Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Медицина arrow Ветеринарная микробиология и иммунология

ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Из физических факторов наибольшее влияние на микроорганизмы оказывают температура, влажность, излучение.

Температура. Жизнь организмов определяется температурой больше, чем каким-либо другим фактором внешней среды, в связи с тем что все организмы построены из химических компонентов и все процессы жизни происходят на основе химических реакций, подчиненных законам термодинамики. Температура действует не только на скорость химических реакций, но также является причиной структурной перестройки протеинов, фазовых перемещений жиров, изменения структуры воды. Температурная амплитуда биохимической активности относительно мала, что обеспечивается специфическими свойствами биомолекул.

По отношению к температурным условиям микроорганизмы разделяют на мезофильныв, психрофильные и термофильные. Деление бактерий на указанные группы довольно условно, так как температурные диапазоны их роста значительно перекрываются (рис. 33).

Большинство известных видов относится к мезофилам, у кото- I—

Температурные границы и оптимальные зоны роста прокариот и основанная на этом их классификация

Рис. 33. Температурные границы и оптимальные зоны роста прокариот и основанная на этом их классификация:

психрофилы: 1 — облигатные; 2— факультативные; II— мезофилы; ///—термофилы: 3 — термотолерантные; 4 — факультативные; 5 — облигатные; 6 — экстремальные. Жирной линией выделены оптимальные температуры роста рых оптимальные температуры роста лежат между 30 и 40 °С, а температурный диапазон, в котором возможен рост, находится между 10 и 50 °С. Типичным мезофилом является Е. coli: нижняя граница роста 10 °С, верхняя 49 °С, оптимальная температура 37 °С при росте на богатой среде.

Психрофилы и факторы, определяющие возможность роста при низких температурах. Область температур роста психрофилов лежит в пределах от —10 до 20 °С и выше. В свою очередь психрофилы делятся на облигатные и факультативные.

Основное различие между подгруппами заключается в том, что облигатные психрофилы не способны к росту при температуре выше 20 °С, а верхняя температурная граница роста факультативных форм намного выше. Различаются они также и оптимальными температурными зонами роста, находящимися у облигатных психрофилов значительно ниже, чем у факультативных. Принципиальное же сходство между ними — способность к росту при 0 °С и минусовых температурах.

Термофилы и механизм термофилии. Группу термофилов делят на четыре подгруппы.

  • 1. Термотолерантные виды растут в пределах от 10 до 60 °С, оптимальная область лежит при 35...40 °С.
  • 2. Факультативные термофилы характеризуются максимальной температурой роста между 50 и 65 °С, но способны также к размножению при комнатной температуре (20 °С).
  • 3. К облигатным термофилам относят виды, обнаруживающие способность расти при температуре около 70 °С и не растущие при температуре ниже 40 °С.
  • 4. Наконец, недавно обнаружены прокариоты, выделенные в подгруппу экстремальных термофилов. Для них характерны следующие температурные параметры: оптимум в области 80... 105 °С, минимальная граница роста 60 °С и выше, максимальная — до 110°С. К экстремальным термофилам относятся организмы из группы архебактерий, не имеющие аналогов среди мезофилов, например представители родов Thermoproteus, Pyrococcus, Pyro- dictium и др.

Появились публикации об обнаружении бактерий, способных расти при температуре воды 250...300 °С и давлении 265 атм (при этом давлении вода в жидком состоянии может находиться до 460 °С). Эти бактерии выделены из проб воды Тихого океана, поднятых с глубины 2560 м, где предположительно они существуют в горячих струях, выбрасываемых на дне океана так называемыми черными гейзерами. Давление в районе обнаружения бактерий — около 250 атм, а температура воды может превышать 350 °С. В связи с этим исследователи начинают переоценивать границы условий, при которых способны развиваться прокариоты. Высказывается предположение, что прокариоты могут существовать везде, где есть вода в жидком состоянии и достаточное количество питательных веществ.

