic); oet din cidru

    (produs din suc de mere fermentat); oet din vin (produs din vin de calitate sczut supus

    oxidrii aerobe); oet din mal (produs din alcool obinut prin fermentaia porumbului sau a

    orzului, pretratate cu enzime pentru eliberarea glucidelor necesare dezvoltrii bacteriilor

    acetice).

    1.4. Enzimele

    Aa cum s-a prezentat pe parcursul capitolelor anterioare, microorganismele produc o

    gam larg de enzime, dintre care unele prezint importan practic deosebit. Intre cele mai

    utilizate enzime microbiene se numr proteazele i amilazele. Proteazele, de exemplu, sunt

    utilizate n industria detergenilor; multe dintre acestea sunt sintetizate de tulpini alcalifile

    aparinnd mai ales speciei B.licheniformis. Asemenea enzime au pH optim de aciune ntre

    9,0 i 10,0, rmnnd astfel active n condiiile alcaline ale soluiilor de detergeni.

    Un alt grup important de enzime l reprezint amilazele i glucoamilazele implicate n

    procesele industriale de obinere a glucozei pornind de la amidon. Majoritatea enzimelor de

  • acest tip, utilizate n diferite procese industriale, sunt de origine fungic. Glucoza produs n

    urma aciunii enzimatice poate fi apoi folosit pentru producerea fructozei prin utilizarea

    glucozo-izomerazei, rezultnd n final un ndulcitor foarte eficient (sirop de glucoz i

    fructoz). Materia prim utilizat este reprezent de amidonul din porumb, gru sau cartof.

    Amidonul este supus unor procese de prelucrare secveniale ce presupun utilizarea mai multor

    tipuri de enzime microbiene: mai nti -amilaza care fragmenteaz amidonul; urmeaz

    glucoamilaza care asigur formarea glucozei i apoi glucozo-izomeraza care convertete

    glucoza la fructoz, iar produsul final este un sirop cu concentraie mare de fructoz utilizat

    mai ales pentru ndulcirea buturilor rcoritoare.

    O categorie mai nou de enzime dar cu aplicaii practice deosebite este reprezentat de

    enzimele produse de microorganismele extremofile, discutate ntr-un capitol anterior. Dintre

    acestea, sunt de menionat enzimele cu rezisten la temperaturi foarte mari, aa cum este

    pululanaza produs de Thermococcus litoralis a crei activitate enzimatic optim se

    desfoar la 118oC, sau feredoxina sintetizat de Pyrococcus furiosus care nu este denaturat

    la 140oC. Aplicaiile practice ale enzimelor sintetizate de bacteriile termofile au fost

    prezentate ntr-un capitol anterior.

    1.5. Bioinsecticide microbiene

    O serie de specii microbiene manifest proprieti inhibitorii fa de diferite categorii

    de insecte sau de nematode. Biopreparatele insecticide obinute pe baz de bacterii, fungi sau

    virusuri pot nlocui cu destul succes tratamentele cu diferite substane chimice toxice.

    Cele mai cunoscute bioinsecticide au la baz utilizarea bacteriei Bacillus thuringiensis

    capabil s produc, n cursul sporulrii, o protein cu efecte toxice pentru insecte. Studiile

    efectuate asupra acestei specii au dovedit c exist mai multe varieti cu aciune specific

    fa de anumite tipuri de insecte: B.thuringiensis var.kurstaki activ pe coleoptere i

    lepidoptere, B.thuringiensis var.israeliensis activ pe diptere, B.thuringiensis var.tenebrionis

    cu efect specific mpotriva gndacului de Colorado etc (Schnepf i col., 1998). Pentru

    obinerea biopreparatului bacteriile sunt cultivate n fermentatoare pn n faza n care sunt

    eliberai sporii prin liza celular, moment n care n mediu este eliminat i proteina cristal (-

    endotoxina) (aproximativ 30 de ore). Dup depunerea prin centrifugare a sporilor i a

  • cristalelor proteice, sedimentul este uscat i inclus ntr-un material inert astfel nct se obine o

    pulbere umectabil care poate fi aplicat pe plante.

    O serie de biopreparate se bazeaz pe virusuri patogene pentru insecte

    (baculovirusuri), existnd o mare specificitate fa de insecta combtut. Cele mai moderne

    folosesc baculovirusuri de tip slbatic sau variante modificate genetic care acioneaz foarte

    eficient mai ales pe larvele de insecte.

    1.6. Biopolimerii

    Biopolimerii (de tipul polizaharidelor) sunt produi de numeroase microorganisme, ei

    avnd numeroase utilizri n industria farmaceutic i alimentar datorit capacitii lor de

    gelificare i de a modifica caracteristicile de curgere ale lichidelor. Avantajele utilizrii

    polizaharidelor microbiene este aceea c producerea lor este independent de scderea

    resurselor naturale, de condiiile climatice sau de evenimente politice care influeneaz de

    obicei aprovizionarea cu materii prime. In acest caz utilajele de producie a bipolimerilor pot

    fi localizate n apropierea surselor de substraturi nutritive ieftine (de exemplu, n apropierea

    zonelor agricole). Cel puin 75% dintre polizaharidele microbiene sunt utilizate ca

    stabilizatori, pentru dispersia particulelor, drept ageni de formare a filmelor sau pentru a

    reine apa din produse variate (tabelul 4).

