Термостабильность клеточных ультраструктур

МИКРООРГАНИЗМЫ И ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ВНЕШЕНЕЙ СРЕДЫ

ВЛАЖНОСТЬ СРЕДЫ.

Микроорганизмы могут развиваться только в субстратах, имеющих свободную воду. С понижением влажности субстрата интенсивность размножения микробов замедляется, а при удалении из субстрата влаги ниже необходимого уровня полностью прекращается. При этом микроорганизмы переходят в анабиотическое состояние, а некоторые погибают.

По величине МИНИМАЛЬНОЙ ПОТРЕБНОСТИ ВО ВЛАГЕ для роста микроорганизмов различают следующие группы:

1. ГИДРОФИТЫ – влаголюбивые;

2. МЕЗОФИТЫ – средневлаголюбивые;

3. КСЕРОФИТЫ - сухолюбивые.

 

Преобладающее большинство бактерий - гидрофиты. Наиболее устойчивые к обезвоживанию микроскопические грибы и споры бактерий. Высокой устойчивостью к высушиванию обладают микобактерии, клеточные стенки которых содержат большое количество липидов.

Устойчивость к обезвоживанию у разных бактерий неодинакова. Например, численность жизнеспособных клеток Pseudomonas, внесённых в воздушно-сухую почву после выдерживания в течение месяца, снижается в 100 раз.

В то же время бактерии рода Azotobacter и актиномицеты остаются жизнеспособным в почве даже через десятки лет её хранения в воздушно-сухом состоянии.

Живые микробы обнаруживали в римских гробницах, нетронутых в течение 1800 лет, в египетских мумиях.

При исследовании почвы с корней растений, хранившихся от 100 до 300 лет, обнаружены жизнеспособные микробы. Из почвы были выделены жизнеспособные споровые бактерии Bacillus subtilis и другие виды бацилл.

Установлено, что за каждые 100 лет в почве отмирает до 10% микробов, а полное обеспложивание сухой почвы наступает приблизительно через 1000 лет.

В условиях недостатка воды некоторые микроорганизмы обволакиваются ГИДРОФИЛЬНЫМИ СЛИЗИСТЫМИ КАПСУЛАМИ, которые активно поглощают влагу.

Бактерии, обитающие на корнях пустынных растений, выделяют такие значительные количества гигроскопической слизи, что обеспечивают водой не только самих себя, но и растения.

Для развития микроорганизмов имеет значение не абсолютная величина, а ДОСТУПНОСТЬ СОДЕРЖАЩЕЙСЯ В СУБСТРАТЕ ВОДЫ - «АКТИВНОСТЬ ВОДЫ» (а_w).

ВОДНАЯ АКТИВНОСТЬ - отношение давления водяных паров раствора (субстрата) Р и чистого растворителя (воды) Р₀ при одной и той же температуре: а_w = Р/Р₀.

Водная активность выражается величинами от 0 до 1 и характеризует относительную влажность субстрата.

Рост микроорганизмов наблюдается при значениях активности воды a_w от 0,998 до 0,65-0,61.

При пониженной водной активности организм находится в условиях ОСМОТИЧЕСКОГО СТРЕССА, что приводит к уменьшению скорости роста и снижению общего количества образуемой биомассы.

 

ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Большое влияние на рост микроорганизмов оказывает КОНЦЕНТРАЦИЯ РАСТВОРЕННЫХ В ВОДЕ СОЕДИНЕНИЙ. Если их мало, раствор называется ГИПОТОНИЧЕСКИМ. Раствор с высоким осмотическим давлением называется ГИПЕРТОНИЧЕСКИМ.

Нормальное развитие микроорганизма происходит, когда его внутриклеточное осмотическое давление несколько выше, чем давление в питательном субстрате. В этом случае в клетку извне поступает вода, цитоплазма плотно прилегает к стенке, слегка растягивая ее. Такое состояние клетки называют ТУРГОРНЫМ (ту́ргор - напряжённое состояние оболочки клетки).

В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри микробной клетки, микроорганизмы жить не могут. Это объясняется тем, что вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается и протопласт сжимается. Данное явление носит название ПЛАЗМОЛИЗА; при этом поступление в клетку питательных веществ приостанавливается.

