Физические факторы

К физическим факторам внешней среды, влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся температура, высушивание, свет, излучение радиоактивных веществ, давление и т.д. Физиология организма определяется границами его приспособления к физическим и химическим условиям среды обитания.

Для непрерывных (постоянных) факторов можно установить зависимость скорости роста от них в виде неравнобедренного треугольника, вершины которого соответствуют кардинальным точкам, обычно указываемым в описании вида (рис. 5.1). Скорость роста снижается медленно при понижении температуры, а при повышении вскоре после достижения наивысшей скорости роста резко срывается, и наступает гибель клеток при максимальной температуре. Диапазон между максимальной и минимальной температурами обычно составляет 20—30°С (табл. 5.1).

Зависимость роста микроорганизмов от температуры

Рис. 5.1. Зависимость роста микроорганизмов от температуры

Кардинальные точки: 1 — минимум; 2 — оптимум; 3 — максимум; р. — скорость роста [Brock, 1970]

Температурный оптимум, минимум и максимум зависят от постоянного места обитания микроба. Однако различают стено- термные и эвритермные организмы: первые имеют узкий температурный диапазон, а вторые — широкий. Минимальная температура — предельно низкая температура, при которой развитие микробов прекращается. Максимальной считают наивысшую температуру, при которой происходит денатурация белков, минимум приписывается сгущению мембранных липидов и зависит от соТаблица 5.1

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ НЕКОТОРЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ (°С)

Микроорганизмы

Температура

мини

мальная

опти

мальная

макси

мальная

Светящиеся бактерии северных морей

0

20

38

Сибиреязвенная палочка

12

37

45

Туберкулезная палочка

30

37,5

42

Термофильная палочка

40

60

72

держания в них ненасыщенных кислот. Липидный состав почти всех организмов изменяется при изменении температуры выращивания (табл. 5.2). При снижении температуры в клеточных липидах увеличивается относительное содержание ненасыщенных жирных кислот. Изменение липидного состава считается существенным компонентом температурной адаптации у бактерий. Уровень насыщенности жирных кислот в мембранных липидах определяет степень их жидкого состояния при данной температуре.

Таблица 5.2

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫРАЩИВАНИЯ НА КОЛИЧЕСТВО ОСНОВНЫХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ У Е. coli

Жирная кислота

Содержание,

% от общего количества жирных кислот в клетке

10°С

43”С

Насыщенные жирные кислоты:

миристиновая

3,9

7,7

пальмитиновая

18,2

48,0

Ненасыщенные жирные кислоты:

гексадеценовая

26,0

9,2

октадеценовая

37,9

12,2

По отношению к температуре микроорганизмы принято делить на психрофильные, мезофильные и термофильные.

Психрофилы (от греч. psychros — холод + phileo — любить) — холодолюбивые организмы — рост в диапазоне от 0° до 20°С с оптимумом ниже 20°С, причем здесь имеются разные категории, вплоть до организмов, развивающихся при отрицательных температурах во льдах, например на нижней стороне плавучих льдов.

Психроактивные организмы — это эвритермные организмы, обладающие достаточной активностью при низкой температуре.

Психрофилы существуют в постоянно холодных условиях (в глубинах океана), где колебания температуры очень незначительны. Психроактивные организмы приспособлены к сезонным колебаниям климата, в теплый период они накапливают биомассу, но продолжают медленно расти и в холодный период года.

Приспособление к понижению температуры связывают с изменением состава мембран и способностью к образованию криопротекторов. Возможно, это также связано с повышенным синтезом ключевых ферментов, имеющих более высокий температурный оптимум. К психрофилам относятся некоторые почвенные и морские бактерии, а также возбудители болезней рыб и водных растений. Максимальная температура для них 30—35°С, минимальная — 0°С и даже -6 и -10°С, а жизнедеятельность некоторых микроскопических грибов прекращается лишь при температуре -1 ГС. К этой группе принадлежат микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов в холодильниках.

Большинство психрофилов хорошо растет при температурах, подходящих для мезофильных бактерий, — это факультативные психрофилы (около 0°С и выше). Если температурный оптимум лежит между 15 и 18°С — это облигатные психрофилы, при температуре 25—30°С они погибают за несколько минут.

Низкие температуры не убивают микроорганизмы, но приостанавливают их жизнедеятельность и вместе с этим процессы гниения и брожения. В специальных холодильниках, изотермических вагонах, пароходах-рефрижераторах скоропортящиеся продукты могут сохраняться длительное время. В трупах мамонтов, пролежавших десятки тысяч лет в мерзлой почве, обнаружены жизнеспособные гнилостные бактерии и споры. Губительно действует на живые клетки повторное замораживание и оттаивание.

