"Природа", №1-2, 1922 год, стр. 59-70

Микроорганизмы с точки зрения технологии.

Н. Н. Простосердова.

Пользование микроорганизмами в сельско-хозяйственной технологии и смежных областях ведет начало с незапамятных времен. Отношение же к этим агентам менялось и меняется.

Проследить эволюцию взглядов на роль микроорганизмов в технических производствах, хотя бы в общих чертах, довольно любопытно. Она доказывает, как тесно связаны между собой чисто теоретические выводы, продукты чистой науки, и их практическое приложение в самых отдаленных от научной мысли областях.

Сначала человек пользовался микроорганизмами, даже не подозревая их участия. Уже за много тысяч лет до нашей эры, он начал заниматься производствами, основанными на жизнедеятельности микробов. Об этом свидетельствуют, напр., изображеиия приемов виноделия у древних египтян на пирамидах Гизе, которым около 5000 лет.

Рис. 1. Виноделие в древнем Египте.

На рисунке 1-м мы видим ряд последовательных винодельческих работ: 1) сбор винограда, 2) давка винограда ногами, 3) отжимание в мешках мязги и 4) даже уваривание сусла. Последний прием указывает на усовершенствование приемов виноделия, а, следовательно, и на долгий пройденный до этого путь. Древний Египет знал и пивоварение, о чем говорят многочисленные надписи нравоучительного характера "о вреде упиваться пивом"¹).

О вине и виноградной лозе говорит Библия.

Этому отдаленному свитку веков предшествует теряющийся в прошлом еще более древний и более обширный период поколений, которые не знали внешних знаков выражения, запечатлевающих для потомков историю их быта.

Осколками этого прошлого являются некоторые дикие племена, не знающие и по сию пору употребления металлов. Археология и этнология показывает, что некоторые технические производства, основанные на жизнедеятельности микроорганизмов, — напр, приготовление хлеба, сыров, молочно-спиртовых напитков вроде кумыса, — известны были уже в доисторические времена.

Минуя наивные попытки об'яснений, иногда, впрочем, предвосхищавшие научные выводы, процессов брожений, в древние и средние века, новый этап во взглядах на микроорганизмы можно считать со сравнительно недавнего времени.

Микробов, благодаря усовершенствованию оптических приборов, стали видеть; глазам наблюдателя открылся новый мир мельчайших существ, значение открытия которого важнее открытия Нового Света. Сначала, разумеется, между известным процессом и присутствием микроорганизма не представлялось определенной связи. Микробы описывались или как неорганизованные образования, вроде крахмальных зерен, или как какие то особые "живые частицы", или как существа (viva animalcula), возникшие из неорганизованной субстанции, путем самозарождения.

Понадобился долгий и трудный путь для того, чтобы понять истинную природу микробов, выяснить условия их появления на различных средах и в растворах и признать возбудителей разных брожений. Эту работу завершил отец современной микробиологии Луи Пастер.

Начиная с исследования Персона о возбудителях уксусного скисания, наука шаг за шагом выясняла все новых и новых представителей мира мельчайших существ — возбудителей процессов брожения. Стали известны дрожжи — возбудители спиртового брожения, молочно-кислые бактерии, приготовляющие нам кислое молоко, простоквашу, сыры, нитрофицирующие и азот-усвояющие бактерии — агенты плодородия почвы, бактерии брожения клетчатки — разрушители растительных остатков в земле, пектинового брожения, мацерирующие растительные волокна и т. д. и т. д. — бесконечный список полезных микробов, увеличивающийся с каждым днем. И чем более знакомились с представителями микроскопического мира, тем яснее выступала их тонкая специализация.

Зная это, мы не удивляемся тому, что исходя из одного и того же вещества, напр., глюкозы (виноградного сахара) при помощи разных микроорганизмов мы можем получить различные вещества: дрожжи образуют за счет глюкозы спирт; молочные бактерии — молочную кислоту; уксусные и др. — уксусную; плесневой грибок Sterigmatocystis nigra щавелевую; Citromyces Pfefferianus лимонную.

Взгляды науки на микроорганизмы, как на возбудителей-специалистов разных брожений, передались техническим производствам.

Микробов стали искать и вводить их сознательно, напр., беря при выделке вина в виде закваски старую гущу, при приготовлении уксуса уксусную матку из готового уксуса и т. д.