    Tabelul 4. Caracteristicile i utilizrile biopolimerilor microbieni (dup Prescott i col., 1996)

    Tipul de biopolimer Organismul productor i aplicaii

    Stadiul de

    aplicare

    Dextran Produs de specii ale genurilor Klebsiella, Acetobacter, Leuconostoc; este un glucan

    cu legturi de tip utilizat n medicin ca absorbant i ca diluant pentru snge (blood expander); poate forma un strat hidrofilic la suprafaa esuturilor arse

    P

    Xantan Produs de Xanthomonas campestris; folosit n industria alimentar i n programele de recuperare secundare a ieiului P

    Microfibrile de celuloz Produs de o tulpin de Acetobacter; utilizare n industria alimentar D

    Pululan Sintetizat de drojdia Aureobasidium pullulans; poate servi drept material

    biodegradabil util pentru mpachetarea alimentelor, putnd nlocui amidonul n anumite aplicaii

    D

    Alginat microbian

    Principalul productor este Azotobacter vinelandii; poate nlocui alginaii produi de alge; poate fi folosit pe scar larg ca stabilizator alimentar D

    Poliesteri Tulpini de Pseudomonas oleovorans produc poliesteri optic activi n condiiile limitrii sursei de azot; folosit pentru obinerea unor materiale plastice speciale D

    Scleroglucan Produs de fungi din genul Sclerotium; formeaz un gel vscos ce manifest pseudoplasticitate fiind utilizat n industria petrolului D

    P = producie; D = dezvoltare

  • 1.7. Biosurfactanii

    Numeroi surfactani care sunt utilizai n scopuri comerciale sunt produi de sintez

    chimic. In prezent exist un interes crescut n utilizarea biosurfactanilor mai ales n

    domeniul proteciei mediului unde biodegradarea constituie o condiie esenial.

    Biosurfactanii sunt folosii pentru emulsifiere, umezire i dispersia fazelor ca i pentru

    solubilizare, proprieti eseniale n bioremediere i recuperarea ieiului.

    Majoritatea biosurfactanilor microbieni sunt glicolipide care prezint regiuni

    hidrofobe i regiuni hidrofile dar structura final i caracteristicile lor depind de condiiilor

    speciale de cretere i de sursa de carbon folosit. Dintre cele mai cunoscute specii

    productoare sunt de menionat Pseudomonas aeruginosa (sintetizeaz ramnolipidul R3) i

    B.subtilis (produce surfactin)(fig.1).

    Fig.1. Aciunea la nivel de laborator a unui surfactant de tip glicolipidic (EM) produs de

    P.aeruginosa asupra petrolului aflat ntr-o soluie (dup Prescott i col., 1996).

    O aplicaie important a biosurfactanilor este aceea de ageni de dispersare ai unor

    compui, aa cum este petrolul, ea fiind probat n cazul polurii cu petrol ca urmare a avariei

    tancului petrolier Exxon Valdez. polurii cu petrol ca urmare a avariei tancului petrolier

    Exxon Valdez.

    2. Procese de bioconversie microbian

    Una dintre cele mai spectaculoase descoperiri din domeniul microbiologiei industriale a

    fost aceea a faptului c microorganismele pot realiza o serie de reacii chimice care nu pot fi

    realizate de chimia organic. Utilizarea microorganismelor pentru realizarea unor asemenea reacii

    poart denumirea de bioconversie sau biotransformare i implic creterea unui microorganism

    (bacterii, actinomicete, drojdii i fungi filamentoi) la nivel de fermentator. In mediul de cultur se

    adaug, la anumite intervale de timp, compusul (sau compuii chimici) ce se dorete a fi modificat.

  • In anumite variante, biotransformarea poate fi realizat prin utilizarea enzimelor izolate din celulele

    microbiene, libere sau imobilizate pe diferite suporturi.

    Cel mai cunoscut proces de bioconversie mediat de microorganisme este cel al

    producerii steroizilor, compui cu semnificaie medical deosebit. Astfel, n producerea

    hidrocortizonului i cortizonului, steroizi utilizai n tratarea anumitor afeciuni (cum ar fi

    unele ale pielii), sunt folosii fungii filamentoi din specia Rhizopus nigricans care realizeaz

    hidroxilarea stereospecific a unui precursor al cortizonului. Majoritatea bioconversiilor

    steroizilor implic hidroxilri de acest tip, ele putnd fi realizate de diferite specii de fungi,

    astfel c producia anual a unor asemenea compui steroidici ajunge la peste 800 t/an.

    3. Biodegradarea i biodeteriorarea

    Biodegradarea este un proces ce acioneaz n sens pozitiv att n natur ct i n

    economia societii umane. Pe plan global, procesele biodegradadative au o contribuie

    major n circuitul elementelor chimice n natur, mpiedicnd acumularea compuilor

    reziduali sau contaminani n mediu. Biodeteriorarea constituie un termen general ce se refer

    la efectul nedorit al aciunii microorganismelor asupra diverselor produse agroalimen-tare sau

    a altora nealimentare, cum ar fi: hrtia, picturile, metalele, textilele, betoanele i a alte

    materiale. In acest caz, aciunea microorganismelor poate determina asupra substratului

    diferite alterri fizice (modificarea consistenei vopselei, sfrmarea lemnului, perforarea

    conductelor metalice etc), modificri chimice, impurificri (ptarea esturilor prin producerea

    unor pigmeni) sau modificri funcionale.

    Biodeteriorarea produselor agroalimentare prezint o mare importan practic prin

    pagubele pe care le genereaz. Efecte negative asupra acestor produse au att bacteriile ct i

    fungii.

    Astfel, fungii cresc rapid pe produsele cerealiere atunci cnd acestea sunt inute n

    condiii de umezeal. De exemplu, infectarea boabelor de orz cu ascomiceta Claviceps

    purpurea este asociat cu acumularea unor alkaloizi cu efecte halucinogene, alterarea strii

    generale i chiar cu moartea organismului animal, inclusiv uman, care a consumat produse

    contaminate.

  • Carcinogenii de origine microbian includ aflatoxinele i fumosinelor. Aflatoxinele au

    fost descoperite n 1960 cnd 100.000 de pui de curc au murit datorit consumului de fin

    de arahide contaminat c fungul filamentos din specia Aspergillus flavus. Microorganismele

    de acest tip produc toxine ce acioneaz asupra ADN al celulelor contaminate (de obicei

    celule din ficat), efectul fiind mutagen i carcinogen. Aflatoxinele pot fi separate

    cromatografic i evideniate n lumin UV datorit fluorescenei lor caracteristice. Asemenea

    compui toxici au fost identificai nu numai n grne ci i n lapte, bere, cacao, stafide i fin

    de soia etc.