Мезофилы (от греч. mesos — средний, промежуточный + phileo — любить) имеют оптимум, близкий к температуре тела теплокровных животных. К ним относятся многие виды, живущие в почве, воде и организме животных (гнилостные, сапротрофы и патогены). Многие из них лучше растут при 20—25°С, максимальная температура для свободноживущих мезофилов — около 45°С, а минимум — 10—15°С.

Термофилы (от греч. therm(e) — тепло + phileo — любить), или теплолюбивые микроорганизмы, развиваются при сравнительно высокой температуре — выше 50°С. Типичные термофилы не растут уже при 37°С. Термофилы делятся на собственно термофилов, имеющих максимум развития при температуре ниже 70°С и минимум выше 40°С. Это обитатели термальных источников, разогревающихся куч или буртов органического вещества, компостируемых углеродсодержащих субстратов и т.д. Термофильные бактерии принимают деятельное участие в нагревании навоза, силоса, влажного зерна, хлопка и других субстратов, где происходит разложение органических веществ с повышением температуры массы до 85—90°С, после чего жизнедеятельность микробов прекращается. В эту группу входит ряд почвенных бактерий, ак- тиномицетов, грибов, сине-зеленых водорослей. На практике био- термогенез используется для дезинфекции навоза, обогревания теплиц, приготовления бурого сена.

Экстремальные термофилы имеют максимум при температуре около 90°С и не растут при 60—70°С. Термофилы в сравнении с мезофилами содержат в клетках меньше денатурирующихся белков и больше насыщенных жирных кислот, чем ненасыщенных, у них особый состав ферментов. Отличительной особенностью ферментов термофильных микроорганизмов, развивающихся в диапазоне температур 50—90°С, является не только их термостабильность и более высокий температурный оптимум действия, но и повышенная биохимическая активность. На термостабильность белковой молекулы фермента влияет повышенное содержание ионов кальция и устойчивость к агентам, разрушающим водородные связи,и др.

Гипертермофилы имеют максимум при температуре выше 100°С и представлены преимущественно гидрогенотрофными организмами. Это обитатели гидротерм и нагретой подземной гидросферы.

Ферменты и рибосомальный аппарат экстремальных термофилов и гипертермофилов имеют высокий температурный оптимум, и поэтому на филогенетическом древе эти микроорганизмы представляют далеко отстоящие от других организмов ветви. Мембраны их богаты насыщенными липидами, отличаются высокой механической прочностью, что, по-видимому, обеспечивает термостабильность мембранных белков.

Влияние высоких температур. Высокие температуры действуют на бактерии губительно, нагревание до 60°С убивает большинство бактерий, за исключением споровых (бацилл) и термофильных. В жидкой среде при нагревании до 60°С большинство бес- споровых микробов гибнет за 30—60 мин, нагревание до 70°С убивает их за 10—15 мин, кипячение — почти мгновенно. Во влажной среде бактерии гибнут скорее, чем в сухой (в присутствии влаги белок свертывается при более низкой температуре). Микроорганизмы, содержащиеся в толще твердых веществ, например в слизи или мясных консервах, выдерживают нагревание и действие дезинфицирующих веществ в течение более длительного времени, чем те же клетки в дистиллированной воде или бульоне. Скорость гибели бактерий определяется концентрацией, возрастом и типом клеток, температурой, влажностью и кислотностью среды.

Высокие температуры (100—120°С) используются в микробиологии для полного уничтожения вегетативных форм микроорганизмов и их спор — стерилизации (sterilis — бесплодный). Чтобы убить микроорганизмы сухим жаром, требуется температура от 160 до 180°С в течение 2 ч. Бациллы весьма устойчивы против высоких температур, стерилизация паром в автоклаве при 120°С в течение 20—30 мин способна уничтожить споровые формы бактерий.

Влияние высушивания. Бациллы малочувствительны к высыханию. При относительной влажности окружающей среды ниже 30% жизнедеятельность большинства бактерий прекращается, степень чувствительности у них зависит от видовых свойств и технических условий высушивания. Например, холерный вибрион при высушивании отмирает за 2 сут, а микобактерии — за 90 сут. Стафилококки переносят высушивание более 2 лет, молочнокислые бактерии — до 10 лет, некоторые патогенные стрептококки сохраняются в подобных условиях более 25 лет, а микобактерии туберкулеза — в течение 17 лет.

