Физико-химические факторы внешней среды

Жизнедеятельность микроорганизмов, как и любых других существ, теснейшим образом связана с факторами внешней среды, которые могут лимитировать их развитие в той или иной степени, обеспечивая преимущество в развитии наиболее приспособленным видам.

К физическим факторам, регулирующим рост и развитие микроорганизмов, относятся температура, влажность, различные виды лучистой энергии, электрический ток и др. Рассмотрим влияние каждого из них на жизнедеятельность микроорганизмов.

Температура. По отношению к этому фактору микроорганизмы подразделяются на три группы:

• психрофилы, нижняя граница роста которых находится около 0 ⁰С. Выделяют факультативные и облигатные психрофильные микроорганизмы. Факультативные (иерсинии, некоторые штаммы псевдомонад, клебсиеллы пневмонии и др.) могут переносить температуру +30 ⁰С и даже развиваться при ней. У облигатных психрофилов, обитающих в арктических и антарктических водах, ледяных пещерах, почвах вечной мерзлоты, для которых характерны медленно протекающие процессы биосинтеза и биодеградации, верхняя граница роста соответствует 20 ⁰С, оптимальная зона 10–15 ⁰С;

• мезофилы (большинство сапротрофов, а также возбудителей болезней человека и животных), температурные границы роста которых находятся в пределах 20–45 ⁰С (оптимум – 35–37 ⁰С). Нижняя граница температуры покоя и смерти в зависимости от видовой принадлежности и формы существования у этих микроорганизмов начинается от 20 ⁰С и простирается до глубоких минусовых температур. Верхняя граница зоны покоя начинается с 40–45 ⁰С. Верхняя граница зоны смерти у вегетативных форм большинства видов равна 60–70 ⁰С при часовой экспозиции, у спор во влажной среде – 100–130 ⁰С при получасовой экспозиции, в сухой среде – 180 ⁰С также при получасовой экспозиции. Мезофилы обитают в организме теплокровных животных, в почве, воде, других средах, содержащих достаточное количество влаги и питательных веществ в пределах своей температурной зоны роста;

• термофилы, нижняя граница роста которых выше 45 ⁰С. Выделяют термотолерантные, облигатные и факультативные термофильные микроорганизмы. Оптимальная зона роста термофилов равна 45–50 ⁰С, но они могут расти и при более низких температурах (до 30 ⁰С). Зона роста факультативных термофилов соответствует 5–55 ⁰С, но задержанный рост может наблюдаться при более низких температурах. Температурные границы роста облигатных термофилов равны 45–93 ⁰С. Предельные температуры роста простейших находятся в границах 56 ⁰С, водорослей – 55–60 ⁰С, грибов – 60–62 ⁰С, фотобактерий – 70–72 ⁰С, хемолитотрофов и гетеротрофов – выше 90 ⁰С. Архебактерии могут размножаться в средах с температурой в несколько сотен градусов, но не растут при 100 ⁰С. Облигатные термофилы обитают в кипящих и горячих водоисточниках, промышленных и бытовых водах, самовозгорающихся материалах, конденсатах паровых труб.

Итак, некоторые микроорганизмы способны жить в достаточно широком температурном интервале, другие же предпочитают строго определенную температуру. Так, термофильные микроорганизмы плохо переносят холод, а холодолюбивые, напротив, не выносят высоких температур. Чаще всего это связано с фактором устойчивости их ферментативных систем и клеточных органелл, эволюционно приспособленных к определенным условиям существования.

Высокую температуру обычно не переносят неспорообразующие бактерии, их гибель ускоряется при повышении температуры: при 60 ⁰С бактерии тифа погибают уже через 21 с и только спустя 2 ч при 47 ⁰С. Под действием высоких температур в клетках микроорганизмов последовательно происходят изменения: выделение из клетки РНК; нарушение активности ферментативных систем; денатурация белков и, наконец, необратимая деградация практически всех клеточных структур. Высокая температура лежит в основе приемов пастеризации и стерилизации.

Влажность. Бактерии нормально живут и размножаются при влажности среды 20 %. При этом для большинства микроорганизмов оптимальная влажность, при которой усиливается их размножение, около 60 %.

В то же время высушивание среды обитания губительно отражается на их развитии, так как вслед за обезвоживанием и почти полным прекращением обменных процессов клетки микроорганизмов могут впасть в состояние анабиоза. На отрицательном отношении большинства микроорганизмов к снижению влажности окружающей среды основано сохранение пищевой продукции. И все же, несмотря на негативное влияние высушивания, многие микроорганизмы способны длительное время сохранять свою жизнеспособность и без длительного доступа воды. Примером могут служить микобактерии туберкулеза, которые способны оставаться жизнеспособными в высохшей мокроте больного в течение 10 месяцев. На свойстве микроорганизмов длительное время сохранять свою жизнеспособность в высушенном состоянии основан метод сублимации, направленный на сохранение музейных культур микроорганизмов и заключающийся в их обезвоживании при низкой температуре под вакуумом.

Лучистая энергия. Различные ее виды по-разному отражаются на жизнеспособности микроорганизмов:

• прямой солнечный свет способствует уничтожению большинства представителей микроорганизмов, за исключением фототрофов, использующих световую энергию для своей жизнедеятельности;

• ультрафиолетовое облучение (УФО) обладает выраженным бактериостатическим и бактерицидным действием, в связи с чем его широко применяют при стерилизации оборудования, посуды, воздуха, воды, пищевых продуктов. Основной причиной гибели клеток микроорганизмов при ультрафиолетовом воздействии является нарушение биосинтеза белков, что происходит вследствие образования в молекуле ДНК димеров тимина (Т-Т) и подавления механизма ее репликации (удвоения);

• лучи рентгена и радия при непродолжительном воздействии способны стимулировать жизнедеятельность микробных клеток. Наибольшей устойчивостью к этому виду облучения обладают Грам⁺ бактерии. Кроме того, активно противостоят ему спорообразующие бактерии, а также вирусы и риккетсии.

Лучистая энергия применяется там, где невозможно применение других средств стерилизации. Стерилизацию пищевых продуктов чаще всего осуществляют посредством применения ламп ультрафиолетового облучения с длиной волны  = 253,7 нм.

Электрический ток. Губительное воздействие электрического тока на клетки микроорганизмов связано с явлением электролиза и действием вредных для микроорганизмов окисленных продуктов (кислорода, хлора и его производных, а также кислот), образующихся при прохождении электротока через среду их обитания. Наиболее опасны для микроорганизмов токи ультравысокой частоты (УВЧ), так как обладают выраженным тепловым эффектом.

Ультразвуковое воздействие (УЗВ) – высокочастотные колебания звуковых волн (более 20 кГц), обладают ярко выраженным звуковым действием, вызывающим необратимые физико-химические изменения молекул и механические повреждения всех органелл микробной клетки, что позволяет использовать УЗВ для стерилизации субстратов, повреждающихся при тепловой обработке.

Бактерицидный эффект ультразвука усиливается при насыщении подвергающегося УЗВ объекта воздухом, азотом, кислородом и другими газами, так как это усиливает эффект кавитации (от лат. cavitas) – образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), обеспечивающих разрыв жидкости. В то же время бактерицидный эффект от УЗВ уменьшается, если явление кавитации подавляется, что происходит при дегазации или погружении объекта в вязкую среду.

К УЗВ чувствительны все микроорганизмы, в том числе и спорообразующие, но по степени чувствительности к этому фактору они значительно отличаются. Среди патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость к УЗВ выявили у Mycobacterium tuberculosis. Довольно устойчивы к УЗВ представители родов Sarcina и Saccharomyces. В то же время действие УЗВ плохо переносят и легко разрушаются Proteus vulgaris, Pseudomonas fluorescens, Staphylococcus aureus, Bacillus anthracis, Salmo­nella typhimurium.