    Mai recent, n 1988 a fost identificat o alt toxin cu efect carcinogen, numit

    fumosin. Ea este sintetizat de Fusarium moniliforme i determin efecte grave la animalele

    i la oamenii care consum produse contaminate (de obicei porumb sau produse derivate de la

    acesta).

    Carnea i produsele lactate, datorit valorii nutriionale ridicate i a prezenei unor

    compui uor metabolizabili constituie un mediu ideal pentru diverse microorganisme

    contaminante care determin, n principal, procese de proteoliz i putrefacie.

    Microorganismele de degradare pot fi att bacterii ct i fungi: ele descompun acidul

    lactic produs de bacteriile lactice, astfel c aciditatea este treptat eliminat ceea ce permite

    dezvoltarea bacteriilor proteolitice. Acestea determin apariia unui miros putrid i a gustului

    amar al produsului contaminat.

    Degradarea se produce i n cazul alimentelor procesate minimal sau concentrate. In

    primul caz, principalele efecte nedorite sunt determinate de bacteriile din genurile

    Lactobacillus i Leuconostoc care produc un gust sau un miros caracteristic, nedorit. Sucurile

    concentrate pot fi alterate prin contaminarea cu drojdii din genurile Saccharomyces i

    Candida.

    Fructele pot fi contaminate cu o mare varietate de microorganisme. Sursele posibile de

    contaminare pot fi aerul, insectele, animale slbatice i cele domestice, omul, solul i apa.

    Datorit compoziiei chimice, fructele reprezint un mediu propice pentru creterea i

    multiplicarea mai ales a drojdiilor i mucegaiurilor i mai puin a bacteriilor (doar cele

    rezistente la valori sczute ale pH se pot dezvolta i n fructe).

    Dintre mucegaiurile care determin reducerea duratei de conservabilitate a fructelor i

    produselor din fructe pot fi amintite genurile: Cladosporium, Alternaria, Penicillium,

  • Phomopsis, Diplodia, Phytophthera, Sclerotinia, Fusarium, Gleosporium, Aspergillus, iar

    dintre genurile de drojdii: Saccharomyces, Hanseniaspora, Torulopsis, Torula, Mycoderma,

    Candida, Pichia, Kloeckera, Hansenula, Debaromyces etc.

    Dintre bacteriile care se pot gsi n fructe (genurile Bacillus, Staphylococus,

    Enterobacter, Escherichia i Lactobacillus) cel mai frecvent se ntlnesc lactobacilii datorit

    toleranei lor la pH sczut.

    Procesul de contaminare i degradare a produselor agroalimentare, inclusiv a fructelor,

    poate fi prevenit prin utilizarea unor metode variate de conservare (tabelul 5).

    Tabelul 5. Principalele metode de conservare a produselor alimentare

    Tehnica general Exemple de procesare i conservare

    Asepsie, ndeprtarea microoganismelor Prevenirea contaminrii microbiene prin filtrare sau centrifugare

    Scderea temperaturii Refrigerare, congelare

    Temperaturi nalte Inactivarea termic parial sau total a microorganismelor (pasteurizare i conservare n cutii) ndeprtarea apei Liofilizare sau uscare n dispozitive speciale

    Scderea accesibilitii apei

    Adugarea unor soluii ce conin concentraii ridicate de sare sau zahr pentru a scdea valoarea aw

    Conservarea chimic Adugarea unor substane inhibitoare specifice (de exemplu, acizi organici, azotai, dioxid de sulf, bacteriocine) Radiaii Utilizarea radiaiilor ionizante (radiaii gamma) sau neionizante (UV)

    Pentru a micora ct mai mult influenele negative pe care le pot avea

    microorganismele asupra fructelor este necesar ca prin aplicarea tehnologiilor frigorifice, s

    se ia msuri, dac nu de reducere a numrului de microorganisme, cel puin de micorare a

    posibilitilor de multiplicare a acestora. Din acest punct de vedere, tratamentele preliminare

    (de exemplu splarea cu ap clorinat) i eliminarea surselor de contaminare au o importan

    deosebit. De asemenea este esenial prercirea, mai ales atunci cnd fructele urmeaz a fi

    congelate n ambalaje de dimensiuni mari. De asemenea, adugarea de zahr reprezint o cale

    de a se reduce aciunea microorganismelor n timpul congelrii i depozitrii unor fructe.

    Ca temperaturi minime de cretere, citate n literatura de specialitate, se menioneaz

    cele de 12C... 18C n cazul mucegaiurilor, 10C ... 15C n cazul drojdiilor i 5C ...

    12C n cazul bacteriilor. n fructele congelate se pot gsi totui spori de mucegaiuri, celule

    de drojdii i unele bacterii rezistente n medii acide. Dup decongelare, acestea pot influena

  • negativ calitatea fructelor dac nu are loc o depozitare n mod corespunztor pn la utilizare

    (Niculi i Popa, 2002).

    Legumele, ca i fructele pot fi contaminate cu o mare diversitate de microorganisme,

    avnd aproximativ aceleai surse de contaminare. Dintre microorganismele prezente pe i n

    legume pot fi amintite: bacterii (genurile Micrococcus, Staphylococcus, Achromobacter,

    Pseudomonas, Alcaligenes, Xanthomonas, Streptococcus, Leuconostoc precum i bacterii

    lactice), mucegaiuri (genurile Botrytis, Rhizopus, Alternaria, Penicillium, Sclerotinia,

    Fusarium, Aspergillus, Trichothecium, Cladosporium) i drojdii (genurile Saccharomyces,

    Pichia etc).