Вследствие обезвоживания жизненные процессы в бактериальной клетке при высушивании ослабевают, процесс размножения приостанавливается. Вода важна как среда для размножения микроорганизмов. При ее дефиците микроорганизмы не размножаются. Наиболее устойчивы к обезвоживанию актиномицеты и грибы, жизнедеятельность которых имеет большое значение для поддержания непрерывности круговорота питательных веществ в природе. Для почвенных микроорганизмов значение имеет приспособление к сухости, или ксерофилия.

Широко распространено искусственное высушивание микроорганизмов, или лиофилизация. Метод включает быстрое замораживание с последующим высушиванием под низким давлением (сухая возгонка). Лиофильную сушку применяют для сохранения иммунобиологических препаратов (сывороток, вакцин), а также для консервирования и длительного сохранения культур микроорганизмов.

Высушивание применяется при консервации продуктов питания, на этом же принципе основано приготовление сена (влажность сена 12—16%), сохранение молочнокислых бактерий различных заквасок. В целом можно сказать, что возраст микроорганизмов, находящихся в вакууме (высушенные клетки в вакууме), может быть «хронологически» очень большим, тем не менее эти микроорганизмы даже после многолетнего пребывания в подобных условиях остаются физиологически «юными» и неизменив- шимися.

Влияние света. Существует поговорка: «Куда не заглядывает солнце, туда часто приходит врач». Прямые солнечные лучи губительны почти для всех видов бактерий, за исключением пурпурных и фотобактерий, для которых свет является источником энергии. Микробы, которые подвергаются постоянно воздействию солнечных лучей, обычно содержат в своих клетках каротиноидные пигменты, защищающие их от УФ-лучей и видимого излучения. Многие микрококки и сарцины содержат каротиноидные пигменты и поэтому не гибнут на солнечном свету. Микрофлора воздуха в большей степени представлена пигментообразующими бактериями.

Патогены вообще более чувствительны к воздействию прямых солнечных лучей, чем сапротрофы. Рассеянный свет влияет на микроорганизмы слабо и вызывает их гибель только при длительном действии. Губительное действие или микробоцидный эффект оказывают лучи с короткой волной и сильным фотохимическим действием — ультрафиолетовая, фиолетовая и голубая части спектра. Энергию излучения используют для дезинфекции и стерилизации термолабильных материалов.

Ультрафиолетовые лучи (УФ-лучи) — коротковолновые, т.е. с длиной волны 250—270 нм, действуют на нуклеиновые кислоты.

Микробоцидное действие основано на разрыве водородных связей и образовании в молекулах ДНК димеров тимина, приводящем к появлению нежизнеспособных мутантов. Применение УФ- излучения для стерилизации ограничено его низкой проницаемостью и высокой поглотительной активностью воды и стекла. Для защиты от радиации у бактерий выработаны антиокислительные механизмы, например каротиноиды, а также система генетической репарации поврежденных участков ДНК. Такими механизмами особенно славится Deinococcus radiodurans, а также ряд термофильных эу- и архебактерий.

Микроволновое излучение применяют для быстрой повторной стерилизации длительно хранящихся сред. Стерилизующий эффект достигается быстрым подъемом температуры.

Рентгеновское и у-излучение в больших дозах также вызывают гибель микроорганизмов. Облучение вызывает образование свободных радикалов, разрушающих нуклеиновые кислоты и белки с последующей гибелью микробных клеток. На этом основана стерилизация различных материалов, помещений и т.д. Возможно консервирование пищевых продуктов при помощи ионизирующей радиации. МАГАТЭ предложило специальные термины применительно к радиационной обработке пищевой продукции: радаппер- тизиция, радисидация и радуризация. Однако чувствительность грибов и дрожжей к облучению примерно равна радиоустойчивости бактериальных спор.

Действие электричества (постоянного и переменного тока) на микроорганизмы незначительно. Электрический ток высокой частоты убивает их, особенно сильное действие оказывают токи уль- травысокой частоты.

Механическое воздействие губительно действует на большинство микроорганизмов. Самоочищение рек частично происходит вследствие действия на клетки сильных и частых толчков.

Гидростатическое давление. Бактерии малочувствительны к высоким давлениям. Живые микробы обнаружены в морях на глубине 9 км, где давление равно 900 атм. Дрожжи не теряют бродильных свойств при давлении 500 атм, а некоторые грибы и бактерии переносят давление в 3000 атм.

В грунтах и водах океана существуют барофилъные микроорганизмы, которые способны размножаться при высоком и совершенно не размножаться при обычном атмосферном давлении. Баротолерантные микроорганизмы размножаются при нормальном атмосферном давлении и способны переносить высокое давление.

Осмотическое давление определяет деление микроорганизмов на разные группы в зависимости от их чувствительности к концентрациям сахаров и солей. Высокая внеклеточная концентрация их приводит к выходу воды из бактерий и простейших. Это свойство концентрированных растворов сахаров и поваренной соли применяют для консервирования пищевых продуктов. Чувствительность микроорганизмов к такому воздействию вариабельна: например, возбудитель ботулизма погибает в 6%-ном растворе NaCl, а грибы рода Candida — в 14%-ном. Вещества, повышающие осмотическое давление, не обеспечивают достоверной гибели всех микроорганизмов.

Растворы с высокой концентрацией солей (с большим осмотическим давлением) называются гипертоническими, в них как в растворах с более высоким осмотическим давлением, чем внутри микробных клеток, протопласт сжимается, клетки обезвоживаются. Это явление называется плазмолиз. В растворах с очень низким осмотическим давлением (гипотонический раствор) происходит противоположное явление — вода поступает внутрь клетки, вызывая разрыв клеточной оболочки. Такое явление называется плазмоптиз.

Некоторые виды дрожжей способны развиваться при 70—80%, это так называемые осмофильные формы — обитатели сиропов. К ним относят многие плесневые грибы из рода Penicillium, Aspergillus и др., способные переносить высокие концентрации сахара, но они не выживают при высокой концентрации солей. Имеются другие организмы, которые могут жить только при очень высоких концентрациях солей (NaCl). Это галофильные формы. Они представлены умеренными галофилами, способными развиваться при концентрации солей 1—2%, хорошо растущими в присутствии 10%-ной соли и переносящими 20%-ную концентрацию солей. Чувствительность микроорганизмов к солям в целом высока: большинство бактерий не переносит концентрации NaCl выше 5%.

Экстремально галофильные бактерии требуют высокой концентрации солей — около 12—15%, но способны развиваться в насыщенном (32%-ном) растворе NaCl. Их находят в солеварнях, где добывают морскую соль. К ним относятся роды Halobacterium, Halo coccus, Natrobacterium, Ha loarc и la и др.

По отношению к солености микроорганизмы разделяются на несколько групп (рис. 5.2) [Заварзин, Колотилова, 2000].

Отношение к солености роста разных микроорганизмов

Рис. 5.2. Отношение к солености роста разных микроорганизмов:

  • 1 — ультрапресные; 2 — галотолерантные; 3 — морские;
  • 4 — умеренные галофилы; 5 — экстремальные галофилы; р — скорость роста

Считается, что обитатели пресных вод чувствительны к 3,5%- ной концентрации NaCl, как в морской воде. Почвенные микроорганизмы приспособились к резким изменениям осмотических свойств среды обитания. Многие из них являются галотолерант- ными. Обитатели улътрапресных вод развиваются в среде с содержанием солей ниже 100 мг/л, в том числе в дистиллированной, дождевой воде или воде сфагновых болот (Caulobacter, Spirillum). Соленость выше 10—15% исключает развитие эукариот, кроме зеленой водоросли Dunaliella.

Обитатели высокоминерализованных континентальных вод развиваются при 20%-ном содержании соды — это галоалкалофи- лы. Такие воды обычно имеют высокое значение pH и содержат NaCl.

Галофильные бактерии представляют большой интерес для пищевой и перерабатывающей промышленности. В настоящее время эти микроорганизмы играют большую роль при очистке сточных вод и распаде трудноразлагаемых веществ в таких водах. Сточные воды загрязнены не только органическими примесями, но и значительными количествами солей, в том числе сульфатов. Таким образом, в них создаются условия, сходные с условиями морских экосистем. Приспособление бактерий к осмотическому состоянию среды осуществляется с помощью синтеза низкомолекулярных органических веществ, относительно устойчивых метаболически в цитозоле, пассивно удерживающихся мембраной. Такие вещества получили названия осмопротекторов, или осмолитов. К ним относится широкая категория веществ, различных у разных групп организмов. Из аминокислот такую роль играют пролин и глутамат, из сахаров — трегалоза, свойственные слабым галофилам. Но более распространенным осмопротектором служит бетаин, свойственный и почвенным, и умеренно галофильным морским организмам. Для морских водорослей важным осмопротектором служит метилсульфопропионат.

Во всех случаях для поддержания осмотического равновесия организмы вынуждены синтезировать возрастающие количества осмопротекторов, составляющие существенную часть биомассы. Эти осмолиты называют совместимыми, потому что они не нарушают энзиматической активности в клетке и даже служат протекторами от других неблагоприятных влияний. По-видимому, синтез осмопротекторов представляет характерную адаптивную реакцию.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >