Химические факторы, влияющие на процессы биоповреждений

1.Химические  факторы, влияющие на процессы  биоповреждений.

Источники питания. Для того, чтобы микроорганизмы могли расти и размножаться, в среде необходимо присутствие доступных источников энергии и исходных материалов для биосинтеза. Обмен веществ с окружающей средой состоит из двух основных процессов: биосинтеза веществ клетки (конструктивный обмен) и получения энергии (энергетический обмен). Оба процесса протекают в организме в виде сопряженных химических реакций, при этом иногда используется одно и тоже соединение.

Метаболизм включает поступление  веществ в клетку и выделение продуктов обмена из организма в окружающую среду.

Какие вещества необходимы микроорганизмам для роста в  первую очередь, видно из химического состава клетки. Как уже упоминалось, 80 — 90% общей массы клеток приходится на долю воды, поэтому ее присутствие в окружающей среде в доступной форме необходимо. В состав сухого вещества клетки в наибольшем количестве (95 %) входят шесть элементов, называемых органогенами: С, N, P, S, Н, О.

Почти все организмы  нуждаются также в Fe, Mn, Mg, Cu, C1, К, Са, Zn, Na и др. Количества этих элементов, необходимых для роста, очень малы — от 0,3 до 1 %, поэтому их называют микроэлементами, или следовыми элементами.

Источники углерода. В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода микроорганизмы делят на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от лат. autos — сам, trophe — пища) используют в качестве единственного или главного источника углерода для синтеза органических веществ двуокись углерода (СО₂). Биосинтез органических веществ из СО₂ протекает с потреблением энергии. Одни автотрофы в этих целях используют световую энергию, другие используют энергию химических реакций окисления неорганических соединений.

Гетеротрофы (от лат. heteros — другой, trophe — пища) в качестве источника углерода используют в основном органические соединения. Необходимую энергию они получают путем окисления органических соединений. Для гетеротрофов характерной особенностью является то, что для энергетического и конструктивного обмена часто используется одно и то же соединение, тогда как для других групп организмов существует различие между источником энергии и углерода.

Гетеротрофы — это сложная  и большая группа микроорганизмов. Они подразделяются на сапротрофы — организмы, растущие на отмерших растительных и животных остатках, и паразиты, — питающиеся за счет живых организмов.

Микробы-паразиты живут  в теле другого организма —  хозяина—и питаются веществами его тела. К паразитам относятся возбудители заболеваний человека, животных и растений.

Сапрофиты разлагают различные  органические вещества в природе. Микроорганизмы, вызывающие повреждения промышленных материалов, относятся в большинстве случаев к сапрофитам, хотя среди них имеются виды, вызывающие одновременно и болезни растений. Например, в условиях прохладного влажного лета на образцах ситаллов были обнаружены колонии видов рода Aternaria, идентичные возбудителям альтернариоза помидоров.

Многие сапрофиты всеядны, т. е. способны использовать разнообразные органические соединения, некоторые проявляют выраженную специфичность (избирательность) в отношении источника углерода. Существуют и такие, которые нуждаются в каких-либо определенных соединениях, их называют субстрат-специфичными микроорганизмами.

К микроскопическим грибам, которые могут использовать самые  разнообразные углеродсодержащие  субстраты, относятся Aspergillus niger, A.flavus, A. versicolor, Trichoderma viride, Penicillium chrysogenum, Alternaria и др. Они способны осуществить окисление любого природного органического соединения. Примером «многоядного» гриба может служить A.flavus. Грибы этого вида выделены из разнообразных пищевых продуктов (зерно, хлебопродукты, сухофрукты, мясо, орехи, овощи), а также из кожаных изделий, бумажной массы, металлических изделий, лакокрасочных покрытий, текстильных изделий, фекалий насекомых, кишечного тракта человека.

Существуют и более  специализированные формы, приспособившиеся к окислению небольшого числа соединений, например, использующие в качестве основного источника углерода целлюлозу. В связи с этим повреждающее действие таких микроорганизмов распространяется главным образом на промышленные изделия с целлюлозной основой (бумага, древесина, ткани и др.).