Техника стала заботиться о том, чтобы обеспечить данный бродильный процесс достаточным контингентом работников и поставить их в возможно лучшие условия жизнедеятельности.

Микроорганизмами в технологии различных производств стали пользоваться сознательно, как живыми, тонко приспособленными к условиям среды, существами.

И наука и техника, ставшие теперь ближе друг к другу, подметили скоро, что не все принадлежащие к одному и тому же ботаническому виду индивидуумы полезны для данного производства в одинаковой мере. Среди них оказались хорошие и дурные работники, напр., слабые и сильные спиртообразователи, сообщающие продукту благородные или порочащие свойства.

Приступили к искусственному подбору микроорганизмов, как выбирают, напр., расы домашних животных.

Идя по указанному Пастером пути, датский ученый Хр. Гансен нашел способы разделения таких микроскопических рас и воспитания их из одной клеточки под непосредственным микроскопическим контролем.

Такие чистые культуры, отобранные культурные расы, в противоположность диким, были испробованы в технике (1883 г.) пивоваренного производства, и доказали правильность теоретических выводов.

От пивоваренного производства применение рас микроорганизмов перешло в другие — спиртокурение, виноделие, маслоделие, сыроварение, уксусное производство, мочка льна, и т. д. завоевывая все новые и новые области. Технические производства ввели микробиологический контроль, позволяющий следить непрерывно за чистотой культивируемой расы и оберегать данный процесс от вторжения посторонних микробов, вызывающих болезни и пороки продуктов.

Применение чистых культур микроорганизмов на практике довело до высокой степени детализации приготовление всевозможных продуктов брожений.

Техника применения еще совершенствуется и постепенно удаляются разные препятствия, обуславливаемые родом производства.

Как всякой новинкой, на первых порах чистыми культурами несколько увлекались, требуя от применения их того, что они дать не могли.

Теперь это увлечение прошло, и из дурного материала никто не надеется получить хорошего продукта, хотя бы были в распоряжении самые лучшие расы.

Рис. 2. Чистая раса винных дрожжей.

Нужно отметить также, что пользование одним микроорганизмом (одной расой) может не всегда отвечать сложности процессов, лежащих в основе разных технических производств. Так, при выделке виноградного вина, кроме дрожжей, работающих, главным образом, во время бурного брожения виноградного сусла, принимают участие бактерии, понижающие кислотность. При самоброжении в разные периоды бурного брожения и во время тихого, чередуются виды дрожжей (вначале Saccharomyces apiculatus, потом Sacch. ellipsoideus в конце Sacch. intermedius).

При приготовлении сыров подмечена смена бактерий. Таким образом, для технологии различных производств может быть интересным вопрос о пользовании не одним микроорганизмом, а известной ассоциацией микробов, вводимых в процесс производства сразу или в известной последовательности.

Вопрос этот, однако, мало разработан, не только практически, но и теоретически, и представляет значительные пока трудности, так как при перемене условий среды в процессе брожения, ассоциация, вместо содружества, может превратиться во враждебные друг другу группы.

Занимаясь вопросом о падении кислотности в винах, я, напр., подмечаю стимулирующее влияние на жизнедеятельность бактерий — потребителей кислот со стороны продуктов обмена веществ в дрожжевой клетке и угнетение собственными продуктами распада.

Таким образом, если иметь в виду уменьшение кислотности в винах, то применение чистых культур дрожжей может не всегда привести к желательным результатам.

В выяснении вопроса об ассоциациях микроорганизмов, мне кажется, должна лечь в основание мысль о закономерности в чередовании микроорганизмов и последовательной смене их при разложении различных органических субстанций в естественных условиях²).

Искусственное всегда изменение внешних условий в технических производствах может быть учтено после этого легче. Природными, так сказать, спаявшимися тесно асоциациями пользуются некоторые производства. В производстве уксуса, напр., принимают участие дрожжи и уксусные бактерии (как промежуточный организм, подготовляющий среду к нашествию уксусных бактерий, можно назвать еще Mycoderma vini).

При приготовлении японской водки саке, мукоровые грибки, осахаривающие рисовый крахмал, сменяются дрожжами, перебраживающими сахар на спирт и углекислоту.

Кефир делают, по крайней мере, два микроорганизма (Вас. caucasicus и Torula Kephir).