    Pentru inactivarea microorganismelor, operaia de blanare are o mare importan n

    tehnologia de congelare a legumelor. Rcirea ct mai rapid dup blanare, precum i

    eliminarea surselor de recontaminare cu microorganisme sunt elemente tehnologice de mare

    importan. Tratamentul termic de fierbere cu o durat de cel puin cteva minute la care sunt

    supuse legumele congelate, nainte de a fi consumate, distruge aproape toate

    microorganismele rmase n stare vegetativ dup congelare (Niculi, 2000).

    Contaminarea microbian se produce chiar i n cazul alimentelor conservate (a

    conservelor), fenomenul realizndu-se de obicei n cursul prelucrrilor din timpul conservrii

    (materia prim sau apa au fost contaminate). Alimentele conservate alterate prezint culoare,

    textur, miros i gust modificate datorit fermentaiei acide i a producerii de CO2 i H2S. In

    anumite cazuri, contaminarea cu anaerobi determin un aspect caracteristic al conservelor

    (bombarea lor) datorit producerii i acumulrii de gaze, iar dac n acest proces de

    contaminare a fost implicat bacteria Clostridium botulinum atunci n produsul alimentar

    conservat se acumuleaz i toxina botulinic ce poate determina moartea persoanelor care o

    ingereaz accidental.

    De asemenea, prin intermediul alimentelor contaminate cu microorganisme pot fi

    transmise diverse boli, unele produse de microorganismele din alimente (food-borne

    infections) iar altele de tipul intoxicaiilor alimentare. In primul caz este vorba de ingerarea

    unui microorganism patogen aflat la nivelul unui produs alimentar: de exemplu, salmonelioza

    determinat de ingerarea de bacterii din genul Salmonella, listerioza produs de Listeria

    monocytogenes, gastroenteritele produse de contaminarea cu Campylobacter jejuni sau

    colitele hemoragice (unele mortale) determinate de tulpina E.coli 0157:H7, etc. Toate aceste

  • exemple de boli sunt asociate cu nerespectarea unor msuri de igien. In privina intoxicaiilor

    alimentare acestea sunt produse de toxinele acumulate n alimentele alterate i sintetizate de

    diferite specii bacteriene, cum ar fi: Staphylococcus aureus, Clostridium botulinum,

    C.perfringens sau Bacillus cereus.

    Elaborarea unor mijloace eficiente i rapide de detectare a microorganismelor

    patogene din produsele alimentare prezint o importan major n domeniul controlului

    calitii produselor agroalimentare i o cerin esenial pentru comercializarea anumitor

    produse perisabile. Metodele clasice de cultivare a eventualilor patogeni necesit un timp

    ndelungat pentru a obine rezultate iar identificarea este deseori complicat. In ultimii ani au

    fost puse la punct metode moderne ce se bazeaz, pe de o parte, pe tehnici imunologice i, pe

    de alt parte, pe cele moleculare. Tehnicile imunologice presupun utilizarea anticorpilor

    specifici marcai fluorescent, ca n cazul tehnicii ELISA (enzyme-linked immunosorbent

    assay) sau radioactiv ca n cazul tehnicilor de radioimunodetecie.

    Metodele moleculare sunt utile pentru:

    detectarea prezenei unui singur patogen specific;

    detectarea virusurilor care nu pot fi cultivate n mod corespunztor;

    identificarea patogenilor ce cresc greu pe medii de cultur sau a celor care nu pot fi

    cultivai in vitro.

    Patogenii pot fi identificai n prezent prin utilizarea unor fragmente de ADN sau ARN

    specifice (numite probe), complementare cu anumite secvene din genomul unor anumitor

    patogeni. Probele pot fi formate din 10-10.000 pb marcate radioactiv sau neradioactiv, ele

    fiind specifice pentru fiecare tip de patogen n parte.

    In alte variante, folosirea tehnologiei PCR (reacia de polimerizare n lan prin

    folosirea unor ADN polimeraze termostabile i a unor primeri specifici) permite amplificarea

    unor fragmente de ADN specifice pentru un anumit tip de patogen i apoi evidenierea lor

    electroforetic.

    Biodeteriorarea altor produse, nonalimentare. Aa cum s-a artat mai sus, n afar

    de alterarea produselor agroalimentare, microorganismele pot s determine modificri

    nedorite i asupra altor categorii de produse.

    O aciune nedorit exercitat de microorganisme este asupra combustibililor pentru

    avioane. Astfel, n rezervoarele i n instalaiile de pstrare a kerosenului pot exista urme de

  • ap care, acumulndu-se, pot forma o interfa ap-hidrocarburi la nivelul creia se dezvolt

    microorganismele. Cea mai frecvent specie ntlnit n asemenea condiii este Cladosporium

    resinae, numit i fungul de kerosen care, prin formarea de biomas poate bloca orificiile

    instalaiilor de pompare. Depirea acestor inconveniente provocate de creterea unor

    microorganisme poate fi realizat prin utilizarea unor inhibitori i prin msurile de curare

    frecvent a rezervoarelor de depozitare a combustibililor.

    Degradarea materialului vegetal din depozitele fabricilor de hrtie conduce la

    pagube nsemnate deoarece aciunea microorganismelor poate determina scderea calitii hrtiei,

    nglbenirea sa i chiar deteriorarea produsului final. Microorganismele care cresc la nivelul

    soluiilor utilizate n procesarea materiei prime lemnoase formeaz un strat mucos la nivelul

    instalaiilor i scad eficiena tratamentelor chimice, afectnd cantitatea i calitatea produsului final.

    Folosirea unor compui chimici pe baz de mercur, denumii biocide, poate limita pagubele din

    domeniu dar, n acelai timp, poate avea efecte poluante asupra apelor ce primesc deversrile de la

    asemenea fabrici.