Использование углеводородов  нефти и нефтепродуктов: бензина, керосина, масла, асфальта и других наиболее характерно для Cladosporium resinae, который в научно-популярной литературе называется «керосиновым» грибом.

Ряд грибов {A.flavus, A. niger) способен использовать такие устойчивые соединения, как воска и парафины. Известно, что бумага с парафинированным слоем, широко используемая во многих технологических циклах, в пищевой промышленности легко поражается грибом A.flavus и теряет при этом водоотталкивающие свойства. Грибы, использующие воска, разрушают произведения искусства, в состав которых входит этот компонент, например, некоторые виды живописи.

Микроорганизмы с высокоразвитой ферментативной активностью хорошо используют и другие труднодоступные источники углерода, в том числе сложные эфиры (синтетические и природные), полиолефины (полиэтилен) и другие карбоцепные полимеры (по-ливинилацетат, поливинилхлорид, поливиниловый спирт).

Органические соединения, которые служат источниками питания для микроорганизмов, входят в состав многих промышленных материалов, что часто является причиной их заселения микроорганизмами. Кроме того, источником органических веществ могут служить различного рода загрязнения, попадающие на материалы, которые по своему химическому составу не могут служить питательными субстратами (металлы, стекло, некоторые полимеры, бетон и др.)- В некоторых случаях достаточно незначительного количества органического вещества, чтобы начался рост биодеструкторов.

Сапрофиты наряду с органическими  соединениями используют в небольших количествах и углекислый газ, вовлекая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ клетки. Если, например, из среды полностью удалить СО₂, то рост культуры задерживается, а иногда полностью подавляется. Обычно микроорганизмы удовлетворяют свои потребности за счет тех количеств его, которые образуются при использовании органических субстратов.

Источники азота. Азот входит в состав жизненно важных компонентов микробной клетки. Азотное питание в жизнедеятельности микроорганизмов занимает меньший объем, чем углеродное. Во-первых, потому, что азота в составе клетки в 5—6 раз меньше, чем углерода; во-вторых, соединения углерода употребляются в большем количестве, так как они одновременно используются и в конструктивном и в энергетическом обмене. Что касается значения азота для метаболизма микроорганизмов, то он не уступает углероду.

Все автотрофные микроорганизмы усваивают азот из его содержащих неорганических соединений.

У гетеротрофов по отношению  к источникам азота проявляется  избирательность. Паразиты используют органические азотсодержащие вещества клеток хозяина. Источником азота для сапрофитов могут служить как органические, так и неорганические азотсодержащие соединения. Одни из этих микроорганизмов способны расти только на субстратах, содержащих сложные азотсодержащие вещества (азотистые основания, пептиды, большой набор аминокислот), так как сами синтезировать их из более простых соединений не способны. Другие могут развиваться при ограниченном числе органических соединений азота, например в субстратах, содержащих только некоторые аминокислоты и даже одну—две из них, а все остальные, необходимые для синтеза белков клетки, синтезируют сами.

Органические азотсодержащие соединения (такие субстраты, как  натуральная кожа, мех, шерсть, шелк) потребляются только теми микроорганизмами, которые могут разлагать их с  образованием аммиака.

Источники зольных элементов. Для синтеза клеточных веществ нужны и различные зольные элементы: сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо. Хотя потребность в них невелика, но при недостатке в питательной среде даже одного из этих элементов микроорганизмы не будут развиваться и могут погибнуть.

Для большинства микроорганизмов  источниками зольных элементов являются минеральные соли, хотя некоторые из них лучше усваивают серу и фосфор из органических соединений.

Микроэлементы нужны для  роста микроорганизмов в незначительных количествах и могут быть получены ими также из минеральных солей.

Потребность микроорганизмов в  витаминах. В составе микробной клетки имеются различные витамины, которые необходимы для ее нормальной жизнедеятельности. Одни микроорганизмы должны получать витамины в готовом виде, и при отсутствии того или иного витамина в среде у них резко нарушается обмен веществ. При добавлении в питательную среду недостающего витамина ликвидируется задержка роста, поэтому витамины нередко называют ростовыми веществами, или стимуляторами роста. Другие микроорганизмы способны сами синтезировать витамины из веществ питательной среды. Некоторые микроорганизмы синтезируют витамины в количествах, значительно превышающих собственные потребности.

Микробиологическим путем  в промышленности, используя дрожжи, бактерии и грибы, получают многие витамины.

Витамины, произведенные  микроорганизмами широко применяют в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности, для косметических средств и других целей.

Кислород и энергетический обмен у микроорганизмов. Синтез веществ клетки из поступивших в нее питательных веществ и многие другие процессы жизнедеятельности протекают с затратой энергии.

У автотрофов источником энергии  служит либо видимый свет, либо энергия  химических реакций, получаемая при  окислении неорганических соединений (NH₃, H₂S и др.).

Гетеротрофы получают энергию  в процессе окисления органических соединений. Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы гетеротрофами.

В зависимости от возможности  использования молекулярного кислорода  в энергетических процессах, микроорганизмы делятся на две группы:

аэробы, которые окисляют органические вещества с использованием молекулярного кислорода;

анаэробы, не использующие кислород в энергетических процессах.

Многие аэробные микроорганизмы, к которым относятся грибы, некоторые виды дрожжей, многие бактерии, подобно высшим организмам (растения, животные), окисляют органические вещества полностью до углекислого газа и воды. Процесс этот называется дыханием.

Анаэробные микроорганизмы, к которым принадлежат многие бактерии и некоторые виды дрожжей, получают необходимую для жизнедеятельности энергию в процессе брожения.

Анаэробные микроорганизмы подразделяют на облигатные, или безусловные, анаэробы, для которых кислород не только не нужен, но и вреден, и факультативные, или условные, анаэробы, среди которых различают два типа. Одни лучше развиваются в анаэробных условиях, хотя могут жить в присутствии кислорода, но не способны его использовать (например, молочно-кислые бактерии). Другие факультативные анаэробы (например, дрожжи) способны в зависимости от условий развития переключаться с анаэробного на аэробный тип получения энергии.

Для аэробных микроорганизмов  характерно приостановление жизнедеятельности  при недостатке кислорода. Например, в результате нехватки кислорода дереворазрушающие и деревоокрашивающие грибы сравнительно быстро погибают в древесине при ее затоплении во время сплавов. На этом принципе основано предохранение древесины от загнивания методом дождевания.

Аэробы полезно используют примерно половину энергии и остальная теряется в виде тепла. Этим и объясняется явление самосогревания недостаточно просушенных кип хлопка, шерсти и других материалов, когда вследствие повышенной влажности в них обильно развиваются различные микроорганизмы. Такое самосогревание хлопка или шерсти может привести к их самовозгоранию.

У некоторых микроорганизмов  наблюдается выделение неиспользованной энергии в форме световой. Такой способностью обладают некоторые бактерии и грибы. Свечение морской воды, гниющего дерева, рыбы объясняется присутствием в них светящихся микроорганизмов.

Кислотность среды. Реакция среды (рН), т.е. степень ее щелочности или кислотности оказывает большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Многие непродовольственные материалы (бумага, стекло, пергамент и др.) могут быть кислыми и щелочными в зависимости от их состава и назначения. Так, водная пленка, находящаяся всегда на поверхности стекла во влажной атмосфере, в зависимости от химического состава стекол имеет рН от 5,5 до 9,0.

Величина  рН среды влияет:

на ионное состояние  среды, следовательно, на доступность  многих метаболитов и неорганических ионов для организма;

активность ферментов, в  связи с чем может меняться биохимическая активность микробов;

электрический заряд поверхности  клетки, что обусловливает изменение  проницаемости клетки для отдельных  ионов;

морфологию, например мицелия, на размножение и образование грибами пигментов.

Жизнедеятельность каждого  вида микроорганизмов возможна при прочих благоприятных условиях лишь в более или менее определенных границах рН среды, выше и ниже которых она угнетается. Большинство бактерий лучше растет в зоне рН, равной 6,8 — 7,3, т.е. в нейтральной или слабощелочной среде. За небольшим исключением, они не развиваются при рН ниже 4,0 и выше 9,0, но многие могут длительно сохранять жизнеспособность.