Химические факторы внешеней среды

РЕАКЦИЯ СРЕДЫ (pH).

Физиологически действующим началом в кислых и щелочных субстратах является концентрация водородных и гидроксильных ионов (Н⁺ и ОН).

В зависимости от положения оптимального рН развития различают АЦИДОФИЛЬНЫЕ, НЕЙТРОФИЛЬНЫЕ и АЛКАЛИФИЛЬНЫЕ микроорганизмы.

Большинство естественных местообитаний имеют нейтральный или близкий к нему (слабокислый или слабощелочной) рН – здесь развиваются НЕЙТРОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ.

рН пресной воды равен 7,0, реакция морской воды слабощелочная (рН 7,5-8,0). В почве рН может быть достаточно низким, до 4,0 - развиваются алкали- или ацидотолерантные и умеренные алкали- или ацидофилы -большинство грибов, имеющих оптимум роста при рН 5,0 и ниже.

Встречаются экстремальные природные и антропогенные местообитания: экстремально кислые с рН меньше 4,0 и экстремально щелочные с рН более 10,0, где развиваются экстремофильные микроорганизмы.

АЦИДОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ – рН оптимума роста 4,0 или ниже; у ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ АЦИДОФИЛОВ – рН оптимума роста равен или ниже 3,0.

Наиболее распространены местообитания с рН от 1,5 и выше: горные отвалы, шахтные воды, где за счёт выщелачивания сульфидные минералов и образования серной кислоты происходит резкое закисление среды. Тот же процесс наблюдается в термальных местообитаниях (как в высокотемпературных, так и в холодных зонах), где окислению кислородом воздуха подвергаются сульфиды вулканического происхождения. К биотопам с низкими значениями рН относят также болота и торфяники (рН 2,5-6,0).

К ацидофильным биотопам антропогенного происхождения относят горные отвалы, промышленные стоки и их хранилища. Присутствие токсических веществ в таких биотопах препятствует развитию биологических процессов.

К ацидофильные микроорганизмам относят литотрофных аэробных прокариот, окисляющих соединения серы и двухвалентное железо – бактерии родов Thiobacillus и Sulfobacillus; также термофильные археи родов Sulfobus, Thermoplasma и др.; фототрофные микроорганизмы – одноклеточные водоросли родов Chlorella, Chlamydomonas.

Ряд бактерий, развивающихся при низких рН, выделен из желудка животных и человека (рН 1,5-4,0) – это факультативно-анаэробные органотрофные микроорганизмы родов Lactobacillus, Streptococcus, Sarcina.

Однако диапазон развития Sarcina 2,0-9,0, а оптимум для роста – нейтральная область (т.е. их можно отнести к ацидотолерантным бактериям).

Внутриклеточный рН экстремальных ацидофилов не ниже 4,5. Внеклеточные белки стабильны по отношению к кислотам; внутриклеточные белки имеют нейтральный или слабокислый оптимум активности. Нейтральный рН часто бывает токсичным для клеток, что может быть связано с нарушением целостности цитоплазматической мембраны, для стабильности которой требуются высокие концентрации ионов водорода.

АЛКАЛИФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ – рН оптимума развития превышает 8,0. Среди них есть АЛКАЛИТОЛЕРАНТНЫЕ ФОРМЫ, растущие при щелочных рН, но и имеющие оптимум в нейтральной области, и истинные алкалифилы, не растущие при нейтральном рН.

Природные местообитания с наиболее высокими и стабильными значениями рН – это содовые озёра, пустыни, где щёлочность обусловлена высокой концентрацией бикарбоната натрия.

К алкалифильным микроорганизмам относят фототрофных цианобактерий Spirulina, Cyanospira, Chroococcus, диатомовых водорослей, серных пурпурных бактерий рода Ectothiorhospira, метанобразующие бактерии.

Внутриклеточный рН экстремальных алкалифилов не превышает 9,5. Белки этой группы бактерий обладают большой стабильностью к щелочам, оптимум активности при щелочных значениях рН.

Под влиянием рН среды активность ферментов может изменяться, а в связи с этим меняется и биохимическая активность микробов. Например, одни и те же дрожжи в кислой среде образуют из сахара большое количество этилового спирта и незначительное количество глицерина; в щелочной среде содержание глицерина резко увеличивается, а выход спирта снижается.

У гнилостных бактерий наибольшая протеолитическая активность проявляется при рН больше 7,0.

Изменение реакции среды может влиять на электрический заряд поверхности клетки, что обусловливает изменение её проницаемости для отдельных ионов; может изменяться степень диссоциации веществ в среде, что, в свою очередь, отражается на обмене веществ клетки.

Сапрофиты, живущие в почве или в водоемах, а также на пищевых продуктах, приспособились существовать в довольно широком диапазоне рН. Паразитические формы, приспособленные к условиям тела хозяина, живут обычно в очень узком диапазоне рН.

Для некоторых видов бактерий кислая среда губительнее щелочной. Вегетативные клетки обычно менее устойчивы, чем споры. Особенно неблагоприятна кислая среда для гнилостных бактерий и бактерий, вызывающих пищевые отравления.

Бактерии, которые в процессе жизнедеятельности образуют кислоту, более выносливы к снижению рН. Одни микроорганизмы, например молочнокислые бактерии, при накоплении в среде определенного количества кислоты постепенно погибают. Другие способы регулирования реакции среды - образование соответствующих веществ, которые либо подкисляют, либо подщелачивают среду, препятствуя сдвигу рН в сторону, неблагоприятную для их развития. Некоторые мицелиальные грибы, например, при росте на белковых средах образуют щавелевую кислоту, которая препятствует повышению щелочности субстрата.

 

ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Ряд химических веществ замедляет или полностью тормозит рост микроорганизмов.

Вещества, губительно действующие на микроорганизмы – АНТИСЕПТИКИ (от греч. anti – против, septicos – гнилостный). Если антисептики подавляют жизнедеятельность или задерживают размножение чувствительных к ним микробов, то это бактериостатическое действие вещества (по отношению к бактериям) или фунгистатическое действие (в отношении мицелиальных грибов).

Вещества, вызывающие гибель микроорганизмов, называют бактерицидами, или фунгицидами.

В очень малых дозах многие химические яды оказывают благоприятное действие, стимулируя размножение или биохимическую активность микробов.

Помимо концентрации, эффективность действия химических веществ на микроорганизмы зависит от природы вещества, биологических особенностей микроорганизма, продолжительности воздействия на него, температуры, состава и рН среды.

Чувствительность различных микроорганизмов к одному и тому же антисептику неодинакова. Так, обычно споры устойчивее вегетативных клеток.

1. СОЛИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ - из неорганических соединений наиболее сильнодействующие, особенно ртуть. При действии ртути концентрацией 1:1000 в течение нескольких минут большинство бактерий погибает, более устойчивыми являются споры бактерий. Цианид связывает железо и блокирует функцию дыхательного фермента - цитохромоксидазы.

Ионы золота, меди и особенно серебра, присутствующие в растворах в ничтожно малых концентрациях, оказывают губительное действие на микроорганизмы. В зависимости от концентрации и свойств катиона металлы вызывают местный вяжущий, раздражающий и прожигающий эффекты на микроорганизмы.

Антимикробное действие соединений тяжелых металлов обусловлено ослаблением активности ферментов, содержащих сульфгидрильные группы, а также образованием с белками альбуминатов: R-COOH + AgNo₃ → R-COOAg + HNO₃.

Посеребрённые предметы, посеребрённый песок при контакте с водой придают ей бактерицидные свойства по отношению ко многим видам бактерий. При этом положительно заряженные ионы металлов адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактерий и изменяют проницаемость их цитоплазматической мембраны, в результате чего происходит гибель микробной клетки.

Свойства серебра используют для дезинфекции питьевой воды. Различные препараты серебра и посеребренные материалы применяют в медицинской практике.

2. Окислители (перекись водорода, марганцовокислый калий) – эти соединения, выделяя активный атомарный кислород, вызывают цепную реакцию свободно-радикального перекисного окисления липидов, что ведёт к деструкции мембран и белков микробной клетки.

3. Галогены (хлор, йод и их препараты: хлорная известь, хлорамин Б, раствор йода спиртовой, йодинол, йодоформ) – бактерицидное действие связано со способностью отщеплять активные галогены – хлор и йод, которые, замещая водородные атомы у атомов азота, денатурируют белки цитоплазмы микроорганизмов, и, выделяя атомарный кислород, оказывать значительное окисляющее действие.

4. Кислоты и щёлочи – в основе бактерицидного действия лежит дегидратация микроорганизмов, изменение рН питательной среды, гидролиз коллоидных систем и образование кислотных и щелочных альбуминатов.

В концентрированных растворах кислоты коагулируют белки микробной клетки, изменяют концентрацию H-ионов в растворах и окисляющее действие. На практике кислоты применяют для уничтожения микробов на объектах окружающей среды (серная, соляная, уксусная); создания определённой величины рН в питательных средах (соляная кислота); при изготовлении и консервировании пищевых продуктов (уксусная, лимонная), так как кислая реакция среды (кислотность) неблагоприятна для развития гнилостных микроорганизмов.

Бактерицидность щелочей зависит от диссоциации и концентрации гидроксильных OH-ионов. Наиболее часто применяют гидроксид натрия и гидроксид калия, гашёную известь (гидроксид кальция), натрия карбонат (Na₂CO₃), натрия гидрокарбонат (сода). Бактерицидное действие проявляется при сравнительно невысокой концентрации щелочей: гибель вегетативных форм микроорганизмов наступает под влиянием 2-3%, спор бацилл – 4-5%-го растворов.

5. Фенолы, крезол и их производные – способны легко проникать через фосфолипиды клеточных мембран, денатурировать белок цитоплазмы и подавлять функцию кофермента, участвующего в дегидрировании глюкозы и молочной кислоты – это сопровождается глубокими нарушениями метаболизма и гибелью микробной клетки.

6. Формальдегид (альдегиды) – водный раствор губительно влияет на вегетативные и споровые формы бактерий; вызывает дегидратацию поверхностных слоёв, легко проникает в бактериальную клетку, вступает в связь с аминогруппами белков, денатурирует их. В практике применяют 40%-ный водный раствор формальдегида (формалин).

7. Спирты – практический интерес представляет этиловый спирт (C₂H₅OH) – способен отнимать воду и свёртывать белок. Бактерицидное действие оказывает уже 20%-я концентрация спирта, но наиболее эффективен 70%-ный спирт. Более высокие концентрации спирта (80-90%) в белковой среде образуют плотные белковые сгустки, внутри которых могут сохраняться живые клетки бактерий.

8. Поверхностно-активные вещества ПАВ (детергенты) - действуют на наружные слои клеток и нарушают избирательную проницаемость цитоплазматической мембраны. Поскольку клеточные мембраны состоят главным образом из липидов и белков, то детергенты, имея полярную структуру (их молекулы содержат как липофильные, так и гидрофильные ионизированные группы), накапливаются в липопротеиновых мембранах (тоже имеющих полярную структуру) и нарушают их функции.

Детергенты (ПАВ) обладают широким спектром антимикробного действия; их применяют для дезинфекции различных поверхностей и одежды.

9. Красители (генцианвиолет, бриллиантоновая зелень, фуксин, акридин) – действуют медленно и избирательно. Бриллиантовый зелёный, соединяясь с белком, липидами или мукополисахаридами бактериальной клетки, приводит к её гибели. Катионы акридина блокирует у бактерий необходимые для обмена анионные группы. Метиленовый синий изменяет течение окислительно-восстановительных реакций и нарушает жизнеспособность микробной клетки. Эти средства эффективны при кокковых инфекциях.

Бактерицидное действие на микроорганизмы оказывают также эфирные масла, смолы и дубильные вещества.

Среди микроорганизмов имеются формы, очень устойчивые к действию клеточных и метаболических ядов, а некоторые обладают способностью даже использовать их (например, фенол, H₂S, оксид углерода).