Микроорганизмы и окружающая среда

При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются. В целом ряде высушенных пищевых продуктов (рыба, мясо, фрукты и др.) хотя и имеется много живых микроорганизмов, но развиваться они не могут. При увлажнении высушенных продуктов начинается интенсивное размножение микроорганизмов, что часто приводит к порче продуктов.

Высушивание микроорганизмов в глубоком вакууме обеспечивает сохранение их в живом состоянии в течение многих лет, так как в клетках таких высушенных организмов биологические процессы резко замедлены. В настоящее время метод быстрого высушивания в условиях вакуума (в средах специального состава) широко используют для сохранения производственных и музейных культур микроорганизмов. Существует метод получения сухих культур микроорганизмов путем высушивания из замороженного состояния (—76°С) под высоким вакуумом. Этот процесс называется лиофилизация. Споры не только бактерий, но и других микроорганизмов хорошо переносят высушивание.

Влияние воды на развитие микроорганизмов связано с ее поверхностным натяжением. Последнее служит показателем силового ноля поверхности воды. Поверхностное натяжение воды при 20°С равно 7,3-10-2 Н/м.

Существует очень мало веществ, способных повышать поверхностное натяжение, но много — обусловливающих его понижение. Это так называемые поверхностно – активные вещества. Они снижают поверхностное натяжение благодаря тому, что не образуют с водой гомогенных растворов, а находятся на ее поверхности в значительно более высокой концентрации, чем в массе воды. Снижение поверхностного натяжения зависит непосредственно от соотношения концентрации этого вещества на поверхности и в массе воды.

Мыльные растворы или другие вещества, понижающие поверхностное натяжение, например алифатические спирты с длинной цепью или желчные кислоты, токсичны для микроорганизмов.

Снижение поверхностного натяжения питательных сред приводит к изменениям физиологических процессов в клетке микроорганизмов, что проявляется в изменении клеточной проницаемости (разрушение осмотического барьера), остановке процессов размножения и роста микроорганизмов.

На средах с низким поверхностным натяжением размножение некоторых видов бактерий приостанавливается, при этом образуются очень крупные деформированные клетки, задерживается или даже полностью прекращается образование спор. Ряд бактерий вообще не растет на средах с низким поверхностным натяжением.

Многие поверхностно - активные вещества добавляют к дезинфицирующим средствам для повышения их смачивающей способности. Например, смесь мыла (поверхностно - активное вещество), фенола и крезола (обладают бактерицидными свойствами) — весьма эффективное дезинфицирующее средство.

 

 

3.2 Температура.

 

Микроорганизмы лишены механизмов, регулирующих температуру, поэтому их существование определяется температурой окружающей среды. Как и для всех живых организмов, для них имеется свой температурный диапазон, ограниченный минимальными и максимальными температурами.

Микроорганизмы становятся недеятельными, если температура окружающей среды опускается несколько ниже 0°С, большинство их не может жить при температуре выше 40°С, в то же время некоторые размножаются при 70—75 и даже 105°С.

По отношению к температуре микроорганизмы могут быть разделены на группы.

Психрофилы (от греч. психрос — холод) — «холодолюбивые» организмы. К психрофилам относятся некоторые почвенные и морские бактерии, а также болезнетворные для рыб и водных растений микроорганизмы.

Многие психрофилы хорошо размножаются при температурах, благоприятных для мезофилов. Однако они могут расти, хотя и медленно, при 0°С и ниже, их называют факультативными психрофилами.

Другие микроорганизмы из этой группы приспособились к существованию при более низких температурах (около 0°С и ниже), при 25°С и выше они погибают. Температурный оптимум для них лежит между 5 и 15°С. Подобные микроорганизмы относят к облигатным психрофилам.

Выделяют и так называемых психротрофов, которые могут расти при 5°С или ниже независимо от максимальных или оптимальных для них температур роста.

Среди психрофилов имеются бактерии и грибы. Психрофилы встречаются главным образом в холодных районах земного шара с устойчивым температурным режимом.

Мезофилы (от греч. мезос — средний, промежуточный) имеют температурный оптимум 30—45°, а минимум 10—15°С. Большинство микроорганизмов относятся к этой группе, в том числе болезнетворные. Патогенные для человека и теплокровных животных микробы имеют оптимум около 37°С.

Термофилы (о греч. Термо — тепло) теплолюбивые микроорганизмы, развиваются в зоне высоких температур. Минимум не, ниже 35—40°С, оптимум 55—75°С. Облигатные термофилы не растут уже при 37°С, но факультативные формы способны развиваться при 30—35°С и даже при более низкой температуре.