Теперь остается отметить еще один шаг, который сделала микробиология, а вслед за ней и технология продуктов брожения. Для этого придется несколько ближе определить суть процессов брожения.

Термину брожения теперь придается иной, более широкий, но в то же время и более определенный смысл.

Прежде под брожением разумели бурное, сопровождаемое выделением газов, разложение безазотистых веществ, противопоставляя его гниению ("брожение облагораживает, гниение портит").

Теперь понятие брожений обнимает самые разнообразные процессы распада разнообразных веществ биохимического характера, которые могут быть названы каталитическими. В конечном счете, агентом брожения является не сам микроорганизм, как таковой, а особый химический агент — специальный катализатор.

Этот агент назван энзимом³), и учение об энзимах в настоящее время выросло до размеров отдельной дисциплины — энзимологии. Энзимы, хотя и можно сравнить с катализаторами, которые знает общая химия, однако, это более специальные агенты, действующие лишь на тела определенной конфигурации, что об’ясняется их коллоидальной сложной структурой.

Энзим и вещество подходят друг к другу, как ключ к замку. Следующий пример ясно это показывает. Так, энзим спиртового брожения зимаза, или алкоголяза из всех гексобиоз (сахара С₆Н₁₂O₆) перебраживает только четыре, структура которых наиболее близка.

Химически, энзимы близки вероятно к белковым веществам, но возможно существование и иных энзимов. Они всегда продукт растительной или животной клетки, из которой могут быть выделены. При помощи энзимов, в наиболее просто устроенной клетке совершаются сложные процессы, и возможно разделение функций между отдельными элементами клетки.

Энзиматические процессы, совершающиеся в живой клетке, служат способами получения энергии. В этом осуществляется их физиологическая цель. Продукты энзиматического распада лишь отчасти перерабатываются далее, они не только не нужны, но накопление их даже вредно.

Рис. 3. Химическая структура перебраживаемых гексобиоз.

Если этот энзиматический распад имеет хотя и важное, но ограниченное значение, сама собой должна была явиться мысль о возможности отделения энзиматических процессов от жизненных проявлений клетки. Взгляд на возможность разграничивать явления вегетативные и ферментативные (энзиматические) впервые был высказан Брефельдтом(1873).

Теперь этот взгляд получил не только свое обоснование, но и экспериментальное доказательство. Мы можем воспроизводить ферментативные процессы, происходящие в теле организмов, в наших колбах — in vitro. В этом отношении особенно выпуклый пример представляет выделение энзима спиртового брожения — зимазы из дрожжей и воспроизведение спиртового брожения без участия живых дрожжей.

То, что спиртовое брожение обязано энзиму, предполагалось давно. Сам Пастер, несмотря на свой знаменитый спор с Либихом о том, организм ли агент спиртового брожения или химическая субстанция, делал попытки извлечь из дрожжевых клеток, зимазу. В 1872 г. Манасеина, растирая дрожжи со стеклянным порошком, доказывала возможность спиртового брожения без участия живых клеток. Окончательное экспериментальное доказательство энзиматической природы алкогольного брожения дали Бухнер и Ган (1896).

Они растирали обезвоженные дрожжи с кварцевым песком и кизельгуром (инфузорная земля), и перетертую массу прессовали до 300 атмосфер. Таким образом отжимался дрожжевой сок — внутреннее содержание клеток.

Получается тестообразная масса, пропитанная клеточным соком.

В лекционном опыте 2 гр. ацетоновых дрожжей смешивается в слегка нагретой ступке с 1 гр. сахара и 10 к. с. воды. Кашица помещается в трубку, длиною до 32 см. и диам. до 1 см. Через 20 м. замечается настолько сильное вспенивание, что пена выливается через край трубки.

Этот сок приходит в брожение или сам собой (на счет гликогена), или при прибавлении сахара, хотя все клетки оказываются разорванными, а при условиях соблюдения стерильности, никаких других микроорганизмов нет. Наблюдаемое брожение есть настоящее спиртовое брожение с распадом частицы сахара на спирт и углекислоту по известному уравнению Гэй-Люссака.

Такое "бесклеточное" брожение самым убедительным образом доказывает, что спиртовое брожение — энзиматический процесс, и что содержащийся внутри дрожжевой клетки энзим (энтоэнзим) может быть также извлечен из клетки, как и другие энзимы, напр., инвертаза (инвертин). Из бухнеровского дрожжевого сока можно осаждением смесью спирта и эфира получить осадки, обогащенные энзимом⁴). В совершенно чистом состоянии энзимы неизвестны.

Отделение вегетативных явлений от ферментативных можно произвести другими способами, напр., обработкой ацетоном, подсушиванием и мацерацией водой (дрожжи Лебедева). Академик Палладин предложил осторожное замораживание растений, при чем погашаются жизненные функции клеток, но сохраняются энзиматические свойства.

С разграничением явлений энзиматических и вегетативных на микроорганизмы в технологии устанавливается новый взляд; микроорганизмы важны для технических производств, как тончайшие и, вместе с тем, сильнейшие химические реактивы; организованная же их природа нужна лишь постольку, поскольку она обуславливает энзиматические свойства.

Интересы техники и интересы микроорганизма не всегда совпадают. Микроорганизм преследует, так сказать, свои личные цели, и энзиматические процессы в клетке имеют место постольку, поскольку они нужны ему. Напротив, технологии продуктов брожения нужны только энзиматические свойства для известного химического процесса.

Вегетативные же явления (явления питания, роста, размножения) лишь зло, с необходимостью которого нужно считаться, как в механике с трением машин.

Чтобы заставить невидимых работников работать на себя, технология продуктов брожений должна нарушать правильные условия существования микробов и поставить в необходимость наибольшей продукции энзимов.

Если техника производств дает возможность микроорганизмам жить и размножаться, то это лишь для того, чтобы создать большую и сильную армию работников — энзимопроизводителей.

Техника руководит сознательно циклом развития микробов, которыми она пользуется.

Противоположность между целями создания армии работников и продукцией энзимов резко выступает в двух производствах: на дрожжевых заводах и в спиртокурении. На дрожжевых заводах сама цель производства — получение возможно большего количества здоровых дрожжей. В винокурении — получение спирта. В первом случае заботятся о вегетативных функциях дрожжей, помещая их в условия хорошего питания и аэрации; во втором, на известной стадии процесса заботятся о ферментативных свойствах⁵).

Идеал техники будущего — говоря словами Тимирязева — выведав у микробов тайну их действия, затем обойтись без их услуг, заменив их капризный витализм — химизмом сознательной техники человека.

В этом направлении добились уже не только подчинения микроорганизмов, но и сделаны прямые попытки пользования вместо микроорганизмов приготовленными из них препаратами.

Так дрожжевые препараты (напр. дрожжи, обработанные ацетоном) предложены для хлебопечения, для дображивания вин, нашли применение в медицине и в аналитической химии.

Но на этом пути превращения микроорганизмов в химические препараты стоит, однако, много препятствий.

В живом организме существует известная координированность энзимов, достигаемая посредством сложной и тонкой системы приспособлений живой клетки к внешним условиям.

Напротив, препараты представляют из себя только химические реагенты, которые, локализованные и подчиненные в живой клетке, в препаратах смешаны между собой и действуют друг на друга, как всякие другие химические вещества. Энзимы работают в полученных из микроорганизмов препаратах, как машины, пущенные в ход и предоставленные самим себе.

Кроме того, в то время, как в живых микроорганизмах наблюдается новообразование энзимов, в полученных из них препаратах количество энзимов только то, которое зафиксировано в момент их изготовления.

Все это пока приводит к тому, что выгоднее пользоваться живыми микроорганизмами, регулируя их вегетативные и энзиматические свойства, чем полученными из них препаратами.

Лишь в некоторых случаях, когда нужен сравнительно небольшой эффект, а условия существования микроорганизмов невыгодные (хлебопечение в полярных путешествиях, фармакологические препараты и пр.), препараты могут с выгодой заменить живые существа.

Еще тайны, которые таят микроорганизмы в своем микрокосмосе, далеко не выведаны, еще тонкие и деликатные энзимы катализаторы и сложная система их действия недостаточно изучена, чтобы можно было в руки техники дать вместо живых работников покорные нашей воле машины.

Еще идеалом будущего является полная замена микроорганизмов химическими реагентами. Но развитие науки несомненно убеждает нас, что не только мы некогда получим "искусственные энзимы", так сказать, подражания энзимам, но сумеем синтезировать их, или, овладев всеми тайнами действия микробов, построить сложный химический процесс брожения иначе и с помощью обыкновенных химических реактивов будем вести технические брожения.