Влияние внешних факторов на микроорганизмы

Развитие микроорганизмов связано с влиянием факторов внешней среды. Условно эти факторы можно разделить на физические, химические и биологические. Одни и те же условия среды могут, как сопутствовать росту и размножению одних микроорганизмов, так и угнетать другие виды или вызывать их гибель. Изучая влияние внешней среды на микроорганизмы необходимо обращать внимание на кардинальные (лат. cardinalis – основной, главный, важный) точки их действия – минимум, максимум, оптимум. Для нормального развития микроорганизмов необходимо, чтобы все факторы внешней среды имели оптимальное значение. Сведение к максимуму или минимуму хотя бы одного фактора может резко затормозить развитие микроорганизмов и даже вызвать их гибель. Если микроорганизм имеет узкие границы развития под воздействием какого-либо фактора, то к названию приставка – стено-, если широкие – приставка эври-.

Физические факторы

Температура

Температура является одним из наиболее мощных факторов, определяющих возможность существования и интенсивность развития микроорганизмов. Жизнь микроорганизмов возможна лишь в определенных температурных условиях. Характерно, что оптимальная температура всегда ближе к максимальной, чем к минимальной. Микроорганизмы, имеющие широкие температурные диапазоны развития, называются эвритермными. Обычно они обитают в условиях, где температура значительно варьирует (почва, вода, воздух). Микроорганизмы, имеющие узкие температурные границы развития, называются стенотермными. Они, как правило, находятся в среде с относительно постоянной температурой (горячие источники, зона вечной мерзлоты).

По отношению к температуре микроорганизмы делятся на три группы – психрофилы, мезофилы, термофилы.

Таблица 2.1 - Температурные границы роста микроорганизмов

Группа микроорганизмов	Границы температур развития, 0С
минимум	оптимум	максимум
Психрофилы	- 10 ÷ -5	10 ÷ 20	25 ÷ 35
Мезофилы	5 ÷ 10	25 ÷ 40	45 ÷ 57
Термофилы	20 ÷ 35	50 ÷ 55	70 ÷ 80

Мезофилы (греч. mesos – средний, phileo – люблю) развиваются в интервале температур от 10⁰С до 50⁰С. Оптимальная температура для них 25-37⁰С. Это наиболее широко распространенная группа микроорганизмов. К ним относятся как сапрофитные микроорганизмы, так и патогенные для человека и теплокровных животных.

Психрофилы(греч. psyhria– холод). Среди них есть облигатные формы, не способные к росту при температуре выше 20⁰С, и факультативные психрофилы. развивающиеся в более широком температурном интервале – от минусовых температур до 30-35⁰С. для них оптимальной является температура 20-25⁰С. Психрофильные микроорганизмы широко распространены в водной среде, в почве холодных областей. Их характерной особенностью является активность ферментов при низких температурах, а также более высокое, по сравнению с другими микроорганизмами, содержание в клеточной мембране ненасыщенных жирных кислот. Поэтому мембраны остаются полужидкими при низких температурах (мембраны с преимущественным содержанием насыщенных жирных кислот при низких температурах становятся твердыми и недействующими). Обязательное условие роста психрофилов при минусовых температурах – нахождение воды в жидком состоянии.

Термофилы (греч. termo– тепло). Энзимы и механизм синтеза белка у термофилов более устойчивы к нагреванию, чем у мезофиллов. Более устойчива к высокой температуре и клеточная мембрана термофильных микроорганизмов. Она богата насыщенными жирными кислотами, образующими сильные гидрофобные связи, что придает липидной мембране устойчивость при высокой температуре.

Группу термофилов делят на четыре подгруппы. Термотолерантные виды растут в пределах от 10 до 55-65⁰С, оптимальная область лежит при 35-40⁰С; основное их отличие от мезофилов – способность расти при повышенных температурах, хотя оптимальные температуры роста для обеих групп находятся на одном уровне; примером таких бактерий является Bacillus subtilis. Факультативныетермофилы имеют максимальную температуру роста между 50 и 65⁰С, но способны также к размножению при комнатной температуре, оптимум приходится на область температур, близких к верхней границе роста; особенность этой группы – способность к росту в области 20-40⁰С. К облигатным термофилам относят виды, обнаруживающие способность расти при температурах около 70⁰С и не растущие ниже 40⁰С; оптимальная температурная область таких термофилов примыкает к их верхней температурной границе роста. Обнаружены прокариоты, выделенные в группу экстремальных термофилов, имеющие оптимум развития при температуре 80⁰С и выше.

Термогенные микроорганизмы способны не только выдерживать повышенную температуру, но и сами создают ее, выделяя тепло (в компостах, при хранении зерна, муки, сена, в птичьих гнездах).

Способность развиваться при определенной температуре следует отличать от способности переносить ту или иную температуру. Многие микроорганизмы при низких температурах длительное время сохраняют жизнеспособность, но их активная жизнедеятельность приостанавливается. При температуре минус 30⁰С клеточный рост прекращается, однако ферментные реакции, хотя и замедленно, но могут происходить. Низкие температуры вызывают у микроорганизмов состояние анабиоза.

Значительно менее устойчивы микроорганизмы к действию высоких температур. Губительное действие высоких температур связано с денатурацией белка, повреждением рибосом, нарушением осмотического барьера клетки. Лучше всего выдерживают высокие температуры спорообразующие бактерии, а среди них – термофильные спорообразующие бактерии. Такие бактерии являются наиболее термоустойчивыми среди всех живых организмов (например, Bacillus stearothermophilus).

На влиянии высоких температур на микроорганизмы основаны такие способы обработки материала и питательных сред, как тепловая стерилизацияипастеризация. Процесс отмирания микроорганизмов под влиянием температуры выражается уравнением:

К = 1/t ∙lg А/В, (2.1)

где К – константа процесса;

t– продолжительность воздействия;

А – начальное число бактерий;

В – число бактерий, оставшихся после воздействия температуры.

Молодые вегетативные клетки микроорганизмов богатые водой, при нагревании погибают быстрее, чем старые, потерявшие определенное количество воды. Наличие в среде жира смягчает действие температур. Микроорганизмы погибают при нагревании быстрее при низких значениях рН. Сухие клетки более термоустойчивы, чем влажные, поэтому стерилизация сухих объектов требует более высоких температур и более длительного времени.

Влажность

Для развития микроорганизмов необходима свободная вода, так как питательные вещества проникают в клетку только в растворенном виде. Доступность воды для микроорганизмов выражают активностью воды (а_w) – отношением давления водных растворов (субстрата) к давлению паров чистого растворителя (воды) при одной и той же температуре:

а_w = Р/Р₀ ,(2.2)

В зависимости от потребности во влаге микроорганизмы делятся на гидрофиты (влаголюбивые); мезофиты (среднего действия); ксерофиты (выдерживающие засуху).

Размножение бактериальных клеток прекращается при а_w = 0,6-0,65, но многие микроорганизмы в этих условиях еще остаются жизнеспособными. При этом обычно мелкие клетки более устойчивы к высушиванию, чем крупные, кокки устойчивее палочек, бактерии с толстыми стенками более устойчивы, чем с тонкими. Споры значительно устойчивее вегетативных клеток. В высушенном состоянии клетки могут сохранять некоторую метаболическую активность и находиться в условиях анабиоза длительный период до появления увлажнения. Механизм губительного действия высушивания связан с обезвоживанием цитоплазмы, повреждением цитоплазматической мембраны и рибосом. Гнилостные и многие патогенные микроорганизмы очень требовательны к влаге.

Осмотическое давление

Осмотическое давление определяет концентрация веществ во внешней по отношению к микроорганизму среде. Переход воды из окружающей среды в клетку возможен, если осмотическое давление в клетке больше, чем давление внешнего раствора. Нормальное давление в клетке обычно составляет 3-6 атм. В засоленных почвах, засахаренных средах (варенье, мёд) осмотическое давление может достигать 100 атм. Микроорганизмы, живущие в таких средах, приспособились к ним, выработав защитный механизм в виде повышения давления внутри клетки. Приспособление микроорганизмов к изменению осмотического давления называется осморегуляцией.

Осмотолерантными называются микроорганизмы, растущие в средах с высокими концентрациями веществ. Осмофильными называются микроорганизмы не только выдерживающие, но даже предпочитающие среду с повышенной концентрацией веществ. Галофильные (солелюбивые) микроорганизмы требуют для своего роста значительных концентраций хлорида натрия. Этим микроорганизмам требуются ионы натрия для стабильности клеточной мембраны и активности ряда ферментов. Такая потребность строго специфична (натрий нельзя заменить другими ионами). При уменьшении содержания хлорида натрия в среде клеточная стенка галофильных бактерий разрушается и клетки лизируются. Экстремальные галофилы могут существовать даже в концентрированных растворах поваренной соли. Галофилы являются обитателями соленых озер и морей. Большинство микроорганизмов обладает слабой устойчивостью к соли. Это гнилостные, кишечные, многие патогенные бактерии.

