Микроорганизмы на службе химии

Мы уже знаем о многих областях применения микробов в химии. Знаем, что осуществляемые микробами реакции синтеза превосходят чисто химические реакции. Клетки микроорганизмов создают сложнейшие соединения, о получении которых химики зачастую и не мечтают. Изготовление некоторых из этих веществ химическим путем нередко является очень дорогостоящим и трудоемким предприятием.

Вспомним антибиотики, витамины, ферменты, стероиды, алкалоиды, а также микробные токсины (самые ядовитые из всех ядов) или нуклеиновые кислоты. Какими неисчерпаемыми возможностями синтеза обладают клетки микробов!

Некоторые уксуснокислые бактерии способны образовывать пленки из чистой целлюлозы. На сахарной свекле встречаются бактерии, особым способом преобразующие находящуюся в ней сахарозу. Из каждой ее молекулы они берут только глюкозную половину и из тысяч таких фрагментов синтезируют полисахарид декстран. На сахарных заводах очень не любят эти бактерии, так как они снижают выход сахаров из свеклы. Но химики с помощью микробиологов разгадали "производственные тайны" микробов, синтезирующих декстран, и заставили их вырабатывать это вещество в промышленных условиях, как это в свое время было сделано с продуцентами антибиотиков. Производство декстрана пока не очень распространено, но имеет большое значение, так как особым способом обработанный декстран может служить заменителем кровяной плазмы. Из декстрана получают также очень ценное соединение, используемое в биохимических исследованиях при очистке и анализах сложных веществ.

При помощи микробов получают красящее вещество индиго. Химики с удивлением и даже с чувством зависти наблюдают за синтетической активностью микробов, стараясь использовать ее для своих целей.

Но мы не раз встречались и с разлагающей химической деятельностью микробов. Тут имеется в виду не только изготовление спиртных напитков. Одна из первых научных работ Пастера посвящена наблюдениям над грибом Penicillium glaucum, способным участвовать в разделении оптически активных веществ. Пастер доказал существование в выделяемой грибом винной кислоте кристаллов, по-разному преломляющих поляризованный свет (правовращающих и левовращающих), что связано с различным расположением атомов в их молекулах. Пастер предсказал и значение микроскопических грибов в будущем: придет день, говорил он, когда их будут использовать в разнообразнейших промышленных процессах, так как они способны разлагать органические вещества.

Ван Тигем, ученик Пастера, был одним из первых, кто доказал справедливость этого предсказания. Он установил, что гриб Aspergillus niger усваивает галловую кислоту, необходимую для приготовления некоторых красящих веществ. Из нее же можно получить и дерматол, заменитель йодоформа.

В начале первой мировой войны химики попытались получить лимонную кислоту с помощью микробов. Когда-то ее получали только из лимонов, хотя встречается она и в соке других плодов. В 1922 году Италия производила 90% мировой продукции этой кислоты. Но начиная с 1927 года экспорт лимонной кислоты из Италии стал резко сокращаться. Виной тому были микробиологи, которые совместно с химиками установили, что хорошим производителем лимонной кислоты может быть гриб A. niger. В 1923 году было пущено первое предприятие по производству лимонной кислоты при помощи гриба, в связи с чем цены на нее упали на 75%. Современный завод по производству лимонной кислоты без преувеличения можно назвать самой крупной "плантацией цитрусовых". Чтобы дать столько кислоты, сколько получают сегодня из дешевой мелассы при помощи столь "покладистого" помощника, каким является гриб A. niger, потребовались бы тысячи гектаров плантаций лимонов.

Интенсивно выделяется многими микроскопическими грибами, особенно A. niger, и другое важное вещество - глюконовая кислота. Мы знаем, что кальций является важным структурным элементом нашего организма. Его недостаток отмечается обычно у детей и беременных женщин. В соединении с глюконовой кислотой кальций легко усваивается организмом, поэтому применяется как лечебный препарат.