Способность некоторых неспорообразующих бактерий горячих источников существовать при температурах от 40 до 93°С и выше дало основание для выделения этих организмов в новую группу экстремально - термофильных бактерий. Возможность существования термофилов при высокой температуре обусловлена особым составом липидных компонентов клеточных мембран, высокой термостабильностью белков и ферментов, термостабильностью клеточных ультраструктур.

В природе термофильные микроорганизмы обитают в горячих источниках и принимают непосредственное участие в процессах самонагревания навоза, сена, зерна и т. д.

Термофильные формы имеются у бактерий, актиномицетов, водорослей, грибов и простейших.

Микроорганизмы по-разному относятся к предельным (низким и высоким) температурам. Если низкие температуры, такие, как —190°С (жидкий воздух) или —252°С (жидкий водород), микробные клетки переносят, после размораживания сохраняя способность к росту, то под влиянием высоких температур они довольно быстро погибают. Высокие температуры (60°С и выше) вызывают коагуляцию белков и инактивацию ферментов у психрофильных и мезофильных микроорганизмов. Обычно при 60—70°С погибают вегетативные клетки этих организмов. Споры бактерий могут выдерживать температуру кипения воды в течение нескольких часов.

Нагревание до температуры 100—120°С используют в микробиологии для полного уничтожения вегетативных форм микроорганизмов и их спор. Это наиболее удобный и надежный способ стерилизации различных предметов (лат. sterilis — бесплодный). Имеется несколько способов стерилизации с использованием высокой температуры. Наиболее широко применяется стерилизация сухим жаром (для сухих объектов) при температуре 160°С в течение 2 ч и стерилизация паром в автоклаве (для влажных объектов) при 120°С в течение 15—20 мин.

 

 

3.3 Кислотность  среды.

 

Реакция среды, в которой обитают микроорганизмы, оказывает на них большое влияние. Это один из наиболее важных факторов, от которых зависит рост и размножение микроорганизмов, так как он определяет доступность для организма различных веществ и неорганических ионов.

Напомним, что активная реакция среды является функцией ионов водорода, их активности и концентрации. Кислотность среды выражается символом pH. Значения pH лежат в интервале от О до 14 и представляют собой десятичный логарифм концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком. Значения pH кислых сред находятся в пределах 0—6, щелочных — 8—14, нейтральная точка соответствует pH 7,07.

Для большинства микроорганизмов оптимальное значение pH — около 7. Очень кислая или очень щелочная реакция среды обычно токсичны для бактерий. Предельные значения pH, выше и ниже которых известные в настоящее время микроорганизмы прекращают рост и размножение, приблизительно равны 1 и 11. При pH 1 могут существовать лишь немногие бактерии и грибы, при pH 11 — только некоторые водоросли, грибы и бактерии. За редкими исключениями, бактерии не способны расти при pH ниже 4. Большая часть бактерий не размножается при pH выше 9. Следовательно, диапазон pH, при котором они развиваются, колеблется в пределах 4—9.

Имеются бактерии, которые лучше растут при щелочной реакции (pH 10 и выше). Такие организмы называютсяАлкалофильными. Найдены также бактерии, способные развиваться в очень кислой среде, это ацидофильные микроорганизмы. Они облигатно нуждаются для роста в очень низких значениях pH (3 и менее).

Некоторы микроорганизмы (например, молочнокислые, маслянокислые и др.) производят так много кислоты в процессе обмена веществ, что это приводит к остановке роста, а иногда и к гибели их.

Известны микроорганизмы, которые растут при экстремальных значениях pH. Например, представитель облигатных экстремальных ацидофилов Thiobacillus thiooxidans может развиваться при pH 0,9—4,5 (оптимум 2,5).

Грибы и дрожжи хорошо размножаются и при низком (pH 2—3), и довольно высоком значении pH (8—10). Многие грибы предпочитают кислую среду, и имеют тенденцию расти лучше при pH 5—6.

Значительная часть бактерий, несмотря на то, что не растет при pH ниже 4,5, может выносить такие низкие pH, как 1 или даже 0,1, не подвергаясь заметному отрицательному влиянию. Это так называемые кислотоустойчивые микроорганизмы. К ним принадлежат тионовые бактерии, окисляющие сероводород и серу, а также некоторые другие микроорганизмы.

Среди бактерий обнаружено несколько организмов, устойчивых к щелочной среде с pH 10 и выше. Сюда следует отнести Bacillus pasteurii, бактерию, расщепляющую мочевину и хорошо растущую при pH, близком к 11. Выделены и другие бациллы, очень устойчивые к щелочной среде.