Действие УЗВ сводится не только к механическим повреждениям бактериальных клеток. В результате ультразвукового воздействия наблюдаются биохимические и функциональные изменения, приводящие не к гибели микроорганизма, а к высвобождению в клетке биологически активных веществ (витаминов, ферментов). В связи с этим УЗВ используют для получения отдельных клеточных компонентов и изучения их структуры и функций. Кроме того, у этих микроорганизмов могут появиться нехарактерные ферменты, обеспечивающие изменение физиологических отправлений. Так, у Saccharomyces haemoliticus, подвергнутого воздействию УЗВ частотой в 800 кГц в течение 10 мин, в 2–5 раз возрастала чувствительность к пенициллину

Гидростатическое давление. Большинство микроорганизмов способно выдерживать давление воды Р = 650 кг/см² в течение часа. При Р = 1100 кг/см² клетки микроорганизмов погибают вследствие денатурации белковых структур, инактивации ферментов и увеличения вязкости цитоплазмы. Но существуют бактерии, обладающие устойчивостью к высокому уровню гидростатического давления. Они обнаружены на глубине мирового океана (9 км), где Р достигает 1160 кг/см².

Действие механических сотрясений отрицательно отражается на жизнедеятельности микроорганизмов, причем их эффект усиливается при предварительном замораживании. Подобное происходит в быстротекущих холодных горных реках, благодаря чему осуществляется их самоочищение.

Действие химических веществ. Движение микроорганизмов к поступившему в среду их обитания химическому веществу – положительный хемотаксис, движение в обратную сторону от вещества-раздражителя – отрицательный хемотаксис. Положительный хемотаксис микроорганизмы проявляют на вещества, которые активно используют в своих физиологических проявлениях. Среди них: пептон, растворы сахаров, мясной экстракт и т.п.

Ядовитые для микроорганизмов вещества (кислоты, спирты, щелочи, хлорпроизводные, формалин, фенол, перекись водорода и другие) называются антисептиками. Природа их бактериостатического действия различна. Так, кислоты и щелочи гидролизуют белки клеточных структур; формалин способен присоединяться к аминогруппам белков, тем самым разрушая их; фенол и спирты денатурируют белки цитоплазмы; такие окислители, как перекись водорода и хлорпроизводные нарушают течение ферментативных реакций, связанных с процессами окисления.

Действие повышенной концентрации солей. При повышении концентрации солей в среде обитания микроорганизмов нарушаются процессы обмена между клетками и внешней средой: вода выходит из клетки, вследствие чего развивается явление плазмолиза (отставание цитоплазмы от клеточной стенки и цитоплазматической мембраны) и приостанавливается поступление питательных веществ через эти структуры. Бактерицидное действие солей на микроорганизмы нашло свое применение в пищевой промышленности (соление мяса и рыбы впрок). Наряду с этим существуют бактерии, способные активно развиваться в условиях высокой концентрации солей, их называют галофилами.

рН среды. Этот фактор позволяет разделить микроорганизмы на 3 большие группы:

• ацидофилы (кислотолюбивые), оптимальный уровень рН для которых находится в интервале 3,0–6,0. К ним относятся грибы, молочнокислые бактерии и др.;

• нейтрофилы, живущие в интервале рН 6,5–7,5. К ним относится большинство бактерий (бактерии группы кишечных палочек – БГКП, стрептококки, сальмонеллы и большинство патогенных бактерий);

• алкалофилы (щелочелюбивые), рН среды обитания превышает 7,5. В эту группу входит холерный вибрион, Bacillus cereus и др.

Кроме этого, различают кислото- и щелочетолерантные (толерантность – устойчивость) бактерии, способные жить в широком интервале рН от 4,0 до 9,0. К первым относят молочнокислые бактерии, ко вторым – энтеробактерии.