Итаконовая кислота, также вырабатываемая микроскопическими грибами, находит широкое применение в производстве пластмасс.

На разлагающей способности бактерий основаны также производства многих других химических продуктов. Молочнокислые бактерии используются не только при обработке молока. Их применяют также в промышленном производстве молочной кислоты из менее ценного сырья - мелассы, сыворотки, сульфитных щелоков. Молочная кислота применяется в пищевой и медицинской промышленности, а также в одной из новейших отраслей химической промышленности - в производстве пластмасс.

Маслянокислые бактерии, присутствие которых в несвежем масле или сырах можно установить по неприятному запаху, используются в промышленном производстве масляной кислоты. Кроме того, они применяются и в микробиологическом производстве редких растворителей: этилового, бутилового и амилового спиртов. Все эти вещества играют важную роль в производстве синтетического каучука. Бутиловый спирт служит основой при получении октана - очень ценного вещества, повышающего качество бензина. В современных самолетах используется лишь этот высококачественный бензин.

Во время первой мировой войны Великобритания ощущала недостаток ацетона для производства взрывчатых веществ. И только новый метод его получения вывел страну из критического положения. Бактерии вида Aerobacter aerogenes помогли некоторым странам создать новые отрасли промышленности, вырабатывающей вещество под названием "бутиленгликоль". Сравнительно простым химическим превращением из бутиленгликоля получают диацетат. И уже из него при нагревании до 600°С образуется бутадиен, являющийся основным сырьем для производства синтетического каучука.

Аналитическая химия использует ценные свойства микроорганизмов при определении различных соединений. Один из самых старых методов - метод определения мышьяка. Еще в начале нашего века отмечались смертельные случаи отравления в помещениях, в которых чувствовался сильный запах чеснока. Все это объяснялось тем, что обои в этих комнатах были окрашены красками, содержащими мышьяк, а по их поверхности распространялась плесень. Как показали опыты, проведенные в 1891 году Госсио, отравления были вызваны именно этой плесенью, которая получила название Penicillium brevicaule. Госсио доказал, что из краски, покрывающей обои, под влиянием плесени выделяется содержащийся в ней мышьяк, который при этом превращается в летучее соединение с запахом чеснока. Позднее было установлено, что "газ Госсио", как было названо это летучее вещество, является органическим соединением триметиларсин.

Госсио разработал очень тонкий метод определения присутствия мышьяка в различных материалах. Исследуемый материал обрабатывался разбавленной кислотой, что позволяло получить концентрированную вытяжку. Несколько капель этого экстракта наносили на стерилизованный кусочек картофельного клубня с выращенным на нем грибом P. brevicaule. Присутствие мышьяка обнаруживали по характерному чесночному запаху, который издает триметиларсин. Так этот ранее опасный микроскопический гриб превратился в помощника химика.

В 1935 году исследователь Шопфер показал, что гриб Phycomyces blakesleeanus требует для своего роста и размножения витамина B₁. Ученый разработал метод определения этого витамина в различных биологических материалах при помощи вышеупомянутого гриба. Содержание витамина находится в прямой зависимости от количества живой массы гриба и поэтому довольно легко определяется. В настоящее время при помощи микробов обнаруживают содержание и ряда других витаминов. В таблице 15 приведено несколько самых известных "помощников" в аналитической химии. В ней указаны и микроорганизмы, используемые для определения аминокислот и микроэлементов.

Таблица 15

Во всех случаях для определения отдельных соединений применяются микробы, жизнедеятельность которых находится в прямой зависимости от концентрации определяемых соединений в питательной среде.

К другим важным "услугам" микробов, используемых в аналитической химии, следует отнести помощь в определении антибиотиков. Но тут можно использовать только такие микроорганизмы, которые под действием данного антибиотика или погибают, или прекращают свой рост. Этот метод был предложен Н. Г. Хитли, занимавшимся получением пенициллина. Естественно, что он пытался определить пенициллин в фильтратах культуры гриба Penicilliurn notatum.