Высокая температура вызывает коагуляцию структурных белков и ферментов микроорганизмов. Большинство вегетативных форм гибнет при 60 °С в течение 30 мин, а при 80... 100 °С — через 1 мин. Для сохранения жизнеспособности относительно благоприятны низкие температуры (например, ниже 0 °С), безвредные для большинства микробов. Бактерии выживают при температуре ниже — 100°С; споры бактерий и вирусы годами сохраняются в жидком азоте. Простейшие и некоторые бактерии (спирохеты, риккетсии и хламидии) менее устойчивы к температурным воздействиям.

Воздействие высоких температур широко используется в лабораторной практике. Стерилизация объектов проводится методами автоклавирования, кипячения, тиндализации, пастеризации, фламбирования, стерилизации сухим жаром, паром без давления.

В хирургической практике стерилизуют инструменты, растворы, перевязочный материал.

Холодоустойчивость микроорганизмов. Организмы, способные образовывать тепло внутри своего тела, задействуя различные физиологические и биохимические механизмы, называются эндо- термными {эндотермы), а организмы, температура тела которых полностью зависит от температуры окружающей среды, т. е. определяется внешними источниками тепла — эктотермными (эктотермы).

Поддержание постоянства метаболизма у эктотермных организмов при смене температуры обитания названо температурной компенсацией. Генетико-биохимическая адаптация эктотермных организмов к изменению температурных условий обитания достигается разными путями: регуляцией экспрессии генов, изменениями функциональной активности ферментов, заменой одних изоферментов другими, изменениями концентрации ферментов в клетках и тканях и подвижностью жидкокристаллического состояния мембран.

Патогенные бактерии при выведении из теплокровного организма попадают в окружающую среду, где температура значительно ниже и перепад ее для бактерий может составлять до 30...35 °С. С учетом узкого диапазона активности ферментов становится понятным, что в этих изменяющихся условиях один фермент не способен функционировать. Эктотермные организмы могут синтезировать несколько форм ферментов, сходных по функции, но отличающихся молекулярной массой и приспособленностью к различным температурам. Синтез этих форм кодируется разными генными локусами, и тогда они называются изоферментами (изозимами).

Возможен ли рост патогенных бактерий при низких температурах? Считалось, что патогенные микроорганизмы, будучи паразитами теплокровных животных и человека, температурный оптимум которых лежит в пределах 36...39 °С, не могут размножаться при низких температурах и в связи с этим не способны обитать в окружающей среде. Почти все патогенные бактерии относятся к мезофилам. Однако большое число видов бактерий, способных вызывать болезни животных, имеют широкий температурный диапазон роста (от 0 до 43...45 вС). Например, Yersinia pestis может расти как при —2 °С, так и при 40 “С; Y. pseudotuberculosis — от 0 до 40 °С; Listeria monocytogenes — от 4 до 40 °С; Y. entero- colitica — от 0,5 до 42 °С, Bacillus anthracis способна к споруляции при температуре от 4 до 20 и 37 “С и размножаться при 8 °С. Возбудитель холеры размножается при 5 °С, возбудитель туберкулеза — при 20...40 вС.

Обнаружение патогенных бактерий (сальмонелл, шигелл, иер- синий, стафилококков, псевдомонад, клостридий, бацилл, листе- рий, клебсиелл, эшерихий, микобактерий) в почве, воде, иле, животных и растительных остатках позволяет проследить определенную закономерность: при температуре ниже 20 °С и при наличии достаточной влажности жизнеспособность перечисленных бактерий увеличивается многократно. Не образующие спор бактерии не способны длительно сохраняться при низкой температуре в окружающей среде без активного роста.

Таким образом, нет сомнений в том, что большое количество видов патогенных бактерий могут размножаться при биологически низкой температуре. Однако оптимум роста таких микроорганизмов, т. е. когда скорость размножения клеток наибольшая, сдвинут все же в сторону более высоких температур (22... 30 °С).

Для факультативных паразитов, способных обитать не только в организме теплокровных, но и в окружающей среде, низкая температура столь же естественна, как и температура 37...39 “С.

Снижение температуры часто является причиной возникновения у бактерий способности к прототрофному питанию. В таких условиях проявляются сапрофитные свойства чумного микроба, позволяющие ему длительно сохраняться в окружающей среде. В. anthracis при перенесении штаммов, культивируемых на питательных лабораторных средах при температуре 37 °С, непосредственно в бурую лесную почву, где они росли при температуре 10...12°С, изменяли свои биохимические свойства. Природный субстрат и низкая температура индуцировали у В. anthracis синтез протеаз и лецитиназы, которые не свойственны микробу, обитающему при высокой температуре.

Определение активности каталазы интактных микробных клеток Yersinia enterocolitica, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, E. coli, Salmonella typhimurium, выращенных при 10 и 37 °C, позволило установить, что низкая температура в 2...8 раз усиливает активность фермента в зависимости от вида бактерий. Усиление каталазной активности при низкой температуре является общей закономерностью.

Анализ «холодовых» и «тепловых» вариантов культур по тесту коагуляции плазмы показал, что культуры, выращенные при 10 °С на МПБ, коагулировали плазму в первые 30...60 мин, в то время как их «тепловые» варианты, выращенные при 37 °С, лишь за 4...6 ч.

Температура оказывает регулирующее влияние на некоторые особенности возбудителей. Основными свойствами бактерий, детерминируемыми хромосомным генетическим аппаратом, которые усиливаются при низкой температуре и реализуются на этапе инициации инфекции, являются подвижность, хемотаксис, высокий адгезивный потенциал, клеточная и тканевая инвазивность. При относительно высокой температуре обитания вне теплокровного организма эти свойства бактерий ослабляются.

Влажность. Важнейшим фактором поддержания жизнеспособности микробной клетки является вода, поскольку именно в растворах протекают все биологические процессы, составляющие жизнь. Нет другого природного вещества, которое могло бы сравниться с водой по месту и значимости в процессах жизнедеятельности. Вода обладает совершенно уникальными свойствами, делающими ее неизменной составной частью организмов.

В условиях дефицита влаги некоторые бактерии образуют гидрофильные слизистые капсулы, активно поглощающие влагу.

При высушивании микроорганизмов часть клеток погибает. Клетки же, перенесшие высушивание, переходят в состояние анабиоза. Возможность сохранения бактериями жизнеспособности при высушивании определяется множеством факторов, в том числе зависит от температуры, pH, солевого состава среды и т. п. Обычно формы с мелкими клетками устойчивее, чем крупноклеточные формы; кокки устойчивее палочек. Клетки с толстой клеточной стенкой, в том числе большинство грамположительных бактерий, устойчивее к высушиванию, чем грамотрицательные бактерии и тем более микоплазмы. Особенно высокой устойчивостью к высушиванию характеризуются микобактерии, клетки которых окружены массивными клеточными стенками, содержащими большое количество липидов. Бактериальные цисты и споры устойчивее к высушиванию, чем вегетативные клетки.

Во время длительного сухого хранения в хромосомном аппарате происходят некоторые генетические сдвиги, что приводит к снижению жизнеспособности и накоплению мутаций. На ряде микроорганизмов было доказано, что споры и суспензии бактерий в течение 5 сут выдержали без воды ультравысокий вакуум, приближающийся к таковому в межпланетном пространстве.

Успешное оживление после быстрого глубокого охлаждения при температуре —182 °С кусочков листьев, простейших и сперматозоидов позволило разработать фундаментальную теорию витрификации тканей, клеток и организмов. Гибель клеток происходит не в процессе охлаждения и витрификации, а в процессе согревания и девитрификации.

