Физические факторы

Лекция №7. Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы

Влияние физических факторов среды на микроорганизмы.

Влияние химических факторов среды на микроорганизмы.

1. В отличие от эукариот прокариоты обладают практически безграничными способностями к расселению. Bacillus Submarinus способны жить в океане на глубине более 5км, выдерживая давление свыше 1,1*10⁸ Па, термофильные бактерии Thermus aquaticus обитают в горячих источниках при температуре 92^°С, галофильные бактерии обнаружены в воде Мертвого моря.

Определенные факторы среды могут:

- стимулировать развитие микроорганизмов,

- угнетать развитие микроорганизмов – бактериостатическое действие,

- вызывать гибель – бактерицидное действие.

Физические факторы

1. Влажность

Большинство бактерий развиваются нормально при влажности среды более 20%. Высушивание бактерий приводит к обезвоживанию цитоплазмы, почти полному прекращению процессов метаболизма и переходу в анабиоз с образованием спор. Именно на этом и основано хранение пищевых продуктов в сухом состоянии. Но даже при этом бактерии сохраняют жизнеспособность: микобактерии туберкулеза – до 10 месяцев, споры бацилл сибирской язвы до - 10 лет. Метод сублимации широко применяется для длительного хранения живых вакцин против туберкулеза, чумы, оспы, гриппа, и для содержания производственных и музейных культур микроорганизмов.

По отношению к влажности все прокариоты подразделяются:

а) гигрофилы - нормально развиваются при влажности среды более 60%,

а) мезофилы - нормально развиваются при влажности среды 40-60%,

а) ксерофилы - нормально развиваются при влажности среды меннее 40%.

 

2. Температура

По отношению к температуре все прокариоты подразделяются:

а) психрофилы (от греч. Psychros - холод, phileo - люблю) – бактерии, развивающиеся при температуре от «-5» до 20-30^°С. Различают:

- облигатные психрофилы – неспособных расти при температуре выше 20^°С – это бактерии глубоких озер, северных морей и океанов.

- факультативные психрофилы – выносят колебания температуры от «-5» до 20-30^°С – бактерии зоны умеренного климата с резкими перепадами температур зимой и летом.

При низких температурах затормаживаются процессы метаболизма, прекращается рост и размножение бактерий, они впадают в анабиоз. На этом основано использование холодильников и погребов для хранения пищевых продуктов. Ученые предполагают, что многие микроорганизмы способны пребывать в толще льдов до 12.000 лет, например на антарктической станции «Восток» с глубины 100-320 м изо льда возраст которого не менее 2.000 лет выделили все основные группы прокариот.

 

б) Мезофилы (от греч. Mesos - средний) - большинство прокариот обитающих при температуре от 10 до 47^°С, при оптимуме 30-40^°С – это многие патогенные бактерии, вызывающие заболевание человека и животных, с температурным оптимумом около 37^°С.

в) Термофилы (от греческого thermos - тепло) - обширная группа бактерий растущих при температуре от 10 до 55-60^°С – это бактерии навоза, торфа, почвы и воды горячих источников: среди них различают

- факультативные термофилы – развиваются при температуре от 10 до 60^°С.

- облигатные термофилы – не способны к росту при температуре ниже 40^°С.

- экстремальные – температура оптимума выше 70^°С – представители родов Thermothrix, Thermus, Thermomicrobiun и др.

Высокие температуры более губительны для микробных клеток, так как вызывают выделение РНК из клетки, нарушают активность ферментных структур. Более стойки к действию высокой температуры споры бактерии, выдерживают кипячение в течении 2-3 часов.

 

3. Лучистая энергия

Действие различного вида излучений на прокариоты зависит от их энергии и дозы облучения.

Инфракрасное излучение (длина волны от 760 нм до 400 мкм) - из-за малого значения энергии не вызывает существенных изменений в живых клетках

Видимый свет (длина волны от 380 до 760 нм) оказывает благоприятное влияние только на фотосинтезирующие бактерий и цианобактерий, другие группы предпочитают развиваться в темноте.

Ультрафиолетовые лучи (длина волны 253,7 нм)- обладают сильным мутагенным эффектом, так как приводят к образованию димеров тимина в молекуле ДНК, это подавляет репликацию ДНК и деление клетки, и может являться причиной гибели клетки. Повреждающее действие ультрафиолетового излучения снимается при облучении видимым светом - это явление фотореактивации в 1948 г открыл А.Келнер (очевидно это связано с активацией ферментов, расщепляющих димеры тимина). Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей на бактерии используются для обеззараживания продуктов питания (холодная стерилизация не изменяет качества продуктов, так как в малых дозах не разрушает макромолекулы), лабораторных, питательных средств, посуды дезинфекции палат, операционных, помещений родильных домов, вакцин и сывороток.

Рентгеновские лучи (длина волны менее 10 нм) - обладают огромной энергией, приводят к развитию мутаций и гибели клеток. Однако тионовые бактерии обитают в залежах урановых руд, а бактерии Micrococcus radioclurans – в воде атомных реакторов при концентрации ионизирующего излучения в 2-3млн рад.

Ультразвук - высокочастотные колебания звуковых волн (более 20.000 Гц)- оказывает бактерицидное действие, вызывая физико-химическое и механическое повреждение всех клеточных структур; сила его зависит от частоты колебаний, длительности воздействия, от физиологического состояния и индивидуальных особенностей микроорганизмов. Ультразвуковые датчики используют для стерилизации пищевых продуктов, лабораторного оборудования и вакцин.

 

2. Влияние химических факторов среды на бактерии.

1. Реакция среды

Все прокариоты можно разделить на:

1) Нейтрофилы – рН 6,5-7,5 - большинство бактерии. Среди них:

- кислотолерантные бактерии – рН 4-7,5 – бактерии в процессе метаболизма накапливающие органические кислоты – молочнокислые, уксуснокислые, пропионово-кислые и др.

- щелочетолерантные бактерии – рН 7,5-9 – амонифицирующие, нитрифицирующие бактерии, азотобактерии, энтеробактерии и др.

2) Ацидофилы рН 3-2

- умеренные ацидофилы рН 3-4 бактерии, обитающие в воде кислых озер и болот, и в кислых низко плодородных почвах.

- крайние ацидофилы рН 1-3 - обтают в угольных шахтах, горячих кислых источниках: Thiobacillus, Culfomonas, Thermoplasms.

3) Алколофильные бактерии рН 9 и более. Bacillus и холерный вибрион. Повышенная кислотность отрицательно действует на большинство микроорганизмов, на этом основано применение маринадов.

 

2. По отношению к молекулярному О₂

Кислород - самый распространенный элемент, в атмосферном воздухе 20,9% - О₂ по объему и 23,2% - по массе. По отношению к молекулярному О₂ прокариоты подразделяются на:

1) Аэробные (с греч. Aer - воздух) способные жить и развиваться при наличии свободного О₂.

- облигатные (строгие) аэробы - способны выдерживать концентрацию О₂ около 40-50%.

- микроаэрофилы – развиваются при низкой концентрации О₂ не более 2%.

2) Анаэробные (с греч. An - отрицание; aer - воздух) способные жить и развиваться в отсутствии свободного О₂. Термин ввел Л.Пастер в 1861г.

- облигатные анаэробы - неспособные использовать О₂ в обмене и чувствительны даже к следам О₂, в его присутствии погибают: Nethanobenacterium, Mthanosarcina, Fusobacterium и др.

- аэротолерантные – проявляет устойчивость к молекулярному О_2, молочнокислые бактерии рода Clostridium – Clostridium acetobutylicum, Cl.sporogenes и др, особенно их споры.

3) Факультативные аэробы или факультативные анаэробы – способны расти как в аэробных так и анаэробных условиях и переключать свой энергетический метаболизм с одного способа получения энергии на другой, н-р, денитрифицирующие, десульфофицирующие и энторобактерии.

 

3. Активность воды и соленость

Важной характеристикой местообитаний микроорганизмов является доступность воды, которую выражают через величину ее активности (a_w), рассчитываемую как отношение давления пара жидкости к давлению пара дистиллированной воды. Значения а_w, при которых возможен рост микроорганизмов, составляют от 0,99 до менее 0,7.

Одной из причин снижения активности воды может быть концентрация солей. Водные местообитания на Земле имеют различную соленость - от почти нулевой (например, дождевая вода) до очень высокой, как в насыщенных растворах в солеварнях.

По отношению к солености микроорганизмы подразделяют на:

- пресноводные (негалофильные) организмы, в том числе обитатели ультрапресных вод, развиваются в среде с содержанием солей < 0,01% и обычно чувствительны к 3 %-й концентрации NaCl.

