Влияние физических факторов на микроорганизмы

В естественной среде обитания и в случае искусственного культи­вирования микроорганизмов на них влияют многочисленные факто­ры, которые условно разделяют на физические, химические и биоло­гические.

Физические, химические и биологические факторы окружающей среды оказывают различное воздействие на микроорганизмы: бактери­цидное, приводящее к гибели клетки; бактериостатическое, подавля­ющее рост и размножение микроорганизмов, и мутагенное, приводя­щее к изменению наследственных свойств микробов.

К физическим факторам относят температуру; замораживание; вы­сушивание; давление; различные виды излучений; аэронизацию; уль­тразвук; электричество.

Микроорганизмы лишены механизмов, регулирующих температуру тела, поэтому их существование определяется температурой окружа­ющей среды. Для каждого вида микроорганизмов существует мини­мальная температура, ниже которой их рост не наблюдается; опти­мальная — при которой микроорганизмы растут с наибольшей ско­ростью и максимальная — выше которой роста не происходит. Данные три температурные точки называют кардинальными. Они весьма харак­терны для определенных видов и даже штаммов бактерий. Микроорга­низмы по их адаптации к определенным температурным условиям раз­деляют на следующие группы: психрофилы, мезофиллы, термофилы и экстремально-термофильные.

Психрофилы (от гр. psychros — холодный, phileo — люблю) — микро­организмы, для которых температурный минимум составляет 0 °С, оп­тимум — 15—20, максимум — 30—35 °С. Эти бактерии являются обита­телями холодных районов земного шара, горных ледников, пещер, воды колодцев и родников, сточных вод.

Для психрофилов характерна очень длительная лаг-фаза и неболь­шая скорость роста. Они могут вызывать порчу продуктов в холодиль­никах, погребах, ледниках. К психрофилам относят светящиеся бакте­рии, некоторые железобактерии, иерсинии, псевдомонады, возбудите­лей паратуберкулеза.

Мезофилы (от гр. mesos — средний, phileo — люблю) — микробы для которых температурный минимум составляет 10 °С, оптимум — 30—38, максимум — 40—45 °С. К мезофиллам относят большинство сапрофи-тов, условно-патогенных и патогенных микробов. Например, сальмо­неллы, эшерихии, возбудитель сибирской язвы и др.

Термофилы (от гр. termos — теплый, phileo — люблю) — теплолюбивые микроорганизмы, для которых температурный минимум составляет 35 °С, оптимум — 50-60, максимум — 70-75 °С. Эти микробы могут обитать в пищеварительном тракте животных, в почвах районов с жар­ким климатом, в горячих источниках. Термофилов обнаруживают во всех широтах. Развиваются они очень быстро. Эти микробы участвуют в процессах самонагревания навоза, мусора, зерна, комбикорма, сена. Термофилов, образующих тепло, принято называть термогенными. Под их влиянием происходит самонагревание в основном раститель­ной массы и выделение большого количества тепла. Тепло образуется вследствие разложения органических веществ, при этом выделяются горючие газы метан и водород, что часто приводит к самовозгоранию разлагающихся масс.

Для экстремально-термофильных бактерий температурный мини­мум колеблется в пределах 25—30 °С, оптимум — 50—60, максимум — 80-93 °С.

Возможность существования термофилов при высокой температуре объясняют следующими особенностями: высоким содержанием в кле­точных мембранах длинноцепочечных С₁₇—С₁₉ насыщенных жирных кислот с разветвленными цепями; высокой термостабильностью бел­ков и ферментов; термостабильностью клеточных структур.

Постоянное место обитания термофильных бактерий — терминаль­ные (горячие) источники. В таких источниках могут развиваться эубактерии и архебактерии, аэробные и анаэробные, фототрофные, хемолитотрофные и гетеротрофные микроорганизмы, цианобактерии.

При воздействии на микробы низкой температуры они переходят в состояние анабиоза, в котором бактерии могут оставаться жизнеспо­собными в течение нескольких месяцев и даже лет. Например, листерии остаются жизнеспособными при —10 °С в течение трех лет. Микробы могут переносить температуру до—190 °С и даже—252 °С. Наибольшую опасность при замораживании представляет не сама низкая температу­ра, а кристаллы льда внутри клетки, которые могут повредить ее меха­нически. Низкая температура прерывает действие гнилостных и бродильных процессов. Недаром продукты хранят в холодильниках, пог­ребах, ледниках.

При промышленном производстве живых вакцин применяют метод лиофшшзации (от гр. lyo — растворять, phileo — люблю). При лиофилизации вода подвергается замораживанию, а затем происходит сублима­ция льда, т. е. его переход из твердого в парообразное состояние, жид­кая фаза выпадает.

Высокая температура губительно действует на микробы. В основе бактерицидного действия высокой температуры лежат угнетение фер­ментов, денатурация белков, нарушение осмотического барьера. Высо­кая температура применяется для стерилизации различных объектов.

Высушивание — обезвоживание отрицательно влияет на микробы. В высушенном состоянии они не могут расти и размножаться. Клетки переходят в анабиотическое состояние. Наиболее чувствительны к вы­сушиванию вегетативные формы микробов (особенно патогенные). Споровые формы микробов в высушенном состоянии не теряют своей жизнеспособности многие годы. Высушивание под вакуумом из замо­роженного состояния — лиофилизацию используют для получения ценных производственных и музейных штаммов культур микробов в су­хом виде, что позволяет хранить их без потери жизнеспособности и био­логических свойств в течение длительного срока (годами). Высушива­ние используют для консервирования овощей, фруктов, лекарственных трав, кормов.

Большое влияние на микроорганизмы оказывает гидростатическое и осмотическое давление. Бактерии, устойчивые к высокому давлению, называют барофильными (от гр. bams — тяжесть, phileo — люблю). На дне Тихого и Индийского океанов обитают бактерии, которые выдержива­ют давление до 11 370 Па. Большинство микробов при давлении выше 4900 Па погибают, так как давление вызывает денатурацию белков, ина­ктивацию ферментов, повышает диссоциацию. Повышенное давление в сочетании с высокой температурой используют в автоклавах с целью стерилизации различных материалов и лабораторной посуды.

Осмотическое давление определяется концентрацией растворенных в среде веществ. Оно играет важную роль в процессе питания. Бактерии питаются путем осмоса и диффузии. Осмотическое давление внутри клетки равно примерно давлению 10-20 %-го раствора сахарозы. В среде с низким осмотическим давлением вода поступает в клетку и наступает ее разрыв — плазмоптиз. В среде с высоким осмотическим давлением вода покидает клетку и происходит ее гибель — плазмолиз. Существуют микробы, способные расти и размножаться при высокой концентрации солей в среде — галофилы (любящие соль), например микрококки, сарцины, стафилококки. Их ферменты активны при повышенном содер­жании соли.

Различные виды излучений действуют на микробы бактерицидно. Степень бактерицидности зависит от вида излучения, его дозы, дли­тельности (экспозиции) воздействия на микроорганизмы. К излучени­ям относят видимый свет; невидимые инфракрасные лучи; рентгенов­ские лучи (а, в и y иуизлучения); космические лучи; невидимые ультра­фиолетовые лучи.

Видимый свет отрицательно действует на микроорганизмы, поэтому микробы выращивают на питательных средах в полной темноте в тер­мостатах. Прямые солнечные лучи губительно действуют на все виды микробов, за исключением пурпурных и зеленых серобактерий. Свет вызывает образование в клетке гидроксильных радикалов, которые и яв­ляются причиной ее гибели. Сапрофиты более устойчивы к свету, так как они эволюционно адаптированы к нему. Патогенные микробы весьма чувствительны к свету, что имеет гигиеническое значение. Уль­трафиолетовые лучи высокобактерицидны, они подавляют реплика­цию ДНК и РНК. В качестве источника ультрафиолетовых лучей слу­жат ртутно-кварцевые (ПРК) и бактерицидные (БУВ) лампы. Ультра­фиолетовые лучи используют для санации воздуха в животноводческих помещениях, стерилизации боксов в биологической промышленности, научно-исследовательских институтах, медучреждениях, ветлабораториях.

Из рентгеновских лучей наиболее бактерицидны улучи. Они пора­жают генетический аппарат, что приводит к гибели клетки. Эти лучи применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязоч­ного материала. Кроме того, их используют для холодной стерилиза­ции, т. е. обработки биопрепаратов. Холодная стерилизация губительно действует на микробные клетки, но не снижает качества препаратов.

Электроток ультравысокой частоты приводит в колебание молекулы всех ингредиентов клетки, происходит нагревание всей массы микро­бов, наблюдаются необратимые деструктивные изменения, что вызы­вает гибель микробов.

В результате высокочастотных колебаний (ультразвука) внутри бак­терий образуется пена, состоящая из мельчайших пузырьков газа. В пузырьках возникает высокое давление, что приводит к дезинтеграции цитоплазматических структур и гибели клетки.

Аэронизация — аэроионы могут нести положительный или отрица­тельный заряд. Аэроионы возникают в результате искусственной или естественной ионизации воздуха. Наибольшее влияние на бактерии оказывают отрицательно заряженные ионы. Сила действия ионов за­висит от дозы, длительности экспозиции, расстояния от источника ионов.