Витрификацию выдерживают только немногие мелкие организмы, быстрое охлаждение которых позволяет избегать кристаллизации воды в их теле при охлаждении и оттаивании, что нашло подтверждение в опытах с культурами бактерий кишечной флоры.

Высушивание используется в различных технологических процессах для сохранения кормов, продуктов питания. При изготовлении биологических препаратов и сохранения чистых культур микроорганизмов пользуются методом лиофилизации (быстрое замораживание с последующим высушиванием под низким давлением).

Действие излучения. Солнечный свет может обеспечивать выраженный антимикробный эффект. Так, более 99,9 % клеток штамма Escherichia coli с нарушенными репарационными механизмами погибает после облучения солнечным светом в течение 3 мин. При этом более 80 % летальных повреждений связано с действием света, длина волны которого менее 312 нм. Действие видимого света ответственно менее чем за 1 % летальных повреждений. Видимый свет, длина волны которого 450 нм, индуцирует замены пар оснований и мутации сдвига рамки у Е. coli. Световые волны длиной 550 нм и особенно 410 нм вызывают фотолизис клеток Myxococcus xanthus. Эффект определяется поглощением света железопорфи- ринами.

Ультрафиолетовые лучи и ионизирующее излучение. Ближний ультрафиолет (УФ) — излучение, длина волны которого 400...320 нм, даже в невысоких дозах оказывает на бактерий определенное воздействие. Так, при освещении ближним УФ подвижных клеток Е. coli или Salmonella typhimurium сначала наблюдается увеличение частоты кувырканий клеток, т. е. репеллентный эффект, но затем кувыркания полностью прекращаются и в конце концов наступает паралич жгутиков, т. е. свет обусловливает нарушение механизмов движения и таксиса. В сублетальных дозах ближний УФ вызывает замедление роста культур главным образом за счет удлинения лаг-фазы. Скорость деления клеток также несколько понижается, подавляется способность бактерий поддерживать развитие фага и угнетается индукция ферментов. Эти эффекты связывают в основном с поглощением УФ-лучей 4-тио- уридином — необычным основанием, присутствующим в 8-й позиции во многих тРНК у прокариот (но не у эукариот). Возбужденный светом 4-тиоуредин образует сшивки с цитозином, находящимся в 13-м положении в тРНК, что препятствует связыванию тРНК с аминокислотами и приводит к увеличению образования гуанозинтрифосфата на рибосомах и к приостановке синтеза РНК и соответственно белка.

101

Средний УФ— это излучение, длина волны которого 320... 290 нм, длина волны дальнего УФ— 290...200 нм. Биологические эффекты действия среднего и дальнего УФ сходны.

УФ-лучи широко применяются в производственной деятельности человека для обеззараживания воздуха в помещениях (родильные дома, операционные, животноводческие помещения, промышленные цеха производства антибиотиков, лабораторные боксы), воды, отходов производств.

Ионизирующее излучение составляет определенный компонент естественной радиации, определяемый нестабильными изотопами, постоянно находящимися в почве, атмосферных осадках. В областях залегания радиоактивных минералов естественный фон радиации повышен. Изотопы могут попадать в живые организмы, и тогда последние подвергаются внутреннему облучению. Бактерии иногда способны накапливать некоторые элементы в очень больших количествах.

Ионизирующее излучение возникает также под влиянием космических лучей; оно вызывает повреждения ДНК, которые принято подразделять на прямые и опосредованные, возникающие в связи с образованием свободных радикалов. Повреждения преимущественно представляют собой одноцепочечные или двухцепочечные разрывы молекулы ДНК.

В некоторых случаях удается обнаружить связь радиоустойчивости бактерий с особенностями их местообитания. Так, микроорганизмы, выделенные из радоновых минеральных источников, оказываются в 3... 10 раз более резистентными к радиации, чем организмы тех же видов, выделенные из нерадиоактивной воды. В охладительных системах ядерных реакторов, где средняя доза излучения превышает 106 ФЭР (физический эквивалент рентгена), обитают разные бактерии, в частности представители рода Pseudomonas.

