Весьма многие термофильные бактерии могут разлагать целлюлозу.
Данный процесс представляет значительный практический интерес, так как дает возможность использовать разного рода отходы производств, содержащие клетчатку, для получения органических кислот. В настоящее время существуют патенты, заявленные на разные варианты только что отмеченного брожения. Практическое значение рассматриваемого процесса делает понятным, почему ему было посвящено много работ.
Распад целлюлозы под воздействием мезофильных бактерий начал впервые изучаться русским исследователем Поповым (1875). Эти работы были позднее блестяще развиты Омелянским.
Биологические особенности термофильных бактерий, разрушающих клетчатку, выяснилось в работах наших ученых. Из них следует отметить исследования Первозванского и Чельцовой (1935—1936), Ротмистрова (1939) и особенно Имшенецкого (1936—1944), исследования которого по праву могут считаться образцовыми.
Немногим из микробиологов удалось получить чистые культуры термофильных целлюлозных бактерий. Нередко, даже если исследователь был убежден в чистоте изолированного им микроба, последующая проверка не подтверждала этого вывода. Объективные трудности побуждали многих микробиологов для производственных целей пользоваться смешанными культурами.
Чаще всего об отсутствии чистоты культуры свидетельствует непостоянный состав получаемых при брожении продуктов. Трудность выделения чистой культуры целлюлозоразрушающих бактерий объясняется, как это показали недавно Имшенецкий и его сотрудники, весьма высокой требовательностью этих микробов к составу среды. Поэтому успех их изолирования прежде всего зависит от удачного подбора питательного субстрата. В смешанных культурах целлюлозоразрушающие бактерии растут лучше, так как микробы-спутники снабжают их необходимыми веществами.
Рассматриваемые бактерии представляют большую и сборную группу. Отдельные представители этой группы довольно сильно различаются между собой. Например, Симола и Муррай указали, что им удалось получить аэробные формы термофильных целлюлозных бактерий. Вместе с тем имеются многочисленные свидетельства о том, что клетчатка разрушается разнообразными анаэробными бактериями.
На наиболее интересных работах, связанных с термофильным распадом клетчатки, мы несколько подробнее остановимся ниже.
Так, одни из более ранних исследователей термофильного разрушения клетчатки — Мак Фадиен и Блаксалл — имели дело с симбиотическими культурами. Под воздействием этих культур целлюлоза сбраживалась с образованием газов и органических кислот (уксусной и масляной).
Со смешанными культурами термофильных бактерий работал Црулик. В его опытах клетчатка разрушалась с накоплением в среде муравьиной, уксусной и масляной кислот. Выделялись газы, состоявшие из углекислоты и водорода.
Под влиянием термофильных бактерий Прингсгейм (1913) получил из клетчатки муравьиную и уксусную кислоты.
Значительно позднее Лангвелл и Хайнд описали обогащенную культуру, основным компонентом которой была спороносная палочка. При брожении из клетчатки образовывались спирт, уксусная кислота, молочная кислота, углекислый газ, водород и метан.
Несколько иным оказался состав получаемых из клетчатки продуктов у Скотта, Фреда и Петерсона. В данном случае накоплялась главным образом уксусная кислота. В числе прочих продуктов брожения отмечались углекислота, немного спирта и небольшое количество нелетучих кислот.
В опытах Петерсона и Снежко основными продуктами при термофильном распаде клетчатки были этиловый спирт и летучие кислоты.
К приведенным материалам мало что прибавили другие работы, проведенные со смешанными культурами.
В Советском Союзе действие смешанных культур термофильных; бактерий на клетчатку изучали Первозванский и Чельцова (1935—1936). Имевшиеся у них культуры сбраживали клетчатку с образованием главным образом этилового спирта и органических кислот. Процесс протекал весьма энергично и за пять-восемь суток разрушалось до 90% взятой для опыта клетчатки. При брожении выделялись газы, состоящие в основном из углекислоты и водорода. В среде накоплялись этиловый спирт, летучие и нелетучие кислоты. Состав среды довольно сильно влиял на выход конечных продуктов.
Чистые культуры термофильных целлюлозных бактерий изучались многими исследователями. Кувин (1923) выделила чистую культуру термофильной анаэробной спорообразующей палочки из экскрементов. Для данного микроба, названного Bac. cellulosae dissolvens, источником углерода могла служить только клетчатка, которая сбраживалась с образованием уксусной и масляной кислот, этилового спирта, углекислоты и водорода. В среде при этом накоплялся также желтый пигмент. Температурный оптимум у данного вида лежит между 38 и 50°.
Мак Би также имел культуру термофильного микроба, сбраживающую клетчатку, но не глюкозу.
С принципиальной точки зрения, существование организмов, питающихся клетчаткой, но не усваивающих простые углеводы, может быть взято под сомнение. Негативное отношение к глюкозе чаще всего определяется методическими ошибками при постановке соответствующих опытов.
Более широкий набор источников углерода могла использовать другая культура, изолированная Вильджоном, Фредом и Петерсоном. Это была также анаэробная спороносная палочка (Clostridium thermocellum), сбраживающая многие сахара с образованием тех же продуктов, что и у Bac. cellulosae dissolvens. С культурой, весьма близкой к только что описанной, работал Томода.
По мнению некоторых исследователей, Clostridium thermocellum является смешанной культурой, так как этот микроб не дает постоянного состава продуктов брожения.
Анаэробная термофильная целлюлозоразлагающая спороносная бактерия, полученная Снежко (1933), сбраживала клетчатку с образованием этилового спирта и уксусной кислоты. Этот микроб по своим свойствам был близок к культуре мезофильной бациллы, описанной Омелянским, но отличалась высокой температурой развития (минимум выше 45°, оптимум около 60°).
В опытах Сотерса анаэробная спороносная бацилла, похожая на Bac. cellulosae dissolvens, образовывала из клетчатки уксусную и масляную кислоты, а также не идентифицированные ближе продукты.
Ротмистров (1939) выделил факультативно анаэробную бактерию Clostridium ellipsosporogenes, могущую развиваться в широком интервале температуры. Данная термофильная бактерия, разрушая клетчатку, образовывала, помимо газообразных продуктов, этиловый спирт, уксусную, масляную, муравьиную и молочную кислоты. Она могла расти на многих обычных средах, не содержащих клетчатки.
Ротмистров уделил много внимания изменчивости целлюлозных микробов и пришел к заключению, что термофильные и мезофильные формы их довольно легко переходят одна в другую. С этим выводом, как это уже отмечалось раньше, мы никак согласиться не можем. Результаты, полученные Ротмистровым, заставляют полагать, что он имел смешанную культуру.
Имшенецкий (1936—1944) разработал метод получения чистых культур, сбраживающих клетчатку анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий. Изолированные им культуры представляли собой небольшие палочки с терминальным положением спор. На обычных питательных средах эти бактерии не росли совершенно или очень плохо. Для их культивирования была предложена особая среда, в состав которой входил фекальный экстракт, имеющий, очевидно, какие-то дополнительные факторы роста. В качестве азотсодержащих соединений бактерия усваивала только белки, на пептоне и аминокислотах она не росла.
Помимо некоторых морфологических признаков, Имшенецкий считает характерным для целлюлозных термофильных бактерий то, что они грам-отрицательны. Этот признак легко позволяет обнаруживать загрязнение культуры. Бактерии, сбраживающие клетчатку, обладают весьма слабой, почти незаметной подвижностью.
Сбраживая клетчатку, эти микроорганизмы накапливали в среде значительное количество глюкозы и целлобиозы. Их выход достигал 40—75% от гидролизованной клетчатки. Из остальной части углевода образовывались кислоты — уксусная, масляная, а также в небольшом количестве муравьиная и молочная. При брожении отмечалось также выделение углекислого газа и водорода.
Работы Имшенецкого имеют принципиальный интерес, так как при анаэробном разрушении целлюлозы термофилами обычно отмечалось накопление лишь кислот жирного ряда. Очевидно, исследователи, как правило, имели смешанные культуры, в которых микробы-спутники энергично сбраживали образуемый целлюлозными бактериями сахар.
Можно указать, что в последнее время Энебо (Enebo, 1948) описал способ выделения разлагающих клетчатку бактерий на твердых средах, которые, помимо питательных ингредиентов, содержали дрожжевой экстракт.