Влияние абиотических и биотических факторов на микроорганизмы

Весь живой органический мир представляет собой единство живых организмов и соответствующих условий внешней среды. Под внешней средой понимается совокупность различных фак­торов, воздействующих на организм. К числу таких факторов относятся, например, условия питания и дыхания, влияние дру­гих организмов и т. д.

Условия внешней среды являются ведущими в развитии всего органического мира, ибо всякое живое тело возникло и продолжает строить себя из определенных условий внешней среды.

Активной стороной развития является живой органический мир. Он активно избирает из внешней среды то, что нужно ему для развития, и также активно противодействует влиянию чуждых ему условий.

Какие же условия внешней среды следует считать наиболее благоприятными для живого организма? Такими условиями являются те, из которых и при которых впервые возник орга­низм. Иными словами, каждый организм для своего инди­видуального развития нуждается в тех же условиях, при которых протекало развитие предшествовавших поколений дан­ного вида.

Изменение условий внешней среды в большей или меньшей степени отражается на живом организме и вызывает с его сто­роны активное противодействие изменяющему влиянию. В этом проявляется консерватизм живой природы, ее стремление сохранить свои наследственные свойства. Консерватизм наследствен­ности является результатом слаженности физиологических про­цессов в организме, он обеспечивает устойчивость видов орга­низмов и препятствует их изменению под влиянием условий внешней среды.

Тем не менее, несоответствие внешних условий данному орга­низму может привести либо к его отмиранию, либо к изменению его прежних свойств и приобретению новых. В последнем случае возникшие под воздействием внешних фак­торов изменения в организме позволяют ему приспособиться к создавшимся условиям и таким образом выжить. Эти измене­ния могут быть незначительными и утрачиваться при устра­нении вызвавшей их причины.

Если изменения глубоки и значительны, а условия внешней среды продолжают поддерживать их, то новые свойства могут устойчиво закрепиться в организме и передаваться по наслед­ству поколениям. Эти новые свойства становятся таким обра­зом наследственными, т. е. присущими организму по природе.

Приобретенными под воздействием условий среды свой­ствами объясняется способность одних микроорганизмов успеш­но развиваться в местах жаркого климата, других - в поляр­ных широтах, третьих - в соленых озерах и т. д.

Приспособление организмов к изменившимся условиям жизни и передача вновь приобретенных признаков потомству представляют собой закон живой природы. В соответствии с ним происходит развитие всего органического мира. Опираясь на этот закон, человек путем искусственного отбора и направ­ленного воспитания получает животные организмы, растения и микроорганизмы с различными полезными свойствами. Осо­бенно податливы в этом отношении микроорганизмы, так как им свойственны сравнительно легкая приспособляемость к среде обитания и быстрота размножения, позволяющая за короткое время вырастить большое количество поколений.

Изучение закономерностей изменчивости микроорганизмов имеет большое практическое значение, так как с каждым годом расширяется их промышленное использование. Наряду с поис­ками новых микроорганизмов, находящихся в природе, и улуч­шением качества уже применяющихся производственных рас микроорганизмов важное значение приобретает выведение но­вых рас с заранее заданными свойствами.

Мичуринское учение о возможности преобразования при­роды в нужном для человека направлении открывает широкие перспективы в области выведения ценных рас микроорганизмов. В результате воздействия на микроорганизмы различными факторами внешней среды можно расшатать их наследственные свойства и умелым подбором соответствующих условий полу­чить виды с нужными признаками.

Таким путем получено немало ценных для производственных целей микроорганизмов. Выведены дрожжи, более активно сбраживающие различные сахара; спиртоустойчивые дрожжи, дающие больший выход спирта; дрожжи, ведущие брожение при высоких концентрациях сахара; уксуснокислые бактерии, выдерживающие повышенную концентрацию уксусной кислоты при ее получении с помощью этих бактерий, и т. д.

Методом направленного воспитания получены культуры ряда болезнетворных бактерий, утративших способность вызывать заболевания. Из таких культур ослабленных бактерий приго­тавливают лечебные препараты (вакцины) против соответ­ствующих заразных болезней (сибирской язвы, бруцеллеза, ту­ляремии и др.).

Воздействием различных факторов внешней среды на мик­роорганизмы можно подавить их жизнедеятельность или вы­звать их гибель, что очень важно для сохранения качества про­довольственных товаров.

Таким образом, изучение влияния различных факторов внешней среды на микроорганизмы имеет большое значение как с точки зрения промышленного использования микроорганиз­мов, так и борьбы с вредными представителями микромира.

Условия или факторы внешней среды, оказывающие влияние на жизнедеятельность микробов, подразделяются на физиче­ские, химические и биологические.

Влияние физических факторов

К числу физических факторов, оказывающих воздействие на микроорганизмы, относятся температура, влажность среды, концентрация растворенных веществ в среде, свет, электромаг­нитные волны и ультразвук.

Температура

Это один из важнейших факторов внешней среды. Все микроорганизмы могут развиваться только в опре­деленных пределах температуры.

Наиболее благоприятная для микроорганизмов температура называется оптимальной. Она находится между крайними тем­пературными уровнями – температурным минимумом (низшей температурой) и температурным максимумом (высшей темпе­ратурой), при которых еще возможно развитие микроорганизмов.

Так, для большинства сапрофитов температурный оптимум составляет около 30°С, температурный минимум 10°С, макси­мум 55°С. Следовательно, при охлаждении среды до температуры ниже 10°С или при нагревании ее свыше 55°С развитие сап­рофитных микроорганизмов прекращается. Этим объясняется, что сапрофиты вызывают быструю порчу пищевых продуктов в теплое время года или в теплом помещении.

Для других микроорганизмов температурный оптимум мо­жет быть значительно ниже или выше. В зависимости от того, в каких пределах находится оптимальная для микробов темпе­ратура, все они подразделяются на три группы: психрофилы, термофилы и мезофилы.

Психрофилы (хладолюбивые микроорганизмы) хорошо раз­виваются при сравнительно низких температурах. Для них оптимум составляет около 10°С, минимум от - 10 до 0°С и макси­мум около 30°С. К психрофилам относятся некоторые гнилостные бактерии и плесени, вызывающие порчу продуктов, хранящихся в холодильниках и ледниках.

Психрофильные микроорганизмы живут в почве полярных районов и водах холодных морей.

Термофилы (теплолюбивые микроорганизмы) имеют темпе­ратурный оптимум примерно в 50°С, минимум около 30°С и макси­мум в пределах 70-80°С.

Такие микроорганизмы обитают в горячих водных источни­ках, самосогревающихся массах сена, зерна, навоза и т. д.

Мезофилы лучше всего развиваются при температуре около 30°С (оптимум). Температурный минимум для этих микроорга­низмов составляет 0-10°С, а максимум доходит до 50°.

Мезофилы представляют наиболее распространенную группу микроорганизмов. К этой группе относится большинство бакте­рий, плесневых грибов и дрожжей. Возбудители многих заболе­ваний также являются мезофилами.

Микроорганизмы по-разному реагируют на колебания тем­пературы. Некоторые из них очень чувствительны к отклонению температуры от оптимальной (многие бактерии, в том числе болезнетворные), другие же, наоборот, могут хорошо разви­ваться в широких температурных пределах (многие плесневые грибы и некоторые гнилостные бактерии). Следует заметить, что грибы вообще менее требовательны к условиям среды, чем бактерии.

Понижение температуры от точки оптимума на микроорга­низмах сказывается значительно слабее, чем повышение ее к максимуму.

Падение температуры ниже минимума обычно не приводит микробную клетку к гибели, а замедляет или приостанавливает ее развитие. Клетка переходит в состояние анабиоза, т. е. скры­той жизнедеятельности, наподобие зимней спячки многих жи­вотных организмов. После повышения температуры до уровня, близкого к оптимальному, микроорганизмы вновь возвращаются к нормальной жизнедеятельности.

Некоторые плесневые грибы и дрожжи сохраняют жизне­способность после продолжительного воздействия температуры - 190°С. Споры некоторых бактерий выдерживают охлаждение до - 252°С.