Гидростатическое давление

Баротолерантные (греч.baros – тяжесть) микроорганизмы – это такие, которые живут на больших глубинах и приспособились к высокому гидростатическому давлению. Они выдерживают также и нормальное атмосферное давление. Есть сведения и о барофильныхмикроорганизмах, растущих только на больших глубинах. На морских глубинах микроорганизмы выдерживают гидростатическое давление, обусловленное массой воды. Оно может достигать значительных величин. Наиболее глубокими (до 11022 м) являются зоны Тихого океана с гидростатическим давлением более 1000 атм. Гидростатическое давление влияет на активность ферментов и биохимические свойства микроорганизмов. Ослабленная ферментативная активность микроорганизмов в условиях высокого гидростатического давления совместно с низкой температурой является причиной того, что органический субстрат на дне океана разрушается значительно медленнее, чем на малых глубинах.

Механические сотрясения

Сильные и частые сотрясения губительны для микроорганизмов, а редкие и слабые даже стимулируют их развитие. Наиболее стойкие к механическим воздействиям подвижные бактерии, обитающие в проточной воде.

Ультразвук

Ультразвук – это высокочастотные звуковые колебания (выше 20 кГц). Под воздействием ультразвуковых колебаний в среде наблюдается кавитационный эффект, т.е. по ходу распространения ультразвуковых волн происходит быстро сменяющиеся разряжения и сжатия частиц среды. При этом возникает огромная разность давлений, что приводит к разрыву среды и образованию мельчайших полостей, заполненных парами и газами. Это, в свою очередь, приводит к разрыву клеточных оболочек и разрушению клеток. Возникающие при этом процессе химически активные соединения и ионизация усугубляют бактерицидный эффект ультразвука.Таким образом, действие ультразвука не только механически повреждает клетку, но приводит к механическим и функциональным изменениям. Наиболее чувствительны к ультразвуку молодые и крупные клетки. Ультразвук используется для стерилизации субстратов, повреждающихся при тепловой обработке. При обработке ультразвуком плотных пищевых продуктов возможно не только уничтожение микроорганизмов, но и повреждение клеток самого сырья. Хорошие результаты получаются при воздействии на жидкие продукты и воду.

Электричество

Длительное пропускание тока высокого напряжения может привести к электролизу компонентов среды. Образовавшиеся при этом соединения способны оказывать вредное воздействие на микроорганизмы. Прохождение электрического тока сопровождается выделением тепла, что влияет на микроорганизмы. Токи высокой и сверхвысокой частоты (токи ВЧ и СВЧ) обеспечивают быстрый прогрев среды до высоких температур сразу во всех точках (объемно). Кроме того, обеспечивается селективность (избирательность) прогрева в зависимости от строения и диэлектрических свойств.

Лучистая энергия

Лучистая энергия распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Радиоволны(длина волны более 1500 нм) не оказывают биологического действия. Инфракрасные волны (1500-760 нм) вызывают нагревание при адсорбции их организмом. Видимый свет (750-380 нм) и часть инфракрасных лучей (длина волны менее 1000 нм) действуют благоприятно только на фотосинтезирующие бактерии, являясь основным источником энергии. Такие микроорганизмы содержат бактериохлорофилл, к ним относятся пурпурные и зеленые бактерии. Все остальные бактерии лучше развиваются в темноте. Прямые солнечные лучи оказывают на них бактерицидное действие. Защитной реакцией микроорганизмов является образование пигмента.

Ультрафиолетовые лучи (380-200 нм) оказывают на микроорганизмы либо летальное, либо мутагенное действие. Наибольшим бактерицидным эффектом обладают УФ-лучи с длиной волны в районе 260 нм (80% приходится на 253,7 нм). УФ-лучи поглощаются пуриновыми и пиримидиновыми основаниями нуклеиновых кислот. Под их воздействием в молекуле ДНК происходит димеризация тимина – образование химической связи между остатками двух молекул тимина. Вследствие этого подавляется репликация ДНК и клетка теряет способность к делению. Проникающая способность УФ лучей незначительна. Довольно устойчивы а УФ лучам грибы. Многие микроорганизмы имеют специфические ферменты, которые могут исправлять ДНК, поврежденные УФ облучением. Эти ферменты активизируются видимым светом, поэтому процесс получил название фотореактивации.

Рентгеновские лучи в небольших дозах стимулируют развитие микроорганизмов, при больших дозах – вызывают их гибель. Быстрее всего гибнут вирусы, наиболее устойчивыми являются грибы.

Ионизирующая радиация также в основном действует на ДНК. Происходит ионизация клеточного вещества. образуются высокореактивные группы типа гидроксильных, которые взаимодействуя с белками вызывают интенсивный процесс окисления и разрушают внутриклеточные структуры. Гибельные дозы для микроорганизмов в сотни тысяч раз превосходят дозы для животных. Применение ионизирующего излучения в пищевой промышленности для подавления жизнедеятельности микроорганизмов называется радуризацией (лучевой пастеризацией). Применение ионизирующего излучения для уничтожения определенных видов патогенных микроорганизмов называется радиеидацией. Практически полное уничтожение микроорганизмов в облучаемом продукте (лучевая стерилизация) носит название радаппертизации, но при этом возникают нежелательные изменения.

