Влияние физических факторов на микроорганизмы
В естественной среде обитания и в случае искусственного культивирования микроорганизмов на них влияют многочисленные факторы, которые условно разделяют на физические, химические и биологические.
Физические, химические и биологические факторы окружающей среды оказывают различное воздействие на микроорганизмы: бактерицидное, приводящее к гибели клетки; бактериостатическое, подавляющее рост и размножение микроорганизмов, и мутагенное, приводящее к изменению наследственных свойств микробов.
К физическим факторам относят температуру; замораживание; высушивание; давление; различные виды излучений; аэронизацию; ультразвук; электричество.
Микроорганизмы лишены механизмов, регулирующих температуру тела, поэтому их существование определяется температурой окружающей среды. Для каждого вида микроорганизмов существует минимальная температура, ниже которой их рост не наблюдается; оптимальная — при которой микроорганизмы растут с наибольшей скоростью и максимальная — выше которой роста не происходит. Данные три температурные точки называют кардинальными. Они весьма характерны для определенных видов и даже штаммов бактерий. Микроорганизмы по их адаптации к определенным температурным условиям разделяют на следующие группы: психрофилы, мезофиллы, термофилы и экстремально-термофильные.
Психрофилы (от гр. psychros — холодный, phileo — люблю) — микроорганизмы, для которых температурный минимум составляет 0 °С, оптимум — 15—20, максимум — 30—35 °С. Эти бактерии являются обитателями холодных районов земного шара, горных ледников, пещер, воды колодцев и родников, сточных вод.
Для психрофилов характерна очень длительная лаг-фаза и небольшая скорость роста. Они могут вызывать порчу продуктов в холодильниках, погребах, ледниках. К психрофилам относят светящиеся бактерии, некоторые железобактерии, иерсинии, псевдомонады, возбудителей паратуберкулеза.
Мезофилы (от гр. mesos — средний, phileo — люблю) — микробы для которых температурный минимум составляет 10 °С, оптимум — 30—38, максимум — 40—45 °С. К мезофиллам относят большинство сапрофи-тов, условно-патогенных и патогенных микробов. Например, сальмонеллы, эшерихии, возбудитель сибирской язвы и др.
Термофилы (от гр. termos — теплый, phileo — люблю) — теплолюбивые микроорганизмы, для которых температурный минимум составляет 35 °С, оптимум — 50-60, максимум — 70-75 °С. Эти микробы могут обитать в пищеварительном тракте животных, в почвах районов с жарким климатом, в горячих источниках. Термофилов обнаруживают во всех широтах. Развиваются они очень быстро. Эти микробы участвуют в процессах самонагревания навоза, мусора, зерна, комбикорма, сена. Термофилов, образующих тепло, принято называть термогенными. Под их влиянием происходит самонагревание в основном растительной массы и выделение большого количества тепла. Тепло образуется вследствие разложения органических веществ, при этом выделяются горючие газы метан и водород, что часто приводит к самовозгоранию разлагающихся масс.
Для экстремально-термофильных бактерий температурный минимум колеблется в пределах 25—30 °С, оптимум — 50—60, максимум — 80-93 °С.
Возможность существования термофилов при высокой температуре объясняют следующими особенностями: высоким содержанием в клеточных мембранах длинноцепочечных С17—С19 насыщенных жирных кислот с разветвленными цепями; высокой термостабильностью белков и ферментов; термостабильностью клеточных структур.
Постоянное место обитания термофильных бактерий — терминальные (горячие) источники. В таких источниках могут развиваться эубактерии и архебактерии, аэробные и анаэробные, фототрофные, хемолитотрофные и гетеротрофные микроорганизмы, цианобактерии.
При воздействии на микробы низкой температуры они переходят в состояние анабиоза, в котором бактерии могут оставаться жизнеспособными в течение нескольких месяцев и даже лет. Например, листерии остаются жизнеспособными при —10 °С в течение трех лет. Микробы могут переносить температуру до—190 °С и даже—252 °С. Наибольшую опасность при замораживании представляет не сама низкая температура, а кристаллы льда внутри клетки, которые могут повредить ее механически. Низкая температура прерывает действие гнилостных и бродильных процессов. Недаром продукты хранят в холодильниках, погребах, ледниках.
При промышленном производстве живых вакцин применяют метод лиофшшзации (от гр. lyo — растворять, phileo — люблю). При лиофилизации вода подвергается замораживанию, а затем происходит сублимация льда, т. е. его переход из твердого в парообразное состояние, жидкая фаза выпадает.