Однако далеко не всегда микроорганизмы сохраняют жизне­способность после воздействия низких температур. Клетка мо­жет погибнуть вследствие нарушения нормальной структуры протоплазмы и обмена веществ. Особенно неблагоприятно для микробной клетки многократное замораживание и оттаива­ние.

Низкие температуры широко применяются в практике хра­нения продовольственных товаров. Продукты хранят в охла­жденном (от 10 до 2°С) и замороженном (от 15 до 30°С) состоянии.

Сроки хранения охлажденных продуктов не могут быть про­должительными, так как развитие на них микроорганизмов не прекращается, а только замедляется.

Замороженные продукты сохраняются более продолжитель­ное время, поскольку развитие на них микроорганизмов исклю­чено. Однако после оттаивания такие продукты могут быстро испортиться вследствие интенсивного размножения сохранив­ших жизнеспособность микроорганизмов.

Повышение температуры от точки оптимума оказывает рез­кое влияние на микроорганизмы. Нагревание свыше темпера­турного максимума приводит к быстрой гибели микробов. Боль­шинство микроорганизмов погибает при температуре 60-70°С через 15-30 минут, а при нагревании до 80-100°С - в течение от нескольких секунд до 3 минут.

Споры бактерий выдерживают нагревание до 100° в течение нескольких часов. Для уничтожения спор прибегают к нагрева­нию до 120° в течение 20-30 минут.

Причиной гибели микроорганизмов при нагревании являет­ся, главным образом, свертывание белковых веществ клетки и разрушение ферментов.

Губительное действие высоких температур используется при консервировании продуктов путем пастеризации и стерилизации.

Пастеризация представляет собой нагревание продукта при температуре от 63 до 75°С в продолжение 30-10 минут (дли­тельная пастеризация) или от 75 до 93°С в течение нескольких секунд (короткая пастеризация). В результате пастеризации уничтожается большинство вегетативных клеток микробов, а споры остаются живыми. Поэтому пастеризованные продукты надо хранить на холоде, чтобы предотвратить прорастание спор. Пастеризации подвергают молоко, вино, фруктовые, овощ­ные соки и другие продукты.

Стерилизация означает нагревание продукта при тем­пературе 120°С в течение 10-30 минут. Во время стерилизации, которая проводится в специальных автоклавах, погибают все микроорганизмы и их споры. Вследствие этого стерилизованные продукты в герметической таре могут сохраняться годами.

Стерилизация применяется при изготовлении мясных, рыб­ных, молочных, фруктовых и других консервов.

Влажность среды

Она играет важную роль в жизнедеятель­ности микроорганизмов. В клетках микроорганизмов содер­жится до 85% воды. Все процессы обмена веществ протекают в водной среде, поэтому развитие и размножение микроорганиз­мов возможно только в среде, содержащей достаточное количе­ство влаги.

Уменьшение влажности среды приводит сначала к замедле­нию размножения микробов, а затем к его полному прекраще­нию.

Развитие бактерий останавливается при влажности среды, равной примерно 25%, а плесеней – около 15%.

В высушенном состоянии микроорганизмы могут сохранять жизнеспособность в течение длительного времени. Особенно устойчивы к высушиванию споры, которые сохраняются в вы­сушенном состоянии многие годы.

На высушенных средах микроорганизмы не проявляют своей жизнедеятельности. На этом основано консервирование пище­вых продуктов методом высушивания. Сушке подвергают пло­ды, овощи, грибы, молоко, хлеб, мучные кондитерские изделия и т. д.

При увлажнении высушенных продуктов они подвергаются быстрой порче вследствие бурного развития на них сохранив­ших жизнеспособность микроорганизмов. Сушеные продукты обладают способностью воспринимать влагу из окружающего воздуха, поэтому при их хранении надо следить, чтобы относи­тельная влажность воздуха не превышала определенной вели­чины.

Под относительной влажностью воздуха понимается выра­женное в процентах отношение фактического количества влаги в воздухе к тому количеству, которое полностью насыщает воз­дух при данной температуре. Развитие плесневых грибов на сушеных продуктах становится возможным, если относительная влажность воздуха превышает 75-80%.