Химические факторы

Реакция среды

Для жизнедеятельности микроорганизмов большое влияние имеет рН среды. Ацидофильными(кислотолюбивыми) называются микроорганизмы, хорошо развивающиеся при низких значениях рН. К ним относятся микроскопические грибы, уксуснокислые и молочнокислые бактерии. Существуют факультативные ацидофилы (дрожжи, грибы) и облигатные, неспособные к росту в нейтральных средах. Алкалифильными (щелочелюбивыми) называются микроорганизмы, хорошо развивающиеся при высоких значениях рН. Реакция среды оказывает влияние на образование и активность микробных ферментов. От реакции среды зависит устойчивость микроорганизмов к действию других факторов. В кислой среде усиливается отрицательное воздействие на микроорганизмы высоких температур (свертываемость белков при нагревании происходит легче). Отношение микроорганизмов к кислотности широко используется при консервировании пищевых продуктов (мариновании, квашении).

Кислород

Микроорганизмы различаются по своей потребности в молекулярном кислороде. Облигатные (строгие) аэробы для осуществления процессов метаболизма нуждаются в молекулярном кислороде. Облигатные (строгие) анаэробы не используют молекулярный кислород. Он для них токсичен. При выращивании анаэробов в лабораторных условиях используют специальные приборы – анаэростаты, из которых удаляется кислород воздуха или заменяется другим газом. Безкислородные условия можно создать также кипячением среды, химическими веществами, активно поглощающими кислород. Факультативные анаэробы могут жить как при отсутствии, так и при наличии кислорода в среде. К факультативным анаэробам относятся большинство сапрофитных и патогенных микроорганизмов. Микроаэрофилы составляют группу микро-организмов, живущих при низких концентрациях кислорода. Степень аэробности или анаэробности может быть охарактеризована количественно при помощи окислительно-восстановительного потенциала rН₂. Шкала rН₂ от 0 до 41 характеризует любую степень аэробности. При rН₂ = 0 – насыщение среды водородом, rН₂ = 41 – насыщение кислородом. Облигатные аэробы развиваются при rН₂ не ниже 10, однако и rН₂ выше 30 для них неблагоприятны. Облигатные аэробы защищаются от чрезмерного окисления выделением в среду сильных восстановителей. Облигатные анаэробы размножаются при rН₂ не выше 3-5, факультативные анаэробы–от 0 до 30.

Химические вещества

Действие химических веществ определяется природой химического вещества, его концентрацией и продолжительностью действия, биологическими свойствами микроорганизма. Воздействие химических веществ на микроорганизмы может быть - стимулирующим (способствующем росту и размножению, например, воздействие витаминов); микробостатическим (тормозящим рост и размножение); микробоцидным (убивающим).

Примером стимулирующего воздействия на микроорганизмы может служить действие на них витаминов, ростактивирующих веществ и пр. Химические вещества, губительно действующие на микроорганизмы, называются антимикробными. Из неорганических веществ сильным антимикробным действием обладают соли тяжелых металлов – ртути, серебра, свинца (убивают бактерии в разведении 10^-4 -10^-8 степени). Взаимодействуя с белками протоплазмы, они вызывают коагуляцию белков. Некоторые Антимикробные вещества инактивируют ферменты микроорганизмов. Сильные окислители (хлорная известь, пероксид водорода, йод), взаимодействуя с компонентами цитоплазматической мембраны, они вызывают усиленные окислительные процессы в клетке, приводящие к ее гибели. Среди органических соединений сильным антимикробным действием обладают этиловый спирт (коагулирует белок), формальдегид (связывает аминные группы аминокислот), фенол (растворяет липиды ЦПМ), карболовая кислота и др.

Антимикробные вещества, получившие широкое практическое применение для подавления патогенных микроорганизмов, называются дезинфицирующими, а их использование – дезинфекцией. Наибольшее применение для дезинфекции находят 0,5-5,0%-ная хлорная известь, 2%-ный раствор йода, водный раствор сулемы (в концентрации 10^-3), 1,5%-ный раствор карболовой кислоты.

Биологические факторы

Микроорганизмы в природных условиях входят составной частью в биоценоз(совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания с более или менее однородными условиями). В естественной среде микроорганизмы находятся в тесных сообществах, в которых они связаны между собой энергетическими цепями и испытывают взаимное влияние, конкурируя за источники питания и жизненное пространство. Взаимоотношения микроорганизмов в сообществах сложны и динамичны, что обусловлено постоянным изменением экологических условий, а также физиологической изменчивостью самих микроорганизмов. Формы взаимоотношения микроорганизмов между собой и с макроорганизмами можно разделить на две категории – симбиотические и антагонистические.