- галотолерантные организмы выдерживают более высокие концентрации и часто обитают в местах с меняющейся соленостью, например в почве. Для морских бактерий оптимум солености составляет около 3,5%, а растут они в узком диапазоне концентраций соли: 2,5-5,0% NaCl. Типичными морскими бактериями являются Alteromonas, Vibrio, Photobacterium.

- умеренные галофилы растут в диапазоне солености примерно 5-15%.

- экстремальные галофилы развиваются при концентрации NaCl от 12-15% вплоть до насыщенных растворов соли.

Особую группу составляют галоалкалифилы, растущие при высоких концентрациях соды в высокоминерализованных содовых озерах.

Основным механизмом приспособления к осмотическому состоянию среды служит синтез микроорганизмами осмопротекторов (осмолитов) - низкомолекулярных органических веществ (некоторые аминокислоты и их производные, сахара, гетерогликозиды), концентрация которых в цитоплазме уравновешивает внешнее давление. Их состав зависит от концентрации NaCl в среде и не одинаков у разных микроорганизмов.

Необычные осмолиты обнаружены у экстремальных галлофилов: осмотрофные мицелиальные грибы и дрожжи, одноклеточная водоросль Dunaliella, накапливают глицерол и другие многоатомные спирты; у многих морских водорослей - диметил-сульфопропионат, при разложении которого образуется диметил-сульфид (ДМС).

Адаптация к солености у экстремально галофильных архей (порядок Halobacteriales) основана на внутриклеточной концентрация ионов K⁺может быть выше в 1000 раз, чем в окружающей среде, т.е. ферменты галобактерий работают в солевом растворе.

Помимо концентрации солей повышенное осмотическое давление и низкая активность воды создаются высоким содержанием органических веществ. Приспособленные к таким условиям орга­низмы называют осмофилами - это спироплазмы, размножаю­щиеся в нектаре цветов, мицелиальные грибы и дрожжи, обитающие в варенье, сиропах, сухофруктах.

Для организмов, развивающихся на суше, большое значение имеет приспособление к сухости и контакту с воздухом. Условия водного стресса и опасность высыхания создаются на поверхнос­ти скал, камней, деревьев, различных сооружений, в почве, осо­бенно почве пустынь н-р, микрококки, артробактеры, нокардии, проактиномицеты и актиномицеты. Основными механизмами защиты от высыхания служит образование слизистых капсул или переживающих клеток (спор, конидий, цист). Высокую устойчивость на воздухе обнаруживают многие микобактерии с высоким содержанием липидов в клеточной стенке.

4. Антисептики

Антисептики – (анти – против, сепсис - заражение) химические соединения, оказывающие губительное действие на микроорганизмы. Действие антисептиков на бактерии может быть:

- бактериостатическим – прекращает рост и размножение клеток

- бактерицидным – вызывает гибель.

Эффект зависит от природы химического соединения, концентрации, продолжительности действия и от факторов среды: температуры и рН.

Антисептиками могут быть:

1. Органические соединения:

- этиловый и изопропиловый спирты (70%-ные растворы более активны, чем ректификат - 96%). Спиртовые настойки и экстракты плодов и ягод не поддаются микробной порче в отличии от водных экстрактов.

- фенол (карболовая кислота), крезол и их производные - растворяют липиды плазматической мембраны, нарушают ее проницаемость, вызывают коагуляцию микробных белков, губительным для большинства бактерий является 1-5% раствор. Используются для дезинфекции заразного материала в микробиологической практике и инфекционных больницах.

- формальдегид применяют в виде 40% раствора (формалин) убивает даже споры бактерий, он присоединяется к аминогруппам белков и вызывает их денатурацию.

- красители: бриллиантовая зелень, фуксин, риванол, трипафлавин, акрифлавин и др. задерживают рост бактерий, применяют как антисептики и водят в состав некоторых питательных сред для угнетения роста сопутствующей микрофлоры.

- ПАВ (поверхностно-активные вещества): жирные кислоты, мыла вызывают повреждение клеточной стенки бактерий.

- органические кислоты: салициловая, масляная, уксусная, бензойная, сорбиновая их действие связаноне со снижением рН среды, а с проникновением недиссоциированных молекул в клетку.

- эфирные масла, дубильные вещества.

2. Неорганические соединения:

- соли тяжелых металлов: ртути (бихлорид ртути – сулема токсичен для организма и использование ее ограничено), свинца, серебра, цинка, золота и др. Они взаимодействуют с белками, образуя нерастворимые в воде альбуминаты, что приводит к коагуляции белков. Соли ртути, серебра, мышьяка ингибируют ферменты. Оказывают бактерицидное действие даже в очень малых количествах, т.е. обладают олигодинамическим действием (динамус – сила).

- окислители: хлор, хлорная известь, хлорамин, спиртовый раствор йода, перманганат калия, пероксид водорода, озон, СО₂, сероводород, кислоты (сернистая, борная, фтористоводородная). Жидкий CL применяют для обеззараживания Н₂О, а водные растворы 0,5-5% хлорной извести и хлорамина для дезинфекции тары, оборудования, инвентаря. В настоящее время разработана технология производства тканей содержащих молекулы антисептика, их можно использовать как перевязочный материал, для фильтров и пошива одежды медицинского персонала.

Применение антисептиков для консервирования пищевых продуктов ограничено, т.к. доза должна оказывать консервирующее действие, но быть безвредной для человека и не влиять отрицательно на продукт.

Применяют:

-сернистый ангидрид SO₂, сернистую кислоту и ее соли (бисульфит калия и натрия) в виде гранул, таблеток закладывают в плоды, овощи или упаковочный материал;

- бензойную кислоту и ее натриевую соль для консервирования плодово-ягодного сырья, рыбных и мясных консервов, кетовой икры. Она содержится в бруснике, чернике, клюкве;

- сорбиновую кислоту и ее соли - в безалкогольных и алкогольных напитках, маринадах, кулинарных изделиях, вводится в продукт или им обрабатывается поверхность продукта и оберточные материалы. Менее токсична, чем бензойная и сернистая, но более эффективная, однако на рост молочно- и уксуснокислых бактерий практически не влияет. Содержится в ягодах рябины. Безвредна для человека в дозах допускаемых для консервирования (0,03-0,1%), особенно эффективна в кислой среде рН 3-4,5;

- пропионовую кислоту - для борьбы с картофельной болезнью хлеба и против его плесневения, вводят в тесто или обрабатывают оберточную бумагу;

- салициловую кислоту - подавляет развитие плесневых грибов, но токсична для человека;

- лимонную кислоту;

- атмосферу с повышенным содержанием СО₂ до 20% - тормозится развитие плесневых грибов, а при 40-50% - прекращается. Он легко проникает через различные материалы и подавляет развитие микробов не только на поверхности, но и в толще продуктов. Бактерии более устойчивы угнетающее действие проявляется при 40-50% СО_2, а анаэробные развиваются и при 60-80% и более, при этом ухудшается качество продуктов. Сроки хранения мяса, колбас и др. при t 0ºС и 10-15% СО₂ увеличиваются в 2-3 раза.

- озонирование периодическое небольшими дозами (3-10мг/м³) в холодильных камерах или перед загрузкой копченой рыбы, полукопченых колбас, сыров, и воздуха овощехранилищ: лук, морковь, капуста;

- дым в нем содержатся альдегиды, кетоны, фенолы, спирты, смолы, органические кислоты, на микрофлору при холодном копчении также влияют обезвоживание продукта и повышение содержания соли, а при горячем – высокая температура.

 

Использованная литература:

1.	Никитина Е.В. Микробиология: Учеб. для студ. вузов / Е.В. Никитина, С.Н.Киямова, О.А.Решетник - СПб.: ГИОРД, 2009. - 368с. -
2.	Мудрецова-Висс К.А. Микробиология, санитария и гигиена: Учеб.для студ.вузов / К.А. Мудрецова-Висс, В.П. Дедюхина. - М.: ФОРУМ, 2008. - 400с.
3.	Жарикова Г.Г. Микробиология продовольственных товаров. Санитария и гигиена: Учеб. для студ. вузов / Г.Г. Жарикова. - М.: Академия, 2005. - 304с.
4.	Микробиология, гигиена и санитария в торговле: Учеб. пособие для студ. ссузов. - Ростов н/Д: Феникс, 2000. - 320с.
5.	Жарикова Г.Г. Основы микробиологии: Практикум: Учеб.пособие для студ.вузов / Г.Г. Жарикова, И.Б. Леонова. - М.: Академия, 2008. - 144с.