Ионизирующее излучение используется для стерилизации биопрепаратов, перевязочного материала, инструментов.

Действие лазера вызывает у микроорганизмов в зависимости от дозы облучения изменения морфологических и биохимических свойств, вплоть до утраты жизнеспособности. Гибнут бактерии при воздействии лазерного излучения, длина волны которого около 700 нм, а энергия 200 Дж. При этом происходит денатурация белка и повреждение нуклеиновых кислот.

Ультразвук (УЗ). Поскольку бактерии обладают относительно малой массой и жесткой оболочкой, низкочастотные колебания (зона звуковых колебаний 100... 10 000 Гц) действует на них в очень слабой степени. Если же бактерии погрузить в жидкость, в которой распространяются высокочастотные колебания (т. е. ультразвук), то бактерии разрушаются и погибают. Ультразвуковые колебания в жидкостях обычно создают при помощи вибрирующих никелевых или кварцевых дисков. Существует мнение, что в большинстве случаев разрушение клеток при ультразвуковом воздействии, по-видимому, обусловлено образованием внутри клетки пены, состоящей из мельчайших пузырьков газа, находящегося обычно в растворенном состоянии в протоплазме или в жидкости на поверхности бактериальной клетки.

Бактерицидный эффект УЗ уменьшается, если подавляется кавитация (разрыв жидкости), что происходит при дегазации, погружении объекта в гель или другую вязкую среду. Бактерицидный эффект УЗ, напротив, усиливается при насыщении «озвучиваемой» эмульсии диоксидом углерода, азотом, кислородом, воздухом, так как это усиливает кавитацию.

Действие ультразвуковых волн не сводится только к механическому повреждению клеток. В результате ультразвукового воздействия наблюдаются биохимические и функциональные изменения, не приводящие к гибели организма. Так, под воздействием УЗ в клетке могут высвобождаться биологически активные вещества (витамины, ферменты и пр.), а также появляться нехарактерные микроорганизму ферменты: у Saccharomyces globosus после 30 мин воздействия УЗ частотой 740 кГц появляется инвертаза, отсутствующая у «неозвученных» клеток; изменяется чувствительность к антибиотикам; у S. haemoliticus, подвергнутого воздействию УЗ частотой 800 кГц в течении 10 мин, чувствительность к пенициллину возрастает в 2...5 раз.

УЗ используют для получения отдельных клеточных компонентов, для изучения их структуры и функций, для стерилизации субстратов, повреждающихся при тепловой обработке.

К УЗ чувствительны все микроорганизмы, в том числе и споровые. Но по степени чувствительности к этому фактору они значительно различаются. Так, под воздействием УЗ легко разрушаются Salmonella typhimurium, Lactobacillus casei, Proteus vulgaris, Pseudomonas fluorescens, Staphylococcus aureus, Bacillus anthracis. Несколько более устойчивы Sporosarcina urea, Saccharomyces cerivisiae, Acetobacter peroxydans. Среди патогенных форм наибольшую устойчивость к УЗ выявили Mycobacterium tuberculosis.

Магнитное поле. Все живые организмы находятся в области магнитного поля Земли. Влияние дополнительных и более мощных полей иногда приводит к стимуляции их роста. Так, воздействие магнитным полем напряженностью 12 • 103 А/м приводило к некоторому ускорению роста Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus epidermidis, Halobacterium salinarium. В магнитном поле напряженностью в 24- 103 или 50 • 103А/м наблюдали их угнетение. Замедление роста Paracoccus denitrificans наблюдали при 40 • 104...64 • 104 А/м, Staphylococcus aureus и Serratia marcescens — при 120 • 104 А/м. Действие переменных магнитных полей обычно более эффективно, чем действие постоянных. В естественной среде обитания бактерий магнитные поля такой напряженности не встречаются.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы