Брожения

В процессе дыхания все химические связи в органической молекуле разрываются, и входящие в неё атомы связываются с кислородом, превращаясь в воду и углекислый газ. При этом выделяется большое количество энергии. При брожении же разрывается всего несколько связей, и большая органическая молекула разваливается на несколько молекул поменьше. При этом выделяется в 10-15 раз меньше энергии, чем при дыхании.

Почему же организмы, использующие такой неэффективный метаболизм (анаэробы) до сих пор не вымерли? Какое преимущество, даваемое брожением, позволяет им конкурировать с аэробами?
Им не нужен кислород. А в природе (особенно в микромире) бескислородные условия встречаются очень часто. Вот в этих экологических нишах они и живут.
Кроме того, в ходе брожений производятся многие вещества, необходимые для клеточного метаболизма. Например, первый этап дыхания – гликолиз, представляет собой именно брожение.

Спиртовое брожение
Одно из важнейших брожений в истории человечества – спиртовое. Его возбудителями являются в основном дрожжи, самый очевидный пример – пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae.
Суммарное уравнение спиртового брожения:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2↑
реакция идёт под действием ферментов в слабокислой среде (pH 4-5). Если среда станет нейтральной или слабощелочной, вместо этанола будет образовываться глицерин и другие продукты.
Конечно, это очень сильно упрощённое изображение процесса. На самом деле процесс протекает во много этапов, с участием множества ферментов. Но для расчётов можно использовать этот вариант.

Спиртовое брожение
Вот как-то так:

Значение спиртового брожения
Производство алкоголя. Тысячи лет этот процесс был единственным источником этилового спирта.
Хлебопечение.
Спирт в небольших количествах образуется в некоторых молочнокислых продуктах.

Постановка опыта
Для начала нам понадобится специальная питательная среда для спиртового брожения. Её состав (на 100 мл):
Сахароза – 15 г.
Пептон – 0,5 г.
KH2PO4 – 0,3 г.
MnSO4 – 0,1 г.

Далее отмеряем 100 мл. этой среды и вливаем во флакон, заткнутый пробкой с затвором Мейсля с клапаном Бунзена. Он не впускает внутрь никаких газов, а наружу выпускает только CO2

Потом добавляем во флакон немного дрожжей в качестве закваски.

Затыкаем флакон пробкой, взвешиваем и записываем полученную массу прямо на флаконе, после чего ставим его в термостат на неделю при 28oC.

Затыкаем флакон пробкой, взвешиваем и записываем полученную массу прямо на флаконе, после чего ставим его в термостат на неделю при 28oC.

Как вы могли заметить, в процессе постановки я не соблюдал никаких правил асептики. Но почему во флаконе вырастет именно то что нужно, а не какой-то посторонний микроб? А потому, что в нём создадутся элективные условия. Что это такое?
Элективные условия – условия, в которых может развиваться только какая-то определённая группа микроорганизмов. Это одно из важнейших понятий классической микробиологии – использование элективных сред и специальных условий инкубации позволяет определять наличие и численность разных групп микроорганизмов, выделять их чистые культуры и много чего ещё.
Итак, что же за условия создаются во флаконе? (кстати, можно заполнить соответствующую табличку в тетради).

Элективные условия для спиртового брожения
Высокая концентрация сахара (15% это очень много). Бактерии не любят растворов с высокими концентрациями веществ, даже если это питательные вещества. Грибы же гораздо более устойчивы.
Анаэробные условия. Все грибы – облигатные аэробы и не могут жить без кислорода. Все, кроме дрожжей.
Кислая среда за счёт KH2PO4. Большинство бактерий не любит кислые среды, для грибов же они оптимальны.
Наличие спирта в среде. Для многих бактерий он токсичен, для дрожжей же безвреден в таких концентрациях.

Маслянокислое брожение
Очень распространённое брожение, вызываемое, например, бактериями рода Clostridium (которые сами по себе встречаются повсеместно).
Суммарное уравнение:
4 C6H12O6 → 3CH3–CH2-CH2-COOH + 2CH3–COOH + 8CO2 ↑ + 8H2 ↑
Процесс идёт под действием ферментов в нейтральной или слабощелочной среде. Ну и, как вы наверное понимаете, в действительности всё гораздо сложнее, и это уравнение просто даёт общее представление о продуктах реакции.

Значение
Разложение отмершей органики.
Получение масляной кислоты
Порча продуктов питания и не только.

Постановка опыта
Берём немытую картофелину и мелко нарезаем:

Насыпаем нарезанный картофель в большую пробирку, примерно на 3-5 сантиметров по высоте (да, я переложил) и добавляем 1-2 ложечки толчёного мела (практически чистый карбонат кальция, CaCO3 (кстати, подумайте зачем)):

Заливаем водопроводной водой на 2/3 высоты пробирки и затыкаем её ватой или марлей:

Нагревам пробирку до 80 oC примерно 20 минут (пастеризация):

Как вы могли заметить, я снова делал всё без соблюдения правил асептики, но вырастет там именно то, что нужно. Почему? Потому что элективные условия:
Единственное питательное вещество – крахмал. Не все могут его переваривать, клостридии могут.
Анаэробные условия на дне пробирки. Клостридии – анаэробы.
Отсутствие связанных форм азота. Выживут только азотфиксаторы, клостридии – азотфиксаторы.
Пастеризация. Выживут только спорообразующие, клостридии – спорообразующие.

Брожение целлюлозы
Очень широко распространено в природе (как и сама целлюлоза). Типичный возбудитель – Clostridium Omelianskii.
Целлюлоза – очень химически стойкое вещество, и микроорганизмам приходится переваривать его в несколько стадий. Общая схема процесса:
1 стадия. Гидролиз целлюлозы до целлобиозы под действием фермента целлюлазы:
(C6H10O5)n + 1/2nH2O→ 1/2nC12H22O11
2 стадия. Гидролиз целлобиозы до глюкозы под действием фермента целлобиазы:
C12H22O11 + H2O → 2C6H12O6
3 стадия. Маслянокислое брожение.

Значение
Разложение отмершей растительной органики.
Симбионты растительноядных животных
Повреждение дерева, ткани и бумаги.

Постановка опыта
Берём специальную среду для брожения целлюлозы (клетчатки), не содержащую органику. Примерный состав (на 100 мл):
КNH4HPO4 – 0,2 г
KH2PO4 – 0,1 г.
CaCl2 – 0,3 г.
Пептон – 0,1 г.
MgSO4 – 0,05 г.
CaCO3 – 0,5 г.

Засыпаем в баночку 1-2 грамма фильтровальной бумаги (чистая целлюлоза):

Заливаем бумагу питательной средой и добавляем щепотку земли как источник бактерий:

Подписываем и ставим в термостат на 2 недели: