Лит.: Тимаков В. Д., Гольдфарб Д. М., Основы экспериментальной медицинской бактериологии, М., 1958; Большой практикум по микробиологии, под ред. Г. Л. Селибера, М., 1962; Мейнелл Дж., Мейнелл Э., Экспериментальная микробиология, пер. с англ., М., 1967.
А. В. Пономарёв.
Микробиологические исследования
Микробиологи'ческие иссле'дования находят широкое применение не только в микробиологии и др. областях биологии (например, в цитологии, генетике, биохимии, радиобиологии), но и в медицине, сельском хозяйстве и др. Цель М. и. — обнаружение микроорганизмов в воде, воздухе, почве, растениях, животных, отождествление (идентификация) микробов, изучение их свойств. С помощью М. и. было выяснено значение микробов в круговороте веществ в природе, их многогранная роль в жизни растений, животных и человека. М. и. важны для диагностики, предупреждения и лечения инфекционных заболеваний, выяснения источников инфекции, механизма её передачи и путей распространения, для контроля качества продуктов питания. М. и. микрофлоры воздуха, воды и почвы вооружили гигиену многими методами санитарно-гигиенической оценки окружающей среды и способствовали разработке мер её охраны и оздоровления (см. Охрана природы ). Для проведения М. и. пользуются специально разработанными методами и соответствующей аппаратурой (см. Микробиологическая техника ).
Лит . см. при статьях Генетика микроорганизмов и Микробиология .
А. В. Пономарев.
Микробиологический синтез
Микробиологи'ческий си'нтез, синтез структурных элементов или продуктов обмена веществ микроорганизмов за счёт присущих микробной клетке ферментных систем. При М. с., как и любом органическом синтезе, сложные вещества образуются из более простых соединений. М. с. следует отличать от брожения , в результате которого тоже получаются различные продукты микробного обмена (например, спирты, органические кислоты), но преимущественно за счёт распада органического вещества. Значительная часть продуктов, образующихся в ходе М. с., обладает физиологической активностью и представляет практическую ценность для народного хозяйства.
К М. с. относят широкий круг процессов. 1. Накопление микробной массы для использования её: а) в качестве белково-витаминных добавок к кормам; б) как источника получения белков , липидов , ферментов , токсинов , витаминов , антибиотиков ; в) для борьбы с паразитами животных и растений; г) в качестве носителя ферментативной активности в реакциях микробиологической (энзиматической) трансформации органических соединений. 2. Получение накапливающихся вне микробной клетки метаболитов, в том числе ферментов, токсинов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.п.
М. с. осуществляется внутри клетки при активации низкомолекулярных компонентов (например, коферментом А ) и участии нуклеотид фосфатов, чаще всего адениловых производных (см. Аденозинфосфорные кислоты ). Затем многие метаболиты выводятся из клетки в среду. Характерная особенность микроорганизмов — их способность к сверхсинтезу, т. е. избыточному образованию некоторых продуктов обмена веществ (многих аминокислот, нуклеотидов, витаминов), превышающему потребность микробной клетки. Так, глутаминовая кислота при сверхсинтезе может накапливаться в количестве свыше 10 мг/мл среды (культура Micrococcus glutamicus), витамин B2 — до 1—2 мг/мл (грибы Eremothecium ashbyii u Ashbya gossipii), вместо обычных сотых и даже тысячных долей мг. Способность к сверхсинтезу того или иного соединения свойственна определённым видам микроорганизмов, которыми, как правило, и пользуются в качестве продуцентов при производстве соответстветствующих метаболитов путём М. с. При этом применяют не только культуры, отобранные из природных источников, но и специально выведенные искусственным путём мутанты — штаммы, у которых сверхсинтез — следствие нарушений обмена веществ под воздействием мутагенов . Применение мутантов позволяет значительно увеличить выход ряда продуктов. Например, выведены культуры с высоким уровнем сверхсинтеза лизина, инозиновой кислоты, некоторых витаминов. При помощи мутантов удалось в 100—150 раз поднять активность биосинтеза пенициллина ; мутантные штаммы используются при производстве как этого, так и др. антибиотиков.
В процессе М. с. получают ряд продуктов, причём за счёт самых разных соединений углерода и азота. Это обусловливается большим разнообразием ферментных систем микроорганизмов. Так, для синтеза белков, нуклеиновых кислот и др. метаболитов клетки могут использовать в зависимости от особенностей культуры разные неорганические источники азота, а из соединений углерода — различные углеводы, органические кислоты (в т. ч. уксусную кислоту), жидкие, твёрдые или газообразные углеводороды и др. Определённые виды, способные к хемосинтезу или фотосинтезу , в качестве источника углерода могут усваивать углекислый газ. Т. о., подбор соответствующих культур даёт возможность получать путём М. с. желаемые вещества из дешёвого и доступного сырья. Эти особенности делают М. с. весьма эффективным способом производства многих соединений; часть из них (например, многие антибиотики) экономически выгодно получать ныне только таким путём.
Некоторые продукты М. с. давно использовались человеком (например, пекарские дрожжи), но широкое промышленное применение М. с. получил начиная с 40—50-х гг. 20 в. Прогресс в этой области связан прежде всего с открытием пенициллина, что побудило начать детальные исследования у микроорганизмов продуктов обмена веществ, обладающих физиологической активностью. Освоение в промышленных масштабах производства пенициллина привело к решению многих микробиологических, технологических и инженерных задач. Это, наряду с расширением производства дрожжей как белково-витаминных добавок к кормам, послужило основой для развития промышленного М. с. Так, в частности, были созданы специальные аппараты — ферментёры, с помощью которых можно вести технологический процесс биосинтеза без доступа посторонних микроорганизмов, снабжённые устройствами для перемешивания среды и для подачи стерильного воздуха.
Технологически современный процесс М. с. состоит из ряда последовательных этапов (операций). Главные из них: подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента; подготовка питательной среды; выращивание посевного материала; культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется М. с., часто называемый ферментацией (например, ферментация антибиотиков); фильтрация и отделение биомассы; выделение и очистка требуемого продукта, когда это необходимо; сушка. Процессы выделения и очистки, часто занимающие важное место среди др. технологических операций, определяются химической природой получаемого вещества и могут включать экстракционные и хроматографические методы, кристаллизацию, осаждение и др. Наиболее прогрессивным способом культивирования считается непрерывный — с непрерывными подачей питательной среды и выводом продуктов М. с. Так производят, например, микробную биомассу (кормовые дрожжи). Однако непрерывный способ разработан далеко ещё не для всех процессов М. с., и большинство метаболитов (аминокислоты, антибиотики, витамины) получают периодическим способом — с выводом продукта в конце процесса. В некоторых случаях (например, при производстве ряда ферментов) продуценты выращивают не в ферментёрах с аэрацией и перемешиванием (глубинный способ), а на поверхности питательной среды — т. н. поверхностным способом. Для производства разнообразных продуктов М. с. в СССР создана микробиологическая промышленность , уже выпускающая большой ассортимент соединений разных классов. Работы в области М. с. проводятся почти во всех промышленно развитых странах. Во многих из них продукты М. с. являются важной составляющей экономики страны, например производство ферментов и аминокислот — в Японии, лекарственных препаратов — в Венгрии.
Антибиотики — один из первых продуктов М. с., которые широко производят для медицины и сельского хозяйства. Большинство антибиотиков накапливается вне клеток микроорганизма-продуцента, которыми в основном являются актиномицеты , некоторые грибы и бактерии, главным образом их мутантные формы. Антибиотические препараты, употребляемые преимущественно в медицине, отличаются высокой степенью чистоты. На корм животным чаще идёт концентрат среды после выращивания в ней продуцента, иногда вместе с биомассой, содержащий значительное количество др. продуктов обмена веществ продуцента, в том числе витамины, аминокислоты, нуклеотиды и т.п. Некоторые антибиотики (фитобактериомицин, трихотецин, полимиксин) используются как средства защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов.
Витамины, провитамины, коферменты. Методом М. с. производят в основном витамин B12 , а частично и витамин B2 и его коферментную форму — флавинадениндинуклеотид (ФАД), каротиноиды, эргостерин. Кроме того, развивается производство разных др. соединений этого типа (никотинамидные коферменты и др.). Витамин B12 получают практически только путём М. с. Основными продуцентами при этом служат пропионовокислые бактерии, актиномицеты, а также комплекс метанобразующих бактерий, использующих отходы бродильной промышленности (послеспиртовые, ацетоно-бутиловые барды и др.) и применяемых в основном для получения кормового концентрата (высушенная среда с биомассой продуцента). Многие микроорганизмы способны к сверхсинтезу витамина B2 с активным выделением его в среду, но в качестве промышленных продуцентов употребляют наиболее активные культуры, главным образом грибы Eremothecium ashbyii и Ashbya gossipii. Помимо свободного витамина, при помощи Е. ashbyii получают также ФАД. b-каротин — провитамин витамина А, получаемый также др. способами (извлечение из моркови и др. объектов, химический синтез), образуется наряду с др. каротиноидами мн. микроорганизмами и содержится в клетках, придавая биомассе характерную окраску от жёлтой до красных тонов; однако наибольший практический интерес представляет культура Blakeslea trispora — самый активный синтетик, которым и пользуются в основном в качестве продуцента при промышленном биосинтезе. Эргостерин — провитамин витамина D2 — содержится в клетках многих дрожжей; основным источником его промышленного получения служат пекарские дрожжи. Однако уже имеются дрожжевые культуры со значительно более высоким уровнем накопления эргостерина. Комплекс витаминов и коферментов синтезируется, кроме того, в процессе развития дрожжей и накапливается в дрожжевой биомассе, которая привлекает всё более пристальное внимание как источник этих соединений.
Ферменты, синтезируемые микроорганизмами, и создаваемые на их основе ферментные препараты приобрели большое значение в народном хозяйстве, особенно в пищевой промышленности. Продуцентами ферментов — протеаз, амилаз, фосфатаз, целлюлаз, пектиназ, глюкозооксидазы, липаз, каталазы — служат многие мицелиальные грибы, некоторые актиномицеты и бактерии. В зависимости от локализации фермента подвергают обработке микробную массу или фильтрат, свободный от микробных клеток. Получение чистых ферментных препаратов связано со значительными технологическими трудностями. Такие препараты обычно очень дороги; поэтому в промышленности используют комплексные препараты, содержащие, например, протеазы и липазы, протеазы и амилазы.
Аминокислоты. Наблюдаемый во многих странах недостаток ряда аминокислот в рационах человека и кормах животных вызвал промышленное их получение, в том числе и методом М. с. Существенное преимущество М. с. аминокислот перед химическим методом заключается в получении их непосредственно в виде природных изомеров (L-формы). Из аминокислот, вырабатываемых М. с., наиболее важны лизин и глутаминовая кислота . Продуцентами аминокислот обычно служат культуры бактерий, относящихся к родам Brevibacterium и Micrococcus; для производства используются преимущественно мутанты-ауксотрофы, осуществляющие сверхсинтез соответствующей аминокислоты с выделением её в среду.
Нуклеотиды. Широкое развитие М. с. нуклеотидов, в частности инозиновой, гуаниловой и др. кислот, получил в Японии, где они используются главным образом как добавки к специфическим продуктам восточной кухни. В будущем нуклеотиды приобретут, вероятно, более важное значение в качестве регуляторов многих энзиматических и гормональных процессов в животном организме. Накопление нуклеотидов происходит преимущественно в культуральной жидкости, т. е. вне клеток продуцентов. Для М. с. нуклеотидов, как и аминокислот, используются биохимические мутанты с выраженным сверхсинтезом нужного соединения.
Белок и белково-витаминные препараты. Особое значение как источник белка имеет микробная биомасса. Производство такой биомассы на дешёвом сырье рассматривают как одно из средств устранения растущего белкового дефицита в питании человека и животных. Наиболее интенсивное развитие получили промышленные методы М. с. так называемых кормовых дрожжей, применяемых в виде сухой биомассы как источник белка и витаминов в животноводстве. Кормовые дрожжи содержат значительном количество белка (до 50—55%), в состав которого входят незаменимые аминокислоты, например лизин, триптофан , метионин ; они богаты витаминами, многими микроэлементами. Для выращивания кормовых дрожжей использовали преимущественно дешёвое углеводное сырьё — гидролизаты отходов деревообрабатывающей промышленности, непищевых растительных материалов (подсолнечная лузга, стержни кукурузных початков и т.п.), сульфитные щелока, различные виды барды и т.д. Ныне в крупных промышленных масштабах организуется производство дрожжей на углеводородах (н -алканах, газойле, различных фракциях нефти). Большие запасы этого сырья позволяют планировать крупнотоннажное производство микробной биомассы. Для получения белково-витаминной биомассы изучается также возможность применения бактерий. Многие бактерии хорошо растут на углеводородах, в частности газообразных (например, на метане), а также на др. источниках углерода (например, на метаноле и уксусной кислоте). Углеводороды и их производные привлекают внимание и как сырьё для М. с. отдельных физиологически активных соединений (аминокислот, витаминов, нуклеотидов и т.д.).
К числу продуктов М. с. следует отнести и некоторые средства защиты растений: бактериальные энтомопатогенные препараты (например, энтобактерин, инсектин, дендробациллин), вызывающие гибель вредных насекомых и предотвращающие их массовое размножение. Указанное действие вызывают своеобразные «белковые кристаллы» — носители токсичности, расположенные в микробных клетках.
Методом М. с. получают также многие бактериальные удобрения .
К частному случаю М. с. относится микробиологическая трансформация органических соединений. За счёт высокой активности специфических энзиматических систем микроорганизмы оказываются способными осуществлять ряд реакций на молекуле органического соединения, не меняя его основной структуры. Наиболее изучены реакции на молекулах стероидных соединений. В строго определённых положениях осуществляются реакции дегидрирования, дезацетилирования и гидроксилирования, в результате чего меняется физиологическая активность исходного стероидного соединения. Благодаря подбору соответствующих микроорганизмов — носителей специфических ферментных систем — метод микробиологической трансформации получает всё большее распространение.
Лит.: Безбородов А, М., Биосинтез биологически активных веществ микроорганизмами, Л., 1969; Уэбб Ф., Биохимическая технология и микробиологический синтез, пер. с англ., М., 1969; Ахрем А. А., Титов Ю. А., Стероиды и микроорганизмы, М., 1970; «Журнал Всес. химического общества им. Д. И. Менделеева», 1972, т. 17, № 5 (номер посвящен промышленной микробиологии); «Прикладная биохимия и микробиология» (с 1965); «Journal of Fermentation Technology» (Tokyo, с 1970).
Г. К. Скрябин, Л. М. Безбородов.
Микробиологическое общество
Микробиологи'ческое о'бщество Всесоюзное (ВМО), научное объединение советских учёных и специалистов, работающих в области общей, промышленной и с.-х. микробиологии . Организовано в 1957 при АН СССР. В 1960 был принят устав общества и избран Центральный совет. В 1972 М. о. объединяло свыше 3600 индивидуальных членов и 42 члена-коллектива. 30 отделении М. о. имеются в республиках и больших городах СССР. Основные задачи общества: содействие развитию всех отраслей микробиологии и реализации её достижений в народном хозяйстве СССР; оказание помощи членам М. о. в повышении квалификации; улучшение преподавания микробиологии и повышение уровня исследований в этой области; популяризация и пропаганда научных и практических достижений; содействие в развитии научных связей с зарубежными учёными и т.п. общество проводит съезды, конференции, циклы лекций, доклады и семинары для повышения квалификации своих членов, издаёт (совместно с институтом микробиологии АН СССР) ежегодник «Успехи микробиологии», труды съездов, конференций и семинаров. Президенты общества: А. А. Имшенецкий (1960—63); Е. Н. Мишустин (1963—68); И. Л. Работнова (1968—71); М. Н. Мейсель (с 1971).
Лит.: Устав Всесоюзного микробиологического общества при АН СССР, М., 1960; Медведева Г. А., Звягинцева И. С., Никитин Д. И., IV съезд Всесоюзного микробиологического общества, «Микробиология», 1972, т. 41, № 1.
Л. В. Калакуцкий.
Микробиология
Микробиоло'гия (от микро... и биология ), наука, изучающая микроорганизмы — бактерии , микоплазмы , актиномицеты , дрожжи , микроскопические грибы и водоросли — их систематику, морфологию, физиологию, биохимию, наследственность и изменчивость, распространение и роль в круговороте веществ в природе, практическое значение.
Возникновение и развитие микробиологии. За несколько тыс. лет до возникновения М. как науки человек, не зная о существовании микроорганизмов, широко применял их для приготовления кумыса и др. кисломолочных продуктов, получения вина, пива, уксуса, при силосовании кормов, мочке льна. Впервые бактерии и дрожжи увидел А. Левенгук , рассматривавший с помощью изготовленных им микроскопов зубной налёт, растительные настои, пиво и т.д. Творцом М. как науки был Л. Пастер , выяснивший роль микроорганизмов в брожениях (виноделие, пивоварение) и в возникновении болезней животных и человека. Исключительное значение для борьбы с заразными болезнями имел предложенный Пастером метод предохранительных прививок, основанный на введении в организм животного или человека ослабленных культур болезнетворных микроорганизмов. Задолго до открытия вирусов Пастер предложил прививки против вирусной болезни — бешенства. Он же доказал, что в современных земных условиях невозможно самопроизвольное зарождение жизни. Эти работы послужили научной основой стерилизации хирургических инструментов и перевязочных материалов, приготовления консервов, пастеризации пищевых продуктов и т.д. Идеи Пастера о роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе были развиты основоположником общей М. в России С. Н. Виноградским , открывшим хемоавтотрофные микроорганизмы (усваивают углекислый газ атмосферы за счёт энергии окисления неорганических веществ; см. Хемосинтез ), азотфиксирующие микроорганизмы и бактерий, разлагающих целлюлозу в аэробных условиях. Его ученик В. Л. Омелянский открыл анаэробных бактерий, сбраживающих, т. е. разлагающих в анаэробных условиях целлюлозу, и бактерий, образующих метан. Значительный вклад в развитие М. был сделан голландской школой микробиологов, изучавших экологию, физиологию и биохимию разных групп микроорганизмов (М. Бейеринк, А. Клюйвер, К. ван Нил). В развитии медициской М. важная роль принадлежит Р. Коху , предложившему плотные питательныесреды для выращивания микроорганизмов и открывшему возбудителей туберкулёза и холеры. Развитию медицинской М. и иммунологии способствовали Э. Беринг (Германия), Э. Ру (Франция), С. Китазато (Япония), а в России и СССР — И. И. Мечников , Л. А. Тарасевич , Д. К. Заболотный , Н. Ф. Гамалея .
Развитие М. и потребности практики привели к обособлению ряда разделов М. в самостоятельные научные дисциплины. Общая М. изучает фундаментальные закономерности биологии микроорганизмов. Знание основ общей М. необходимо при работе в любом из специальных разделов М. Содержание, границы и задачи общей М. постепенно изменялись. Ранее к объектам, изучаемым ею, относили также вирусы, простейшие растительного или животного происхождения (протозоа), высшие грибы и водоросли. В зарубежных руководствах по общей М. до сих пор описываются эти объекты. В СССР изучение этих объектов не входит в задачу общей М. В задачу технической, или промышленной, М. входит изучение и осуществление микробиологических процессов, применяемых для получения дрожжей, кормового белка, липидов, бактериальных удобрений , а также получение путём микробиологического синтеза антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, нуклеотидов, органических кислот и т.п. (см. также Микробиологическая промышленность ). Сельскохозяйственная М. выясняет состав почвенной микрофлоры, её роль в круговороте веществ в почве, а также её значение для структуры и плодородия почвы, влияние обработки на микробиологические процессы в ней, действие бактериальных препаратов на урожайность растений. В задачу с.-х. М. входят изучение микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, и борьба с ними, разработка микробиологических способов борьбы с насекомыми — вредителями с.-х. растений и лесных пород, а также методов консервирования кормов, мочки льна, предохранения урожая от порчи, вызываемой микроорганизмами. Геологическая М. изучает роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых, предлагает методы получения (выщелачивания) из руд металлов (медь, германий, уран, олово) и др. ископаемых с помощью бактерий. Водная М. изучает количественный и качественный состав микрофлоры солёных и пресных вод и её роль в биохимических процессах, протекающих в водоёмах, осуществляет контроль за качеством питьевой воды, совершенствует микробиологические методы очистки сточных вод. В задачу медицинской М. входит изучение микроорганизмов, вызывающих заболевания человека, и разработка эффективных методов борьбы с ними. Эти же вопросы в отношении сельскохозяйственных и др. животных решает ветеринарная М.
Своеобразие строения и размножения вирусов, а также применение специальных методов их исследования привели к возникновению вирусологии как самостоятельной науки, не относящейся к М.
Связь микробиологии с другими науками. М. в той или иной степени связана с др. науками: морфологией и систематикой низших растений и животных (микологией, альгологией, протистологией), физиологией растений, биохимией, биофизикой, генетикой, эволюционным учением, молекулярной биологией, органической химией, агрохимией, почвоведением, биогеохимией, гидробиологией, химической и микробиологической технологией и др. Микроорганизмы служат излюбленными объектами исследований при решении общих вопросов биохимии и генетики (см. Генетика микроорганизмов , Молекулярная генетика ). Так, с помощью мутантов, утративших способность осуществлять один из этапов биосинтеза какого-либо вещества, были расшифрованы механизмы образования многих природных соединений (например, аминокислот лизина, аргинина и др.). Изучение механизма фиксации молекулярного азота для воспроизведения его в промышленных масштабах направлено на поиски катализаторов, аналогичных тем, которые в мягких условиях осуществляют азотфиксацию в клетках бактерий. Между М. и химией существует постоянная конкуренция при выборе наиболее экономичных путей синтеза различных органических веществ. Ряд веществ, которые ранее получали микробиологическим путём, теперь производят на основе чисто химического синтеза (этиловый и бутиловый спирты, ацетон, метионин, антибиотик левомицетин и др.). Некоторые сиитезы осуществляют как химическим, так и микробиологическим путём (витамин B2 , лизин и др.). В ряде производств сочетают микробиологические и химические методы (пенициллин, стероидные гормоны, витамин С и др.). Наконец, есть продукты и препараты, которые пока могут быть получены только путём микробиологического синтеза (многие антибиотики сложного строения, ферменты, липиды, кормовой белок и т.д.).
Современная микробиология. Как общая М., так и её специальные разделы развиваются исключительно бурно. Существуют три основных причины такого развития. Во-первых, благодаря успехам физики, химии и техники М. получила большое число новых методов исследования. Во-вторых, начиная с 40-х гг. 20 в. резко возросло практическое применение микроорганизмов. В-третьих, микроорганизмы стали использовать для решения важнейших биологических проблем, таких, как наследственность и изменчивость, биосинтез органических соединений, регуляция обмена веществ и др. Успешное развитие современной М. невозможно без гармонического сочетания исследований, проводимых на популяционном, клеточном, органоидном и молекулярном уровнях. Для получения бесклеточных ферментных систем и фракций, содержащих определённые внутриклеточные структуры, применяют аппараты, разрушающие клетки микроорганизмов, а также градиентное центрифугирование, позволяющее получать частицы клеток, обладающие различной массой. Для исследования морфологии и цитологии микроорганизмов разработаны новые виды микроскопической техники . В СССР был изобретён метод капиллярной микроскопии, позволивший открыть новый, ранее не доступный для наблюдения мир микроорганизмов, обладающих своеобразной морфологией и физиологией.
Для изучения обмена веществ и химического состава микроорганизмов получили распространение различные способы хроматографии, масс-спектрометрия, метод изотопных индикаторов, электрофорез и др. физические и физико-химические методы. Для обнаружения органических соединений применяют также чистые препараты ферментов. Предложены новые способы выделения и химической очистки продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (адсорбция и хроматография на ионообменных смолах, а также иммунохимические методы, основанные на специфической адсорбции определённого продукта, например фермента, антителами животного, образовавшимися у него после введения этого вещества). Сочетание цитологических и биохимических методов исследования привело к возникновению функциональной морфологии микроорганизмов. С помощью электронного микроскопа стало возможным изучение тонких особенностей строения цитоплазматических мембран и рибосом, их состава и функций (например, роль цитоплазматических мембран в процессах транспорта различных веществ или участие рибосом в биосинтезе белка).
Лаборатории обогатились ферментёрами различной ёмкости и конструкции. Широкое распространение получило непрерывное культивирование микроорганизмов, основанное на постоянном притоке свежей питательной среды и оттоке жидкой культуры. Установлено, что наряду с размножением клеток (ростом культуры) происходит развитие культуры, т. е. возрастные изменения у клеток, составляющих культуру, сопровождающиеся изменением их физиологии (молодые клетки, даже интенсивно размножаясь, не способны синтезировать многие продукты жизнедеятельности, например ацетон, бутанол, антибиотики, образуемые более старыми культурами). Современные методы изучения физиологии и биохимии микроорганизмов дали возможность расшифровать особенности их энергетического обмена, пути биосинтеза аминокислот, многих белков, антибиотиков, некоторых липидов, гормонов и др. соединений, а также установить принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов.
Практическое значение микробиологии. Активно участвуя в круговороте веществ в природе, микроорганизмы играют важнейшую роль в плодородии почв, в продуктивности водоёмов, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Особенно важна способность микроорганизмов минерализовать органические остатки животных и растений. Всё возрастающее применение микроорганизмов в практике привело к возникновению микробиологической промышленности и к значительному расширению микробиологических исследований в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. С середины 19 в. до 40-х гг. 20 в. техническая М. в основном изучала различные брожения , а микроорганизмы использовались преимущественно в пищевой промышленности. С 40-х гг. быстро развиваются новые направления технической М., которые потребовали иного аппаратурного оформления микробиологических процессов. Выращивание микроорганизмов стали проводить в закрытых ферментёрах большой ёмкости, совершенствовались методы отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости, выделения из последней и химической очистки их продуктов обмена. Одним из первых возникло и развилось производство антибиотиков. В широких масштабах микробиологическим путём получают аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота, триптофан и др.), ферменты, витамины, а также кормовые дрожжи на непищевом сырье (сульфитные щелока, гидролизаты древесины, торфа и с.-х. растительные отходы, углеводороды нефти и природного газа, фенольные или крахмалсодержащие сточные воды и т.д.). Осуществляется получение микробиологическим путём полисахаридов и осваивается промышленный биосинтез липидов. Резко возросло применение микроорганизмов в сельском хозяйстве. Увеличилось производство бактериальных удобрений, в частности нитрагина, приготовляемого из культур клубеньковых бактерий, фиксирующих азот в условиях симбиоза с бобовыми растениями, и применяемого для заражения семян бобовых культур. Новое направление с.-х. М. связано с микробиологическими методами борьбы с насекомыми и их личинками — вредителями с.-х. растений и лесов. Найдены бактерии и грибы, убивающие своими токсинами этих вредителей, освоено производство соответствующих препаратов. Высушенные клетки молочнокислых бактерий используют для лечения кишечных заболеваний человека и с.-х. животных.
Деление микроорганизмов на полезных и вредных условно, т.к. оценка результатов их деятельности зависит от условий, в которых она проявляется. Так, разложение целлюлозы микроорганизмами важно и полезно в растительных остатках или при переваривании пищи в пищеварительном тракте (животные и человек не способны усваивать целлюлозу без её предварительного гидролиза микробным ферментом целлюлазой). В то же время микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, разрушают рыболовные сети, канаты, картон, бумагу, книги, хлопчато-бумажные ткани и т.д. Для получения белка микроорганизмы выращивают на углеводородах нефти или природного газа. Одновременно с этим большие количества нефти и продуктов её переработки разлагаются микроорганизмами на нефтяных промыслах или при их хранении. Даже болезнетворные микроорганизмы не могут быть отнесены к абсолютно вредным, т.к. из них приготовляют вакцины, предохраняющие животных или человека от заболеваний. Порча микроорганизмами растительного и животного сырья, пищевых продуктов, строительных и промышленных материалов и изделий привела к разработке различных способов их предохранения (низкая температура, высушивание, стерилизация, консервирование, добавление антибиотиков и консервантов, подкисление и т.п.). В др. случаях возникает необходимость ускорить разложение определённых химических веществ, например пестицидов , в почве. Велика роль микроорганизмов при очистке сточных вод (минерализация веществ, содержащихся в сточных водах).
Подготовка кадров микробиологов осуществляется в СССР на кафедрах М. университетов, с.-х., а также пищевых вузов, медицинских и ветеринарных институтов; существуют специальные кафедры микробиологической технологии. Имеется Всесоюзное микробиологическое общество и общество медицинских микробиологов и эпидемиологов (17 тыс. членов). Ведущее научное учреждение в области общей М. — Микробиологии институт АН СССР. Во многих АН союзных республик созданы микробиологические научно-исследовательские институты или отделы; организованы также отраслевые институты, институты антибиотиков и др. Работы по различным разделам М. публикуются в журналах: «Микробиология» (с 1932), «Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии» (с 1924), «Прикладная биохимия и микробиология» (с 1965), «Mikpoбioлогiчний журнал» (Киïв, с 1934), а также в «Докладах АН СССР» и в общих биологических журналах ; издаётся ежегодник «Успехи микробиологии» (с 1964). За рубежом издаются: «Journal of Bacteriology» (Balt., с 1916), «Annual Review of Microbiology» (Stanford, с 1947), «Annales de l'lnstitut Pasteur» (P., с 1887), «Archiv für Mikrobiologie» (B. — Hdlb., с 1930), «Zeitschrift für allgemeine Mikrobiologie» (В., с 1960) и др.
Лит.: Достижения советской микробиологии, М., 1959; Фробишер М., Основы микробиологии, пер. с англ., М., 1965; Работнова И. Л., Общая микробиология, М., 1966; «Микробиология», 1967, т. 36, в. 6 (Советская микробиология за 50 лет); Мейнелл Дж., Мейнелл Э., Экспериментальная микробиология, пер. с англ., М., 1967; Шлегель Г., Общая микробиология, пер. с нем., М., 1972.
А. А. Имшенецкий.
Микробиота
Микробио'та (Microbiota), род растений семейства кипарисовых. Один вид — М. перекрёстнопарная (М. decussata) — карликовый вечнозелёный однодомный кустарник высотой 1—1,5 м с распростёртыми ветвями. Хвоя на плодущих побегах чешуевидная, черепитчатая, на молодых — игловидная. Пыльниковые колоски овальные желтоватые. Шишки мелкие, односемянные, шаровидные или яйцевидные, из 2—4 чешуй. Семя овальное, гладкое, бескрылое. М. растет в суровых климатических условиях на тощих каменистых почвах: на гольцах горных вершин и перевалов Сихотэ-Алиня на высоте 900—1200 м. Редкое растение, подлежит охране.
Лит.: Куренцова Г. Э., Реликтовые растения Приморья, Л., 1968.
Микробные ассоциации
Микро'бные ассоциа'ции, естественные или искусственно созданные человеком сообщества микроорганизмов. В М. а. могут входить бактерии, дрожжи, водоросли, грибы и др. микроорганизмы. М. а. основаны на симбиотических или метабиотических отношениях (см. Симбиоз ). Отдельные виды микроорганизмов, составляющих М. а., обычно устойчивы к продуктам жизнедеятельности др. видов, участвующих в М. а., и используют эти продукты как источник энергии, углерода и азота или как факторы роста. Некоторые М. а. давно возникли в процессе эволюции и очень устойчивы. Таковы лишайники , состоящие из фотосинтезирующих водорослей и гетеротрофных грибов. В слизетечении берёзы и дуба обитают дрожжи, сбраживающие сахара до этилового спирта; спирт окисляется уксуснокислыми бактериями до уксусной кислоты, окисляемой затем грибами и бактериями до углекислого газа и воды. В почве создаются М. а. из анаэробов и аэробов ; аэробы потребляют кислород и тем самым дают возможность развиваться анаэробным бактериям. Целлобиоза и глюкоза, образуемые при разрушении растительных остатков целлюлозными бактериями, усваиваются азотфиксирующими бактериями, клетки которых после разложения служат источником азотистого питания для целлюлозных бактерий. Часты М. а., состоящие из дрожжей и молочнокислых бактерий: дрожжи устойчивы к молочной кислоте, молочнокислые бактерии — к этиловому спирту. К таким М. а. относятся закваски для получения кефира, теста из ржаной муки и др. Своеобразную М. а. представляет собой слизистый «чайный гриб», состоящий из дрожжей и уксуснокислых бактерий и применяемый в быту для получения кислого напитка. Искусственно созданной стойкой М. а. является состоящая из трёх различных штаммов промышленная «М» раса дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
А. А. Имшенецкий.
Микробные фильтры
Микро'бные фи'льтры, аппараты для освобождения жидкостей от микроорганизмов путём фильтрации. Для изготовления М. ф. применяют сплавленные частицы стекла, эфиры целлюлозы (мембранные фильтры), асбесто-целлюлозную смесь (фильтры Зейца), неглазированный фарфор и др. М. ф. применяют для стерилизации жидкостей, портящихся при нагревании. Подробнее см. Бактериальные фильтры .
Микробы
Микро'бы (от микро... и греч. bíos — жизнь), собирательное наименование бактерий, актиномицетов, дрожжей и микроскопических грибов, т. е. микроорганизмов , исключая микроскопические водоросли и простейшие. Иногда М. называют все микроорганизмы.
Микроволновая спектроскопия
Микрово'лновая спектроскопи'я, область радиоспектроскопии , в которой исследуются спектры веществ в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн (микроволны или сверхвысокие частоты ). Т. к. в этот диапазон попадает большинство вращательных и вращательно-инверсионных спектров молекул (см. Молекулярные спектры ), наблюдение которых в твёрдых телах и жидкостях невозможно, то М. с. часто отождествляют с радиоспектроскопией газов. М. с. — эффективный метод физических и химических исследований. Измерение частот вращательных спектров молекул позволяет с большой степенью точности определить структуру молекул и изучить природу химической связи . Вращательный спектр поглощения молекулы зависит от её конфигурации, т. е. от принадлежности молекулы к типу линейных, сферических, симметричных или асимметричных волчков (см. Молекула ). Вращательный спектр любой молекулы может быть рассчитан, если известны её моменты инерции , которые зависят от конфигурации и размеров молекулы. Сравнение теоретически рассчитанных вращательных спектров молекул с экспериментально наблюдаемыми позволяет определить конфигурацию молекулы, длины связей и углы между ними.
Представление о молекуле как о жёстком образовании является приближённым. Колебания атомов, составляющих молекулу, приводят к расщеплению линий вращательного спектра и к возникновению тонкой структуры. В спектрах линейных молекул и молекул типа симметричного волчка возможно т. н. l -удвоение линий, а в спектрах молекул типа асимметричного волчка, обладающих плоскостью инверсии, — инверсионное расщепление. Спектры l -удвоения наблюдаются, например, у молекулы HCN, причём переходы между уровнями удвоения попадают в диапазон длин волн l ~ 3 мм. Единственной молекулой, у которой наблюдается инверсионное расщепление энергетических уровней, является молекула аммиака (NH3 , ND3 , NHD2 ). Инверсионный спектр NH3 попадает в область длин волн l = 1,3 см, а спектр ND3 лежит в диапазоне l ~ 15—18 см. Обе эти молекулы использовались в первых квантовых генераторах (см. Молекулярный генератор ).
Сверхтонкая структура вращательных молекулярных спектров обусловлена слабыми взаимодействиями электрических и магнитных моментов атомных ядер между собой и с полем, создаваемым электронами в молекуле. Квадрупольная сверхтонкая структура спектров вызвана взаимодействием квадрупольного момента ядра с электрическим внутримолекулярным полем, а магнитная сверхтонкая структура связана с взаимодействием магнитных моментов ядер между собой и с магнитным полем, обусловленным вращением молекулы как целого. Наблюдение квадрупольной сверхтонкой структуры даёт информацию о спине , квадрупольном и магнитном моментах ядер, входящих в состав молекулы.
Для исследования вращательных спектров молекул волны от генератора СВЧ пропускают через волноводную ячейку, заполненную исследуемым газом, откуда они попадают на детектор, сигнал которого подаётся на регистрирующий прибор (например, осциллограф). Сигнал детектора пропорционален мощности, поглощённой в волноводе. Плавно изменяя частоту генератора, определяют резонансную частоту n и степень (интенсивность) поглощения. Иногда вместо волноводной ячейки применяются объёмные резонаторы , имеющие большую добротность. Недостаток резонаторных ячеек по сравнению с волноводными — их узкополосность; практически для каждой спектральной линии приходится конструировать отдельный резонатор. Для повышения чувствительности радиоспектроскопов интенсивность линии модулируют с помощью электрического или магнитного полей. Модуляция происходит за счёт расщепления линий в электрическом (Штарка эффект ) или магнитном (Зеемана эффект ) полях.
В диапазоне СВЧ существуют достаточно мощные монохроматические генераторы (клистроны ), поэтому разрешающая сила радиоспектроскопа определяется шириной спектральной линии, которая в газе обусловлена главным образом Доплера эффектом и соударениями молекул друг с другом и со стенками ячейки. Ширину линии Dn, обусловленную соударениями молекул, можно уменьшить, понижая давление в ячейке. Обычно оно ~ 0,13 н/м2 (10-3 мм рт. ст. ), а Dn ~ (1—5) × 104 гц.
Для уменьшения ширины спектральных линий применяют метод молекулярных пучков, в которых практически полностью отсутствуют соударения молекул друг с другом (см. Молекулярные и атомные пучки ). Ширина линий в этом случае может быть уменьшена до величины ~ 103 гц, что позволяет наблюдать не только квадрупольную, но и магнитную сверхтонкую структуру. Применение молекулярных пучков связано с уменьшением интенсивности линии. Однако существуют специальные методы, повышающие их интенсивность. Сущность их состоит в следующем: коэффициент поглощения волны пропорционален разности насслённостей уровней энергии , между которыми происходит переход. Если «очистить» от частиц верхний энергетический уровень или увеличить в несколько раз населённость нижнего уровня, то интенсивность спектральной линии увеличится в kT/h n раз (Т — температура газа, k — Больцмана постоянная , h n — энергия поглощаемого кванта электромагнитного поля СВЧ). В молекулярном пучке это можно осуществить с помощью неоднородных электрических или магнитных полей, а в равновесном газе — с помощью вспомогательного излучения (см. Квантовая электроника ).
Лит.: Таунс Ч., Шавлов А., Радиоспектроскопия, пер. с англ., М., 1959; Горди В., Смит В., Трамбаруло Р., Радиоспектроскопия, пер. с англ., М., 1955.
А. Н. Ораевский.
Микроволновая терапия
Микрово'лновая терапи'я, вид электролечения , при котором больного облучают электромагнитными волнами СВЧ диапазона (см. Микроволны ).
Микроволны
Микрово'лны, микрорадиоволны, электромагнитные волны миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов длин волн (см. Сверхвысокие частоты ). Термин «М.» (microwave) распространён в англоязычной научной литературе.
Микроворсинки
Микроворси'нки, специализированные выросты плазматической мембраны эпителиальных клеток у животных и человека. Длина М. 500—3000 нм, диаметр 50—100 нм. Количество М. в одной клетке достигает нескольких тыс. Иногда расположение их упорядочено, например, в исчерченных (щёточных) каёмках эпителиальных клеток тонкого кишечника (рис. ) М. находятся на расстоянии около 20 нм друг от друга. Служат для увеличения клеточной поверхности. Из М. состоят и кутикулы у позвоночных животных.
Щёточная каёмка эпителия тонкой кишки обезьяны: равномерное распределение микроворсинок (электронная микрофотограмма ).