    Una dintre cele mai spectaculoase provocri pentru specialitii n biodeteriorare este

    controlul creterii microorganismelor de la nivelul operelor de art i al picturilor n mod

    special. Originea microorganismelor contaminante se afl n vopseaua utilizat: ele pot infecta

    vopseaua att nainte ct i dup folosire. Dintre microorganismele implicate n asemenea

    proces sunt de menionat diverse specii de bacterii i fungi:

    bacterii: Alcaligenes sp., Bacillus cereus, B.mycoides, Flavonobacter invisibile,

    Micrococcus albus, Sarcina flava

    fungi: Alternaria dianthicola, Aspergillus flavus, Cladosporium sp., Fusarium sp.,

    Pullularia pullulans etc.

    Pentru a elimina posibilitatea contaminrii se utilizeaz o serie de compui toxici cu

    efect antibiotic, de cele mai multe ori pe baz de mercur, dar care sunt poluante.

    Coroziunea microbian a metalelor ridic o serie de probleme economice deoarece pot

    fi afectate diverse instalaii industriale sau reele de evi. Microorganismele implicate n

    asemenea procese sunt de obicei anaerobe, ele aparinnd genurilor Desulfovibrio

    (arhebacterie metanogen capabil s utilizeze fierul drept surs de electroni n metabolismul

    ei), Enterobacter i Clostridium (bacterii sulfat reductoare sau productoare de acizi

  • organici). Microorganismele implicate n procesele de coroziune determin mai nti formarea

    unor umflturi la nivelul metalului i apoi perforarea evilor de fier. Pn n prezent, metodele

    de prevenire a contaminrii microbiene a instalaiilor nu s-a dovedit a fi eficient fiind

    necesar elaborarea de noi strategii de aciune.

    In privina betoanelor, i acestea pot fi degradate n urma aciunii unor

    microorganisme. Majoritatea problemelor de biodeteriorare de la nivelul autostrzilor sau a

    conductelor de ape reziduale sunt datorate bacteriilor din specia Thiobacillus concretivorus

    (redenumit ca T.thiooxidans).

    3.1. Aspecte pozitive ale proceselor de biodegradare

    In ciuda numeroaselor probleme pe care microorganismele le pot produce ca urmare a

    capacitilor degradative, unele specii prezint interes practic deoarece pot conduce la

    ndeprtarea unor compui poluani sau xenobiotici din mediu, restabilind calitatea mediului.

    Acest fenomen a primit denumirea de bioremediere.

    Este cunoscut faptul c deversrile accidentale de iei cauzeaz grave probleme

    mediului nconjurtor. Tieiul este un amestec foarte complex de hidrocarburi nsumnd sute

    de compui individuali cu structur chimic i greutate molecular diferite. Clasele de

    hidrocarburi atacabile de microorganisme sunt:

    fraciunea alifatic (saturat) alctuit din alcani, izoalcani i clicloalcani. Se

    consider c hidrocarburile cu lanul lung sunt cel mai uor degradate de

    microorganisme;

    fraciunea aromatic reprezentat de compui aromai nesaturai, aa cum este

    benzenul. Acetia sunt greu atacai de microorganisme dei au fost identificate

    unele specii de bacterii capabile s degradeze compui de tipul benzenului sau

    toluenului;

    fraciunea asfaltic include componeni cu structur complex, foarte greu de

    degradat (Zarnea, 1994).

    De aceea, realizarea unui amestec corespunztor de microorganisme capabile s

    degradeze compuii aromatici, policiclici i alifatici din petrolul poluant constituie un scop

    major al cercetrilor n domeniu. De exemplu, n 1974, A.M.Chakrabarty a brevetat primul

    microorganism, o tulpin de Pseudomonas care coninea mai multe plasmide la nivelul crora

  • erau localizate gene implicate n degradarea hidrocarburilor. Aceast bacterie prezenta unele

    avantaje n privina degradrii unor reziduuri petroliere. Adugarea n mediu a unui asemenea

    microorganism i funcionarea sa optim depinde de o serie de factori:

    factori ce in de particularitile microorganismului: capacitate de a degrada

    hidrocarburile; capacitate de a fi meninut n culturi n laborator; supravieuire i

    activitate n condiiile mediului marin (temperatur sczut i salinitate ridicat);

    participare la procesul de bioemulsifiere; absena unor efecte secundare toxice etc:

    factori de in de condiiile de mediu: prezena alturi de hidrocarburi a unor surse

    suplimentare de nutrieni (surse de N, P, K sau Fe); absena unor compui toxici

    (fenoli, metale grele) care pot afecta microorganismele; existena unei aerri

    corespunztoare care s permit desfurarea normal a proceselor metabolice;

    posibilitatea ca microorganismele de interes s intre n contact cu hidrocarburile de

    degradat.

    In prezent s-a stabilit c microorganismele capabile s degradeze hidrocarburile

    aparin la 30 de genuri i 100 de specii diferite, dintre acestea cele mai frecvente fiind:

    bacterii: Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Corynebactwerium,

    Brevibacterium, Micrococcus, Nocardia, Pseudomonas, Spirillum, Vibrio etc;

    cianobacterii: Anabaena, Nostoc, Oscillatoria;

    levuri: Candida, Rhodotorula, Saccharomyces;

    fungi filamentoi: Aspergillus, Acromonium, Cladosporium, Fusarium,

    Penicillium, Trichoderma etc.

    Chiar dac n laborator tehnologiile de utilizare a culturilor pure de microorganisme de

    degradare au dat rezultate foarte bune, utilizarea lor n condiii in vivo nu s-a ridicat la

    nivelul ateptrilor. Cea mai important testare de acest tip a fost realizat n 1989 cu ocazia

    accidentului tancului petrolier Exxon Valdez care a determinat poluarea cu petrol a coastelor

    peninsulei Alaska. Ulterior au fost realizate i alte testri care au presupus o serie de variante

    ale tehnologiei, incluznd adausul de nutrieni, de dispersani chimici, de biosurfactani etc

    (Scragg, 1999).

    Biodegradarea microbian a petrolului poate asigura decontaminarea unor soluri

    poluate sau a unor sedimente; n acest caz se utilizeaz populaii mixte de microorganisme

    (consorii) capabile s realizeze degradarea eficient a mai multor compui poluani. De

  • asemenea, spargerea unor conducte de petrol pot determina pagube nsemnate prin deversrile

    ce se produc. Solurile conin n mod natural aproximativ 1% bacterii sau fungi ce pot utiliza

    hidrocarburile, alturi de cianobacterii sau unele alge. In cazul solurilor contaminate cu

    hidrocarburi s-a dovedit c numrul micro-organismelor din respectivul habitat crete, dar

    diversitatea acestora este redus (Mesarch i Nies, 1997).

    Biodegradarea hidrocarburilor este asociat cu creterea microbian, cu metabolismul

    acestora i, prin urmare cu factorii ce afecteaz creterea i metabolismul microbian. Dac

    microorganismele nu pot utiliza hidrocarburile drept unic surs de carbon, este necesar

    adugarea unor substane care s poat fi folosite drept surs nutritiv. In asemenea situaii se

    utilizeaz tratamente mixte, cu inocul microbian i cu diferite substane chimice (cum ar fi

    sulfatul de amoniu i fosfatul mono- i disodic).

    Un microorganism cu proprieti degradative speciale este fungul din specia

    Phanaerochaete chrysosporium. Denumit i fungul putregaiului alb datorit faptului c este

    capabil s degradeze lignina din lemn, aceast specie manifest n plus i capaciti de

    degradare enzimatic a numeroi compui xenobiotici (benzen, toluen, etilbenzen, compui

    clorurai cum ar fi triclorfenolul etc). In afara acestei specii, n procesele de degradare a

    compuilor xenobiotici mai pot fi implicate bacterii din genurile Flavobacterium,

    Arthrobacter sau Rhodococcus (Lo i col., 1998) In asemenea procese degradative intervin

    enzime extracelulare de tipul lignin-peroxidazelor, mangan-peroxidazelor, glioxal oxidazelor

    .a.m.d.

    Un exemplu de compus xenobiotic larg utilizat este atrazina, erbicid folosit de peste 40

    de ani pentru distrugerea buruienilor. De-a lungul timpului s-a dovedit c acest erbicid este

    rezistent la degradare dar, n ultimii ani, au fost izolate consorii microbiene i chiar culturi

    bacteriene pure capabile s distrug atrazina pn la CO2 i NH2, pe parcursul mai multor

    etape, (Mandlebaum i col., 1995). La procesul de degradare al atrazinei pot participa bacterii

    din genurile Clavibacter (acioneaz n primele dou etape ale procesului) i Pseudomonas

    (conin gene plasmidiale ce codific enzimele implicate n ultimele etape de degradare).

    O alt aplicaie important a capacitilor degradative ale microoganismelor este

    recuperarea metalelor din minereuri srace sau din deeurile miniere (depozitele de steril).

    Biosolubilizarea se refer la ansamblul de procedee tehnice i tehnologice care duc la

    eliberarea metalelor de interes, acestea incluznd sfrmarea minereului, extracia i selecia

  • categoriilor de minerale i de concentrate, solubilizarea propriu-zis i extracia metalelor.

    Procedeele respective se ncadreaz n domeniul hidrometalurgiei microbiene. Printre

    microorganismele implicate n realizarea acestor procese de biosolubilizare sunt de menionat

    speciile de bacterii chemolitotrofe: Thiobacillus ferroxidans, T.thioxidans, Leptospirillum

    ferrooxidans, Sulfolobus acidocaldarius, Thermothrix thioparus etc.

    Una dintre aplicaiile majore ale acestui fenomen este reprezentat de recuperarea

    cuprului din minereurile srace cu ajutorul populaiilor naturale de T.ferrooxidans. Dei

    procedeul este foarte lent, biosolubilizarea bacterian constituie o alternativ biotehnologic

    eficient pentru recuperarea metalelor preioase din minereuri srace, din sisteme acvatice sau

    care sunt rezistente la alte metode de ndeprtare. Utilizat n diferite ri pentru recuperarea

    cuprului, uraniului sau aurului, procedeele de biosolubilizare pot fi adaptate i pentru alte

    metale, cum ar fi zincul (din blend ZnS), plumbul (galen PbS), nichelul sau cobaltul.

    Deseori, celulele microbiene pot fi utilizate pentru concentrarea unor metale preioase

    din ape reziduale diluate. Acesta este cazul celulelor algei Chlorella vulgaris care sunt

    folosite n tehnologii de recuperare a aurului sau argintului, alga fiind capabil s acumuleze

    intracelular respectivele metale.

    4. Produse alimentare obinute cu ajutorul microorganismelor

    Obinerea de produse alimentare prin utilizarea microorganismelor poate mbrca diferite

    aspecte: pe de o parte microorganismele ca atare pot constitui un produs alimentar (de exemplu,

    macromicetele), iar pe de alt parte, acestea realizeaz convertirea unor materii prime de origine

    vegetal sau animal (lapte, carne, legume etc) pentru realizarea unui produs caracteristic.

    Folosirea biomasei microbiene ca surs nutritiv pentru animale sau om este cunoscut de

    mult vreme, existnd chiar practici tradiionale n diferite zone ale lumii de utilizare a unor

    microorganisme drept surs de hran. Acesta este cazul unor populaii africane pentru care

    cianobacteria Spirulina platensis reprezint o surs de hran. In prezent, n numeroase ri ale lumii

    se produce biomas de Spirulina care, datorit coninutului n proteine, vitamine sau ali factori

    nutritivi, este folosit la supliment nutritiv sau chiar ca medicament. De asemenea, biomasa de

    drojdii (single cell protein) obinut n instalaii speciale prin cultivare pe diverse substraturi

    ieftine (metanol, deeuri vegetale etc) poate fi utilizat drept supliment nutritiv mai ales pentru

    animale, iar n unele situaii, chiar i pentru om (tabelul 5). Obinerea biomasei microbiene se

  • realizeaz n fermentatoare de mare capacitate (40.000-200.000 litri) care permit asigurarea

    condiiilor optime de cultivare.

    Tabelul 8.5. Utilizrile industriale ale drojdiilor i produsele obinute

    Domeniul de utilizare Produsul

    Producerea de biomas de drojdii

    Drojdie pentru panificaie Produs liofilizat folosit ca supliment nutritiv Produs liofilizat utilizat n hrana animalelor

    Derivate din drojdii

    Extract de drojdii pentru mediile de cultur Vitamine din complexul B; vitamina D

    Enzime pentru industria alimentar (invertaz, galactozidaz) Substane chimice pentru cercetare (ATP, NAD+, ARN)

    Produse de fermentaie Etanol Glicerol

    Buturi alcoolice Bere Vin

    Buturi distilate

    Whiskey Vodka Coniac Rom

    Macromicetele sunt fungi filamentoi capabili de a forma corpi de fructificaie

    comestibili, cunoscute i folosite n alimentaia uman de foarte mult vreme. Cele mai cunoscute

    specii de macromicete cultivate n condiii controlate sunt Agaricus bisporus, Pleurotus ostreatus

    i Lentinus edulus. Ciupercile comestibile au valoare nutritiv relativ redus dar ele furnizeaz

    anumite cantiti de proteine, de grsimi libere i chiar vitamine din complexul B.

    Produsele lactate sunt variate att n privina particularitilor fizico-chimice i nutriionale

    ct i a tipurilor de microorganisme implicate n obinerea lor (tabelul 6).

    Brnzeturile sunt cunoscute de foarte mult vreme (exist informaii despre obinerea

    brnzeturilor nc de acum 8000 ani), n prezent existnd aproximativ 2.000 de sortimente

    rspndite n ntreaga lume, grupate n 20 de categorii majore. Fabricarea brnzeturilor presupune o

    serie de etape succesive: coagularea laptelui n prezena cheagului de origine animal sau

    microbian; separarea zerului de laptele nchegat; introducerea n forme speciale care s permit

    producerea de acid i dobndirea consistenei specifice; maturarea preparatului pentru

  • dobndirea aromei i texturii caracteristice. In diferitele etape ale procesului de fabricaie sunt

    utilizate tulpini selecionate de bacterii, iar n anumite cazuri de fungi.

    Tabelul 6. Principalele produse lactate fermentate i microorganismele care le produc

    Produsul fermentat Microorganismele implicate Descriere

    Lapte acidulat Lactobacillus acidophilus Lapte sterilizat i apoi inoculat cu tulpinile microbiene corespunztoare

    Kefir Lactococcus lactis, Lb.bulgaricus, Saccharomyces sp.

    Produs n urma fermentaiei mixte, lactice i alcoolice; conine 1% alcool

    Kumiss Lb.bulgaricus, Lb.leichmanii, Torula sp. Produs din lapte de iap; conine 2% alcool

    Smntn fermentat

    Lactococcus sp., Leuconostoc sp.

    Smntna este inoculat i incubat pentru dezvoltarea aciditii corespunztoare

    Iaurt Streptococcus thermophilus, Lb.bulgaricus Produs obinut din lapte degresat sau cu coninut sczut n grsimi; conine stabilizatori de tipul gelatinei

    Unt Lactococcus lactis Smntna este incubat pn cnd se obine un grad de aciditate corespunztor dup care este btut, iar produsul obinut este splat i srat

    Brnza proaspt de tip Mozzarela

    Streptococcus thermophilus, Lb.bulgaricus Nu se utilizeaz cheagul

    Brnza fermentat de tip cacaval

    L.lactis, L.cremoris Laptele este inoculat cu tulpinile bacteriene i se adaug cheagul, iar n fazele finale se pot aduga alte tulpini bacteriene, pentru arom i aspect (Lb.casei, Lb.plantarum, Propionibacterium sp)

    Brnza tip Brie sau Camembert L.lactis, L.cremoris

    In fazele finale ale preparrii se adaug tulpini specifice de fungi (Penicillium sp.) i de bacterii (Brevibacterium linens) pentru aspect i arom

    Brnza tip Roquefort L.lactis, L.cremoris

    In fazele finale ale preparrii se adaug tulpini specifice de fungi (Penicillium roquefortii) pentru aspect i arom.

    Dintre speciile bacteriene folosite sunt de menionat Lactococcus lactis, L.cremoris,

    L.diacetylactis, Streptococcus thermophilus, Lactobacillus bulgaricus, ele fiind implicate mai ales

    n etapa de acidifiere i de maturare, iar dintre fungii utilizai n industria brnzeturilor cele mai

    importante specii sunt Penicillium roquefortii i P.camemberti. In cazul fungilor, adugarea lor

    determin un aspect caracteristic (sporii de P.roquefortii asigur formarea unor zone de culoare

    albastr n interiorul produsului) sau o textur special (P.camemberti produce proteaze care

    determin o consisten cremoas preparatului i o arom specific). In cazul unor sortimente

    speciale de brnz, aa cum este cea de tip Switzer, gurile i aroma caracteristice sunt produse n

    urma inoculrii cu tulpini bacteriene din speciile Propionibacterium shermanii i

    P.freundenreichii.

  • Iaurtul i alte produse lactate fermentate sunt obinute prin utilizarea unui amestec de

    bacterii aparinnd speciilor Streptococcus thermophilus i Lb.bulgaricus, prima asigurnd

    aciditatea corespunztoare iar cea de-a doua conferind gustul i aroma specific a produsului.

    Numrul optim de bacterii din produs variaz: de exemplu, iaurturile proaspete conin 109 bacterii

    per gram. De asemenea, n ultimii ani, firmele de prestigiu utilizeaz pentru obinerea iaurturilor

    tulpini bacteriene capabile s formeze polizaharide; prezena acestora reduce fenomenul de

    sinerezis, polizaharidele imobiliznd apa, iar consistena iaurtului este n acest caz mult mai

    cremoas.

    De asemenea, n multe ri ale lumii, este foarte apreciat de consumatori un sortiment de

    lapte fermentat, obinut prin utilizarea unor tulpini de Lb.acidophilus asociate uneori i cu tulpini

    de Bifidobacterium sp. Un asemenea produs poate modifica flora intestinal, mbuntind starea

    de sntate, el fiind recomandat n diferite diete.

    Produsele fermentate din carne, aa cum sunt crnaii, salamurile sau unele preparate din

    pete sunt obinute prin utilizarea unor tulpini de Pediococcus cerevisiae i Lb.plantarum sau a

    unor tulpini alcalifile de Bacillus sp.. Uneori, n cazul unor specialiti tradiionale japoneze pot fi

    folosite i tulpini de Penicillium sau de Aspergillus (A.glaucus).

    Obinerea pinii i a altor produse de panificaie se bazeaz pe utilizarea

    microorganismelor, n special a drojdiilor aparinnd speciei S.cerevisiae. Pinea ca aliment este

    cunoscut de foarte mult vreme, existnd dovezi c ea se producea nc din anul 2100 .C. In

    procesul tehnologic de producere a pinii, creterea drojdiilor se realizeaz n condiii de aerobioz

    ceea ce determin creterea concentraiei de CO2 i reduce producerea i acumularea de etanol.

    Fermentaia se realizeaz n mai multe etape: mai nti amidonul este hidrolizat sub aciunea i -

    amilazelor, eliberndu-se maltoz i sucroz, dup care sunt adugate drojdiile care produc enzime

    specifice (maltaz i invertaz) cu ajutorul crora metabolizeaz glucidele eliberate. In cursul

    procesului de fermentaie se produce CO2 i o serie de ali produi implicai n aroma pinii.

    Utilizarea unui amestec de microorganisme a permis obinerea unor sortimente specifice

    de pine aa cum este cea obinut din aluat acru (n acest caz se folosesc tulpini de

    Sacchoaromyces exiguus i de Lactobacillus sp.). In afara produselor fermentate menionate, sunt

    de amintit i altele aa cum sunt: murturile (proces realizat de bacterii cum ar fi Leuconostoc

    mesenteroides, Lb.plantarum, Pediococcus cerevisiae, Lb.brevis), varza murat (n acest caz,

    fermentaia lactic este produs de intervenia bacteriilor Leuconostoc mesenteroides, Lb.brevis i

  • Lb.plantarum), tofu (obinut din lapte de soia prin fermentaie cu ajutorul fungilor din speciile

    Actinimucor elegans i Mucor sp.) etc.

    Buturile alcoolice fermentate sunt produse, n ntreaga lume, pornindu-se de la diverse

    materii prime vegetale ce conin cantiti nsemnate de glucide.

    Producerea vinului reprezint o adevrat tiin, oenologia (de la cuvintele greceti oenos

    = vin i logos = tiin), cunoscut de mii de ani. Procesul de producere a vinului presupune

    parcurgerea mai multor etape, pe parcursul crora sunt utilizate diverse microorganisme: drojdii

    din speciile S.cerevisiae i S.ellipsoideus care fermenteaz mustul i determin acumularea de

    alcool i bacterii lactice care fermenteaz acidul malic rezidual la acid lactic i CO2. In cazul

    ampaniei, procesul de fermentaie este continuu i se realizeaz direct n sticl, pe parcursul mai

    multor luni.

    Deseori ns vinurile se pot deprecia datorit contaminrii cu diverse microorganisme.

    Astfel, contaminarea vinului cu bacterii din genurile Acetobacter sau Gluconobacter conduce la

    oxidarea alcoolului etilic la acid acetic i obinerea oetului din vin.

    O alt butur alcoolic produs cu ajutorul microorganismelor este berea. Materia

    prim este de obicei orzul dar, pentru anumite sortimente de bere se mai poate folosi grul sau

    orezul. Amidonul coninut n materia prim este degradat cu ajutorul malului (obinut n

    cursul procesului de ncolire al orzului) dup care se adaug hameiul, amestecul obinut fiind

    apoi inoculat cu drojdiile corespunztoare. Astfel, majoritatea tipurilor de bere se obin prin

    inocularea cu tulpini de S.carlsbergensis care realizeaz fermentaia la baza vasului de

    fermentaie (procesul se desfoar la 6-12oC), n timp ce tulpinile de S.cerevisiae care produc

    fermentaia la suprafa (timp de 5-7 zile la o temperatur de 14-23oC) sunt utilizate la

    obinerea berii englezeti. Si n acest caz poate aprea contaminarea cu tulpini microbiene

    nedorite (bacterii lactice i acetice), inclusiv levuri slbatice (S.pasteurianus, S.diastaticus).

    Buturile spirtoase (whiskey, gin, vodca etc) se obin printr-o tehnologie ce reprezint o

    extensie a tehnologiei de obinere a berii. De obicei se folosete o past pornind de la materie prim

    vegetal (orez, orz, porumb sau orz) care este inoculat cu bacterii homolactice din specia

    Lb.delbreuckii ce determin scderea valorii pH la 3,8 n timp de 6-10 ore, ceea ce limiteaz

    dezvoltarea altor microorganisme nedorite. Lichidul de fermentaie obinut este apoi supus

    fierberii, iar compuii volatili sunt condensai pentru a se obine un produs cu un coninut n alcool

    mai mare dect berea.

    MICROBIOLOGIE APLICAT1. Produi majori ai microbiologiei industriale1.1. Antibioticele1.2. Aminoacizii1.3. Acizii organici1.4. Enzimele1.5. Bioinsecticide microbiene1.6. Biopolimerii1.7. Biosurfactanii

    2. Procese de bioconversie microbian3. Biodegradarea i biodeteriorarea3.1. Aspecte pozitive ale proceselor de biodegradare

    4. Produse alimentare obinute cu ajutorul microorganismelor

    Streptomyces nodosusS.griseusPenicillium griseofulvum