В процессе своей жизнедеятельности некоторые микроорганизмы могут не только подкислять среду, но и вырабатывать щелочные продукты. Например, при разложении мочевины и белков образуется аммиак, подщелачивающий среду.

Отрицательно влияние кислотности среды на большинство микроорганизмов используется в практике консервирования пищевых продуктов, при приготовлении маринадов, силоса, квашеной капусты и т. д.

Влияние кислорода. Большинству живых существ необходим кислород. Микроорганизмы, нуждающиеся для жизни в кислороде, получили название облигатных (строгих) аэробов. К ним относится большая часть бактерий и грибов.

Некоторые микроорганизмы совсем не используют кислород. Это анаэробы. Они бывают двух типов: облигатные анаэробы, для них кислород токсичен, и аэротолерантные анаэробы, которые не погибают при контакте с кислородом.

Токсичность кислорода для облигатных анаэробов определяется тем, что эти организмы не имеют окислительных ферментов супероксиддисмутазы и каталазы, обычно содержащихся в клетках аэробов и аэротолерантных анаэробов и защищающих организм от токсичных продуктов кислородного обмена (Н2О2 и др.). К облигатным анаэробным микроорганизмам относятся, например, бактерии рода Clostridium, ряд представителей которого может фиксировать азот атмосферы, вызывать некоторые болезни (газовую гангрену и т. д.), а также анаэробные актиномицеты.

Существуют факультативные анаэробы — микроорганизмы, имеющие анаэробный тип метаболизма, но в то же время нечувствительные к кислороду. К ним относятся некоторые кишечные бактерии, представители рода Serratia и др. Факультативно анаэробные микроорганизмы в зависимости от условий среды могут иметь или окислительный, или бродильный тип обмена. Так, многие дрожжи способны при доступе воздуха окислять сахар до СО2 и Н2О, а в анаэробных условиях они вызывают спиртовое брожение. Сахар при этом превращается в этиловый спирт и углекислоту.

К факультативно-анаэробным бактериям относятся представители родов Bacillus, Vibrio, Escherichia, патогенные бактерии из родов Salmonella, Shigella, Staphylococcus и др.

В природе имеются микроорганизмы, удовлетворяющиеся небольшими количествами кислорода,— микроаэрофилы. Они лучше растут при парциальном давлении кислорода, значительно более низком, чем в воздухе.

 

 

3.4 Гидростатическое  давление.

 

Обычное давление не оказывает существенного влияния на микробные клетки. Однако очень высокое гидростатическое давление может остановить рост микробов. Так, при давлении выше 5-107 Па большинство микроорганизмов не растут.

Умеренное давление (1-107—5-107 Па) обычно угнетает рост и размножение микроорганизмов. В то же время существуют микроорганизмы, обитающие в грунтах и водах океана, которые могут размножаться при высоком давлении. Многие из этих микроорганизмов совершенно не размножаются при обычном атмосферном давлении, их называют барофильными. Существуют также баротолерантные микроорганизмы, которые размножаются при нормальном атмосферном давлении, но хорошо переносят высокое давление.

В настоящее время возникло новое направление в микробиологии—баробиология микроорганизмов, которая изучает роль гидростатического давления как экологического фактора, оказывающего влияние на распространение и активность микроорганизмов в глубине морей и океанов.

 

 

 

3.5 Химические  факторы.

 

Химические ядовитые вещества, попадая в бактериальную клетку, взаимодействуют с теми или иными важными составными компонентами ее и нарушают функции бактерий. Это приводит к остановке роста организма (бактериостатический эффект) или его гибели (бактерицидный эффект).

Действие химических веществ на микроорганизмы зависит от природы вещества, особенностей микроорганизма и факторов внешней среды, таких как температура, состав среды, время воздействия и т. д.

По характеру действия химические соединения делят на несколько групп:

• Поверхностно-активные вещества — жирные кислоты, мыла, детергенты, вызывающие повреждение клеточной стенки; фенол, крезол и их производные, не только повреждающие клеточную стенку, но и воздействующие на белки цитоплазмы;
• Акридины (вещества типа дибензопиридина), обладающие сродством к нуклеиновым кислотам и нарушающие процессы клеточного деления; Формальдегид (40%-ный раствор формалина), вызывающий денатурацию белков;
• Соли тяжелых металлов, приводящие к коагуляции белков, а поэтому обусловливающие гибель не только микроорганизмов, но и вирусов.