Микроглия
Микрогли'я, мезоглия (от микро... или мезо... и греч. glía — клей), мелкие округлые клетки в центральной нервной системе. Развиваются из клеток соединительной ткани и составляют около 10% от общего числа клеток нейроглии . Каждая клетка М. связана с системой «нейрон-нейроглия» и капиллярами мозга при помощи ветвящихся отростков. При инфекциях, интоксикациях, отёке мозга число клеток М. и их размеры увеличиваются. Выполняют роль фагоцитов , убирая омертвевшие участки нервной ткани.
Микроденситометр
Микроденсито'метр, то же, что микрофотометр .
Микроинтерферометр
Микроинтерферо'метр, прибор, применяемый для измерений неровностей на наружных поверхностях с направленными следами механической обработки, а также для определения толщины плёнок, величины малых перемещении и т. и. Впервые М. разработаны В. П. Линником в 1933. В оптической схеме М. использованы интерферометр и микроскоп , что позволяет одновременно осуществлять наблюдение исследуемой поверхности и интерференционной картины, полученной в результате взаимодействия двух когерентных световых волн: волны сравнения, отражённой от образцового зеркала, и волны, отражённой от исследуемой поверхности и деформированной имеющимися на ней микронеровностями. Интерференционная картина в монохроматическом свете представляет собой чередование тёмных и светлых полос, форма которых в увеличенном масштабе воспроизводит профиль контролируемого участка поверхности (рис. ). Высота h неровности поверхности определяется через искривление а и ширину b интерференционной полосы: h = а/b ×l /2 , где l — средняя длина волны используемого участка спектра. С помощью М. можно измерять высоты от 0,03 до 1 мкм. Изготовляют М., работающие в белом и монохроматическом свете. М. снабжают окулярным микрометром для измерений или окуляром и фотокамерой для регистрации интерференционной картины. Некоторые М. имеют устройства для измерений неровностей до 10 мкм по отпечаткам, снятым с исследуемых поверхностей.
Лит.: Егоров В. А., Оптические и щуповые приборы для измерения шероховатости поверхности, 2 изд., М., 1965.
Л. Н. Логачева.
Рис. к ст. Микроинтерферометр.
Микроканонический ансамбль
Микроканони'ческий анса'мбль, статистический ансамбль для изолированных (не обменивающихся энергией с окружающими телами) макроскопических систем в постоянном объёме при постоянном числе частиц; энергия систем М. а. имеет строго постоянное значение. Понятие М. а., введённое Дж. У. Гиббсом в 1901, является идеализацией, т.к. в действительности полностью изолированных систем не существует.
В классической статистике статистический ансамбль характеризуется функцией распределения f (qi , pi ), зависящей от координат qi и импульсов pi всех частиц системы. Эта функция определяет вероятность микроскопического состояния системы, т. е. вероятность того, что координаты и импульсы частиц системы имеют определённые значения. Согласно микроканоническому распределению Гиббса, все микроскопические состояния, отвечающие данной энергии, равновероятны. (Данная энергия системы может быть реализована при различных значениях координат и импульсов частиц системы.)
Если через H (qi , pi ) обозначить энергию системы в зависимости от координат и импульсов (функцию Гамильтона), а через Е — заданное значение энергии, то
f (q i , p i ) = A d{H (q i , p i ) - E },
где d — дельта-функция Дирака, а постоянная А определяется условием нормировки (суммарная вероятность пребывания системы во всех возможных состояниях, определяемая интегралом от f (qi , pi ) по всем qi , pi , равна 1) и зависит от объёма и энергии системы.
В квантовой статистике рассматривается ансамбль энергетически изолированных квантовых систем (с постоянным объёмом V и полным числом частиц N ), имеющих одинаковую энергию E с точностью до DE << E . Предполагается, что для таких систем все квантовомеханические состояния с энергией E k в слое E , E + DE равновероятны. Такое распределение вероятностей w состояний системы, когда
называется микроканоническим распределением. Здесь W(E , N , V ) — статистический вес , определяемый из условия нормировки
и равный числу квантовых состояний в слое E , E + DE . Величину DE выбирают обычно малой, но конечной (так как точная фиксация энергии в квантовой механике, в соответствии с неопределённостей соотношением между энергией и временем, потребовала бы бесконечного времени наблюдения). Однако М. а. малочувствителен к выбору ширины энергетического слоя DE , если она значительно меньше полной энергии системы. Поэтому в квантовой статистике можно также рассматривать ансамбль полностью изолированных систем, когда DE ® 0.
С помощью статистического веса W(E , N, V) можно вычислить энтропию S системы:
S = k lnW(E , N , V )
(k — Больцмана постоянная ) и другие потенциалы термодинамические . Поскольку энтропия системы пропорциональна числу частиц N , статистический вес имеет порядок величины экспоненциальной функции от N и для рассматриваемых макроскопических систем очень велик.
Микроканоническое распределение неудобно для практического применения, т.к. для вычисления статистического веса нужно найти распределение квантовых уровней системы, состоящей из большого числа частиц, что представляет очень сложную задачу. Удобнее рассматривать не энергетически изолированные системы, а системы, находящиеся в тепловом контакте с окружающей средой, температура которой считается постоянной (с термостатом), и применять каноническое Гиббса распределение или рассматривать системы в тепловом и материальном контакте с термостатом (т. е. системы, для которых возможен обмен частицами и энергией с термостатом) и применять большое каноническое распределение Гиббса (см. Статистическая физика ). Гиббс доказал теорему о том, что малая часть М. а. распределена канонически (теорема Гиббса). Эту теорему можно считать обоснованием канонического распределения Гиббса, если микроканоническое распределение принять как основной постулат статистической физики.
Лит. см. при ст. Статистическая физика .
Г. Я. Мякишев, Д. Н. Зубарев.
Микроканоническое распределение
Микроканони'ческое распределе'ние, то же, что Гиббса распределение микроканоническое.