В среде с оченьнизким осмотическим давлением (например, дистиллированная вода) вода будет поступать внутрь клетки, при этом цитоплазма клетки быстро переполняется водой и клеточная стенка разрывается - такое явление называют ПЛАЗМОПТИЗОМ.

Способность микроорганизмов развиваться в средах с различным осмотическим давлением называют ОСМОТОЛЕРАНТНОСТЬЮ.

По отношению к концентрации соли (NaCI) микроорганизмы делят на ГАЛОФИЛЬНЫХ (от лат. halo - соль) – микроорганизмы, способные существовать лишь при очень высоких концентрациях солей (NaCI). Различают УМЕРЕННЫХ ГАЛОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ - развиваются при содержании соли 1-2%, хорошо растут в среде с 10% соли, но выносят даже 20 %-ную её концентрацию; и ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ГАЛОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ - требуют содержания 12-15% солей и способны хорошо расти в насыщенном 32%-ном растворе NaCI. К ним относятся архебактерии родов Halobacterium и Halococcus.

Размножение многих гнилостных бактерий подавляется при концентрации поваренной соли около 3-4 %, а при 7-10 % оно прекращается. Палочковидные гнилостные бактерии менее стойки, чем кокки. Развитие некоторых возбудителей пищевых отравлений (ботулинуса, сальмонелл) приостанавливается при 6-10% соли, однако даже при 20%-ном её содержании многие из них долго сохраняют жизнеспособность, находясь в неактивном состоянии.

При высоких концентрациях в субстрате поваренная соль оказывает ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ на микроорганизмы - подавляются процессы дыхания, нарушаются функции клеточных мембран и др.

 

ТЕМПЕРАТУРА СРЕДЫ.

Температура - один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность развития микроорганизмов.

Микроорганизмы лишены механизмов, регулирующих температуру тела, поэтому их существование определяется температурой окружающей среды.

При ВЫСОКИХ ЗНАЧЕНИЯХ ТЕМПЕРАТУРЫ белки, нуклеиновые кислоты и другие составные части клетки бактерии могут необратимо инактивироваться, что обусловливает гибель организма.

При ОЧЕНЬ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ нарушаются процессы биосинтеза и рост бактерий прекращается.

Для каждого микроорганизма существует минимальная температура, ниже которой рост его не наблюдается, оптимальная - при которой микроорганизм растет с наибольшей скоростью и максимальная - выше которой роста не происходит.

По отношению к температуре микроорганизмы подразделяют на три группы: ПСИХРОФИЛЫ, МЕЗОФИЛЫ и ТЕРМОФИЛЫ.

ПСИХРОФИЛЫ (от греч. psychria – холод, phileo – люблю, trophe – питание) - холодолюбивые микроорганизмы, хорошо размножаются и проявляют химическую активность при относительно низких температурах. Для них характерны: минимум - от -12-10 ⁰С до 0 ⁰С, оптимум - +10+15 ⁰С и максимум - около +30 ⁰С.

Психрофильные микроорганизмы формируют естественный микробиоценоз регионов вечного холода. Бактерии этой группы распространены в арктических районах земного шара, где их обнаруживают в пробах из почв, вечных снегов высокогорных районов, горных ледников, морен, наносов холодных пещер, в воде колодцев и родников.

Естественной средой обитания психрофильных бактерий служат океаны (средняя температура у поверхности воды +5 °С, около дна +1+2 °С), где микроорганизмы могут обитать независимо друг от друга либо входить в состав микробного ценоза морских животных и растений. Среди психрофилов есть формы, вызывающие заболевания рыб и морских растений.

ПСИХРОТРОФНЫЕ, или психроактивные организмы развиваются при 0 °С, однако их температурный оптимум выше, чем у психрофилов, и составляет +25+30 °С, максимум около +35 °С.

Бактерий обнаруживают в почве и воде не только в условиях холодного, но и умеренного климата. Психротрофы могут развиваться в пищевых продуктах, которые хранятся при низких температурах. Например, в молоке обитают психротрофы, относящиеся к родам Pseudomonas, Alcaligenes, Chromobacterium, Flavobacterium. В мясе при температуре хранения ниже 0 °С размножаются психроактивные псевдомонады, грамположительные бактерии и даже патогенные или токсигенные виды, в том числе Clostridium botulinum типа Е.

Кишечная и брюшнотифозная палочки в течение нескольких дней не погибают при температурах -172-190 ⁰С. Споры бактерий сохраняют способность к прорастанию даже после 10-часового пребывания при -252 ⁰С (температура жидкого водорода).

Некоторые мицелиальные грибы и дрожжи сохраняют жизнеспособность после воздействия температуры -190 °С (температура жидкого воздуха) в течение нескольких дней, а споры мицелиальных грибов - в течение нескольких месяцев.

 

Способность психрофильных микроорганизмов развиваться при низких температурах обусловлена следующим особенностям:

1. Клетки содержат ферменты, имеющие низкую температуру активации и способные наиболее эффективно функционировать при низкой температуре; при температуре выше +30 °С данные ферменты прекращают свою деятельность;

2. Проницаемость мембран психрофилов высокая в связи с большим количеством ненасыщенных жирных кислот, содержащихся в липидах, в результате мембраны не замерзают;

3. Образование полисом в условиях низких температур.

 

ТЕРМОФИЛЫ (от греч. therme - тепло) - теплолюбивые микроорганизмы, развивающиеся при относительно высоких температурах. Температурный минимум для них не ниже +30 ^0С, оптимум +50+60⁰, максимум около +70+80 °С.

Постоянное место обитания термофильных бактерий - термальные (горячие) источники.

Из горячих водных источников Камчатки выделена палочковидная неспороносная бактерия с температурным оптимумом +70+80 °С, которая оставалась жизнеспособной при температуре воды до +90 °С.

Из горных источников на склонах вулканов выделены бактерии, способные расти при температуре даже выше +100 °С, с оптимумом +105 °С. Эти бактерии рассматривают как экстремально термофильные микроорганизмы.

Термофилы встречаются также в самонагревающихся скоплениях различных органических материалов (зерно, сено, навоз и др.). Обитают они в поверхностных слоях почвы, кишечнике человека и животных, в продуктах, прошедших термическую обработку.

Данную группу организмов широко используют в биотехнологической промышленности для получения витаминов, ферментов, молочной кислоты, кормового белка и других ценных для сельского хозяйства и медицины веществ.

Термофильные микроорганизмы подразделяют на облигатные, факультативные, термотолерантные, экстремально термофильные и гипертермофильные.

Облигатные термофилы имеют температурный оптимум +65+70 °С, минимальная температура, при которой возможен их рост, - +40+42 °С; факультативные термофилы имеют температурный максимум +50+60 °С, минимум - менее +20 °С; термотолерантные - температурный максимум +45+50 °С; экстремально термофильные - могут существовать при температурах от +60 до +93 °С и выше. К гипертермофилам относятся архебактерии - например, архебактерии Pyrodictium occultum и P. brockii развиваются при температуре +105 °С, но выдерживают и 110 °С.

Способность термофильных микроорганизмов развиваться при высоких температурах обусловлена следующим особенностям:

1. Состав липидных компонентов клеточных мембран - высокое содержание длинноцепочечных С₁₇-С₁₉ насыщенных жирных кислот с разветвленными цепями;

2. Высокая термостабильность белков и ферментов (ферменты имеют низкую молекулярную массу и содержат значительное количество ионов кальция);

Термостабильность клеточных ультраструктур.

 

МЕЗОФИЛЫ (от греч. mesos - средний, промежуточный) - микроорганизмы, растущие в пределах умеренных температур. Температурный минимум около +5+10 ⁰С, оптимум - +25+35 °С, максимум - в пределах +45+50 °С.

К мезофильной группе относится большинство наиболее распространенных в природе бактерий, грибов и дрожжей, в том числе многие возбудители порчи пищевых продуктов, а также болезнетворные микроорганизмы.

Отношение микроорганизмов к высоким температурам. Повышение температуры среды (по сравнению с оптимальной) сказывается на микроорганизмах более неблагоприятно, чем понижение ее. Отношение различных микроорганизмов к температурам, превышающим максимальную для их развития, характеризует их термоустойчивость. У разных микроорганизмов она неодинакова. Их гибель наступает не мгновенно, а в течение времени. Температуры, превышающие максимальную, вызывают явление «теплового шока». При непродолжительном пребывании в таком состоянии клетки могут реактивироваться, а при длительном - наступает их отмирание.

Большинство бесспоровых бактерий отмирают при нагревании во влажном состоянии до +60+70 °С в течение 15-30 мин, а при нагревании до +80+100 ⁰С - от нескольких секунд до 1-2 мин. Дрожжи и мицелиальные грибы погибают также довольно быстро при температуре +50+60 ^"С. Исключение составляют некоторые осмофильные дрожжи, которые выдерживают нагревание до 100 ⁰С в течение нескольких минут.

Наиболее термоустойчивы бактериальные споры. У многих бактерий они способны выдерживать температуру кипения воды в течение нескольких часов. Во влажной среде споры бактерий гибнут при +120+130 ⁰С через 20-30 мин., а в сухом состоянии - при +160+170 ⁰С через 1-2 ч.

Температурные воздействия применяют для стерилизации – полного удаления микроорганизмов из различных сред и обеззараживания предметов.

При воздействии на клетки сухого жара (без влаги) гибель происходит в результате активных окислительных процессов и нарушения клеточных структур.

Пастеризация - это нагревание продукта чаще всего при температуре +63+80 ⁰С в течение 20-40 мин. Иногда пастеризацию производят кратковременным (в течение нескольких секунд) нагреванием до +90+100 ⁰С. При пастеризации погибают не все микроорганизмы. Некоторые термоустойчивые бактерии, а также споры многих бактерий остаются живыми. Поэтому пастеризованные продукты следует немедленно охлаждать до температуры не выше +10 °С и хранить на холоде, чтобы задержать прорастание спор и развитие сохранившихся клеток. Пастеризуют молоко, вино, пиво, икру, фруктовые соки и некоторые другие продукты.

Стерилизация - это нагревание при температурах, которые в течение определенного времени вызывают гибель вегетативных клеток микроорганизмов и их спор. Стерилизуют различные баночные консервы, многие предметы и материалы, используемые в медицинской и микробиологической практике. Процесс проводят при температурах +112+125 ⁰С в течение 20-60 мин в специальных приборах - автоклавах (перегретым паром под давлением) или при +160+180 °С в течение 1-2 ч в сушильных шкафах (сухим горячим воздухом).

 

ИЗЛУЧЕНИЕ

Солнечный свет необходим только для фотосинтезирующих микробов, использующих световую энергию в процессе ассимиляции углекислого газа.

Около 50% падающей на землю лучистой энергии приходится на видимую часть света, другие 50% составляют инфракрасные лучи и менее 1% - ультрафиолетовые лучи.

Интенсивность света, проходящего сквозь толщу воды, снижается с глубиной, при этом меняется и его спектральный состав. Наиболее резко (на глубине первых метров) отсекаются инфракрасные и красные лучи, глубже всех проникают лучи с длиной волны 540-560 нм.

Свет часто оказывается лимитирующим фактором. Поэтому фототрофные микроорганизмы обладают многочисленными механизмами, позволяющими использовать энергию света с максимальной эффективностью. Большинство фототрофных микроорганизмов способны к фототаксису и могут занимать местоположение с оптимальной освещённостью. Другим способом адаптации к свету является изменение в зависимости от интенсивности освещения содержания фотосинтетических пигментов, количество тилакоидов, светособирающих ловушек, площади фотосинтезирующих мембран.

Зелёные серобактерии способны к увеличению светособирающей поверхности за счёт образования выростов (простек), содержащих хлоросомы, что даёт им возможность эффективно использовать свет низкой интенсивности.

Одним из универсальных механизмов адаптации к свету высокой интенсивности является синтез каратиноидных пигментов. Характерным примером может служить яркая окраска микроорганизмов, живущих в условиях высокой освещенности (в воздухе, на поверхности скал, обнажения горных пород, в высокогорье). Для грибов, в частности для так называемых чёрных дрожжей, характерно высокое содержание в клеточной стенке меланинов – пигментов, с которыми связывают универсальную функцию защиты от многих стрессовых факторов (света, солёности, температуры).

Микроорганизмы, не способные к фотосинтезу, хорошо растут в темноте. Прямые солнечные лучи губительны для микроорганизмов, даже рассеянный свет подавляет в той или иной мере их рост. Однако развитие многих мицелиальных грибов при постоянном отсутствии света протекает ненормально: хорошо развивается только мицелий, а спорообразование тормозится. Патогенные бактерии (за редким исключением) менее устойчивы к свету, чем сапрофитные.

Инфракрасные лучи (ИК-лучи) имеют сравнительно большую длину волны. Энергия этих излучений недостаточна, чтобы вызвать фотохимические изменения в поглощающих их веществах. В основном она превращается в тепло, что и оказывает губительное действие на микроорганизмы при термической обработке продуктов ИК-излучениями.

Ультрафиолетовые лучи - наиболее активная часть солнечного спектра – действуют на нуклеиновые кислоты: микробицидное действие основано на разрыве водородных связей в молекулах ДНК димеров тимина, приводящем к появлению нежизнеспособных мутантов.

Эффективность воздействия УФ-лучей на микроорганизмы зависит от дозы облучения, т.е. от количества поглощенной энергии. Кроме того, имеют значение свойства облучаемого субстрата: его рН, степень обсеменения микробами, а также температура.

Очень малые дозы облучения действуют стимулирующе на отдельные функции микроорганизмов. Более высокие, но не приводящие к гибели дозы вызывают торможение отдельных процессов обмена, изменение свойств микроорганизмов, вплоть до наследственных. Это используется на практике для получения вариантов микроорганизмов с высокой способностью продуцирования антибиотиков, ферментов и других биологически активных веществ.

Дальнейшее увеличение дозы облучения приводит к гибели микробной клетки. При дозе ниже смертельной возможно восстановление (реактивация) нормальной жизнедеятельности микроорганизмов.

Споры бактерий значительно устойчивее к действию УФ-лучей, чем вегетативные клетки.

Мицелиальные грибы более устойчивы, чем вегетативные клетки бактерий, а споры грибов более выносливы, чем мицелий. Дрожжи имеют такую же или незначительно более высокую резистентность, чем бактерии.

РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ (λ-лучи, β-лучи (высокоскоростные электроны) и g-лучи (коротковолновые рентгеновские лучи) обладают высокой энергией, в связи с чем химически и биологически чрезвычайно активны.

Особенность радиоактивных излучений - способность вызывать ионизацию атомов и молекул, которая сопровождается разрушением молекулярных структур.

Микроорганизмы радиоактивно значительно более устойчивы, чем высшие организмы. Смертельная доза для них в сотни и тысячи раз выше, чем для животных и растений. Например, обнаружен вид бактерий из рода Pseudomonas, обитающий в ядерных реакторах.

Очень малые дозы активизируют некоторые жизненные процессы микроорганизмов, воздействуя на их ферментные системы. Они вызывают наследственные изменения свойств микробов, приводящие к появлению мутаций. С повышением дозы облучения обмен веществ нарушается значительнее, наблюдаются различного рода патологические изменения клеток (лучевая болезнь), которые могут привести к их гибели. При дозе ниже смертельной может восстановиться нормальная жизнедеятельность облученных клеток.

Наиболее радиоустойчивы микроорганизмы с повышенной карбогидразной и протеолитической активностью, содержащие в клетках большее количество магния и кальция, а также обладающие высоким уровнем защитных метаболических реакций. Радиоустойчивы споры бактерий, грибов. Вирусы и риккетсии также устойчивы к облучению. Радиорезистентность микроорганизмов связана со способностью микробов к репарации – устранению повреждений, например, репарирование двухнитевых разрывов ДНК. Уменьшение воды в микробной клетке или среде ведёт к увеличению резистентности к излучениям.

Чувствительны к облучению кишечная палочка, протей, многие бактерии рода Pseudomonas - распространенные возбудители порчи мясных и рыбных продуктов. Микрококки отличаются повышенной устойчивостью.