Высокая температура губительно действует на микробы. В основе бактерицидного действия высокой температуры лежат угнетение ферментов, денатурация белков, нарушение осмотического барьера. Высокая температура применяется для стерилизации различных объектов.
Высушивание — обезвоживание отрицательно влияет на микробы. В высушенном состоянии они не могут расти и размножаться. Клетки переходят в анабиотическое состояние. Наиболее чувствительны к высушиванию вегетативные формы микробов (особенно патогенные). Споровые формы микробов в высушенном состоянии не теряют своей жизнеспособности многие годы. Высушивание под вакуумом из замороженного состояния — лиофилизацию используют для получения ценных производственных и музейных штаммов культур микробов в сухом виде, что позволяет хранить их без потери жизнеспособности и биологических свойств в течение длительного срока (годами). Высушивание используют для консервирования овощей, фруктов, лекарственных трав, кормов.
Большое влияние на микроорганизмы оказывает гидростатическое и осмотическое давление. Бактерии, устойчивые к высокому давлению, называют барофильными (от гр. bams — тяжесть, phileo — люблю). На дне Тихого и Индийского океанов обитают бактерии, которые выдерживают давление до 11 370 Па. Большинство микробов при давлении выше 4900 Па погибают, так как давление вызывает денатурацию белков, инактивацию ферментов, повышает диссоциацию. Повышенное давление в сочетании с высокой температурой используют в автоклавах с целью стерилизации различных материалов и лабораторной посуды.
Осмотическое давление определяется концентрацией растворенных в среде веществ. Оно играет важную роль в процессе питания. Бактерии питаются путем осмоса и диффузии. Осмотическое давление внутри клетки равно примерно давлению 10-20 %-го раствора сахарозы. В среде с низким осмотическим давлением вода поступает в клетку и наступает ее разрыв — плазмоптиз. В среде с высоким осмотическим давлением вода покидает клетку и происходит ее гибель — плазмолиз. Существуют микробы, способные расти и размножаться при высокой концентрации солей в среде — галофилы (любящие соль), например микрококки, сарцины, стафилококки. Их ферменты активны при повышенном содержании соли.
Различные виды излучений действуют на микробы бактерицидно. Степень бактерицидности зависит от вида излучения, его дозы, длительности (экспозиции) воздействия на микроорганизмы. К излучениям относят видимый свет; невидимые инфракрасные лучи; рентгеновские лучи (а, в и y иуизлучения); космические лучи; невидимые ультрафиолетовые лучи.
Видимый свет отрицательно действует на микроорганизмы, поэтому микробы выращивают на питательных средах в полной темноте в термостатах. Прямые солнечные лучи губительно действуют на все виды микробов, за исключением пурпурных и зеленых серобактерий. Свет вызывает образование в клетке гидроксильных радикалов, которые и являются причиной ее гибели. Сапрофиты более устойчивы к свету, так как они эволюционно адаптированы к нему. Патогенные микробы весьма чувствительны к свету, что имеет гигиеническое значение. Ультрафиолетовые лучи высокобактерицидны, они подавляют репликацию ДНК и РНК. В качестве источника ультрафиолетовых лучей служат ртутно-кварцевые (ПРК) и бактерицидные (БУВ) лампы. Ультрафиолетовые лучи используют для санации воздуха в животноводческих помещениях, стерилизации боксов в биологической промышленности, научно-исследовательских институтах, медучреждениях, ветлабораториях.
Из рентгеновских лучей наиболее бактерицидны улучи. Они поражают генетический аппарат, что приводит к гибели клетки. Эти лучи применяют для стерилизации хирургических инструментов, перевязочного материала. Кроме того, их используют для холодной стерилизации, т. е. обработки биопрепаратов. Холодная стерилизация губительно действует на микробные клетки, но не снижает качества препаратов.
Электроток ультравысокой частоты приводит в колебание молекулы всех ингредиентов клетки, происходит нагревание всей массы микробов, наблюдаются необратимые деструктивные изменения, что вызывает гибель микробов.
В результате высокочастотных колебаний (ультразвука) внутри бактерий образуется пена, состоящая из мельчайших пузырьков газа. В пузырьках возникает высокое давление, что приводит к дезинтеграции цитоплазматических структур и гибели клетки.
Аэронизация — аэроионы могут нести положительный или отрицательный заряд. Аэроионы возникают в результате искусственной или естественной ионизации воздуха. Наибольшее влияние на бактерии оказывают отрицательно заряженные ионы. Сила действия ионов зависит от дозы, длительности экспозиции, расстояния от источника ионов.