Оптимальные условия и предельные возможности адаптации микроорганизмов

Микроорганизмы находятся в тесной зависимости от условий окружающей среды. Чем более благоприятны для данного микроорганизма условия, тем интенсивнее идет его развитие и тем выше его жизнедеятельность. Если какой-нибудь фактор продолжительное время удерживается на одном уровне (рН, температура), то он вызывает изменчивость микроорганизмов. Так появляются новые расы, приспособленные к данным условиям.

Факторы внешней среды, оказывающие значительное влияние на развитие микроорганизмов, можно разделить на три группы: 1) физические, 2) химические и 3) биологические.

1) Физические

Из физических факторов наибольшее влияние на бактерии оказывают температура, свет, влажность.

– температура

Температура определяет не только интенсивность развития того или иного микроорганизма, но и возможность его, развития и существования. Влияние температуры на культуру бактерий осуществляется воздействием на скорость химических реакций, протекающих внутри клетки. Необходимо различать температурный минимум — наиболее низкую температуру, при которой возможна жизнь данного организма, температурный оптимум — температуру, способствующую, максимальному развитию организма, и температурный максимум — температуру, выше которой жизнедеятельность бактерий прекращается.

Разные микроорганизмы имеют различные температурные оптимумы, а также разные минимальные и максимальные температуры роста. По этому признаку микроорганизмы подразделяют на ряд групп (рис. 2). Большинство почвенных и водных бактерий являются мезофильными -температурный оптимум для их роста лежит в пределах от 30 до 40 °С. Максимальная температура роста не превышает 45-50 °С, что близко к максимальному нагреву почвы. Минимальная температура роста составляет от 5 до 10°С.

 

Психрофильные, или холодолюбивые, микроорганизмы растут при температурах ниже 20 °С. Оптимум их роста находится в области ниже 15 °С, а минимальные температуры роста могут быть в области отрицательных значений температур. Психрофилы существуют в постоянно холодных условиях и чувствительны даже к небольшому повышению температуры. Психрофильные бактерии можно выделить в чистую культуру из океанических вод, где температура, как правило, не превышает 5 °С. Большинство психрофильных бактерий. Психротрофные, или психроактивные, микроорганизмы также способны расти при довольно низких температурах (даже при О °С). Однако в отличие от психрофилов они имеют более высокую оптимальную (20-25 °С) и максимальную (30-35 °С) температуры роста. Многие психротрофы являются типичными обитателями холодильников, где они могут вызывать порчу продуктов. К термофилам относят микроорганизмы, способные расти при температуре 50 °С и выше. В зависимости от кардинальных температур их подразделяют на ряд групп. Например, выделяют термотолерантные микроорганизмы, имеющие температурный оптимум в области 45-50 °С. Основное их отличие от мезофиллов - способность расти при повышенных температурах, хотя они растут и при температурах, опти­мальных для мезофилов. Собственно термофильные микроорганизмы имеют температурный оптимум роста, как правило, от 55 до 65 °С, то есть ниже 70 °С, а их температурный минимум составляет 40^45 °С. Эти микроорганизмы активно развиваются в компосте, в саморазогреваю­щихся скоплениях торфа и угля, в системах снабжения горячей водой. К экстремальным термофилам относятся виды, обнаруживающие способность активно расти при температурах около 90 °С и даже выше и не растущие при температуре ниже 60-65 °С. Так называемые гипертермофилы имеют температурный максимум выше 100°С. Есть дан­ные, что некоторые из них способны расти даже при температуре 115-120 °С. Эти микроорганизмы обитают в наземных и морских горячих источниках, в глубоководных морских гидротермах.

Для большинства микроорганизмов интервал между максимальной и минимальной температурой роста составляет около 30 °С. Однако некоторые бактерии имеют более узкие зоны роста. Их называют стенотермными микроорганизмами. В отличие от них эвритермные микроорганизмы растут в более широком диапазоне температур. Надо также иметь в виду, что при ми­нимальной температуре и дальнейшем ее понижении микроорганизмы в основном не погибают и могут длительное время сохранять жизнеспособность, тогда как при температурах выше максимальной их жизнеспособность быстро утрачивается. Соответственно длительное хранение при низких и сверхнизких (до -196 °С) температурах широко используется для поддержания культур микроорганизмов в коллекциях. С другой стороны, использование высоких температур является основой технологий пастеризации и стерилизации, которые широко применяются в практике, в частности в пищевой промышленности и медицине.

– влажность

Большое влияние на развитие и жизнедеятельность микроорганизмов оказывает влажность. Микробная клетка на 85% состоит из воды, и все ее жизненные процессы связаны с наличием влаги. В среде, лишенной влаги, прекращается питание микробной клетки, ибо без предварительного растворения в воде питательные вещества не могут проникнуть внутрь нее. Особенно нуждаются во влаге клетки, находящиеся в стадии роста.

Микроорганизмы характеризуются различной чувствительностью к наличию влаги. Наибольшей чувствительностью отличаются нитрифицирующие и азотфиксирующие бактерии. Наилучшие условия влажности для них — 40—80% от полной влагоемкости почвы. Некоторые микроорганизмы, более устойчивые к пониженному содержанию влаги, сохраняются продолжительное время в высушенном состоянии, а отдельные из них могут сохранять свою жизнедеятельность в высушенном состоянии даже десятки лет.

Устойчивость к высушиванию у разных видов микробов весьма различна. Так, например, гонококки и холерный вибрион переносят высушивание в течение 2 дней; туберкулезная палочка — в течение 90 дней. Особенно высокой устойчиво­стью к высушиванию характеризуются споры микробов.

(Микроорганизмы в высушенном состоянии остаются бездеятельными, так как без наличия влаги они не могут питаться, а следовательно, расти и размножаться. В этом состоянии они только хранятся, не проявляя жизнедеятельности. В практике высушиванием пользуются для консервирования овощей, фруктов, различных лечебных трав. Для сохранения производственных и музейных культур микробов, живых прививочных препаратов (вакцин) широко применяется бы­строе высушивание в условиях вакуума в средах специального состава (лиофильная сушка). Микробы при этом переходят в состоянии анабиоза, стойко и длительно сохраняя свои свойства.

– Свет

Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов зависит от света и других форм лучистой энергии. Свет влияет на химические изменения питательного вещества и на протоплазму клетки. Свет благоприятно действует только на развитие небольшой группы микроорганизмов — пурпурных и зеленых серобактерий, которые используют световую энергию для осуществления фотосинтеза. Все остальные бактерии хорошо ра­стут в полной темноте. Рассеянный свет тормозит их развитие.

Прямые солнечные и ультрафиолетовые лучи губительны для микроорганизмов. В основе бактерицидного действия света лежат фотохимические окислительные процессы, вызываемые им в протоплазме.клеток. При облучении организма светом происходит специфическое поглощение фотонов некоторыми веществами. Особенно активны в этом отношении нуклеиновые кислоты. Под действием поглощенной энергии нарушаются химические реакции в клетке, и она погибает.

Влияние света на развитие микроорганизмов легко проверить в лабораторных условиях на опыте Бухнера. Опыт ста­вится следующим образом. В чашку Петри тонким слоем наливается мясопептонный агар. На него обильно высевается культура какого-либо микроба. Затем на дно чашки наклеивается фигурный непрозрачный экран. Эту чашку, обращенную дном к свету, подвергают облучению прямыми солнечными лучами в течение 1—2 час. После облучения экран удаляется, и посев ставится на сутки в термостат. На следующий день рост наблюдается только в тех местах, которые были защищены от света наклеенным экраном; вся остальная часть агара остается прозрачной: посеянные микробы, подвергшиеся воздействию света, погибли. Убивающее действие света усиливается, если к среде прибавить 0,01% эозина.

Вегетативные клетки бактерий более стойки к действию света, чем споры. Споры высоко чувствительны к действию ультрафиолетовых лучей, они погибают при семиминутном облучении независимо от вида микроорганизма. Бактерицид­ные' свойства ультрафиолетовых лучей нашли практическое применение при стерилизации воды, молока и других веществ.

Сильное влияние на бактерии оказывают лучи радиоактивных элементов, особенно α- и β-лучи. Влияние их находится в прямой зависимости от продолжительности воздействия. При небольшой экспозиции эти лучи стимулируют рост и ускоряют развитие микроорганизмов; при продолжитель­ной — сначала понижают интенсивность роста, а затем убивают живые клетки бактерий. Влияние па бактерии других видов лучистой энергии изучено значительно слабее.

Влияние разных видов излучений

Все живые организмы находятся под воздействием разных видов излучений. Эффекты, вызываемые облучением живых организмов, зависят от длины волны излучения и его дозы (произведение интенсивности на время). По мере того как длина волны электромагнитного излучения уменьшается, энергия излучения возрастает. Солнечный свет является главным источником излучения на Земле. Он включает в себя видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, а также радиоволны. Наиболее длинноволновые излучения (радиоволны) не вызывают биологического эффекта. Инфракрасные лучи проявляют тепловое действие на организм. Видимые лучи (380-750 нм) используются цианобактериями, водорослями и высшими растениями в процессе фотосинтеза. У пурпурных и зеленых бактерий фотосинтез происходит в более широ­ком интервале длин волн (от 350 до 1100 нм). В этом же диапазоне свет действует на подвижность (фототаксис) бактерий и одноклеточных водорослей, на циклы развития, на синтез пигментов у фототрофных бактерий. Солнечный свет, используемый в реакциях фотосинтеза, служит основным источником энергии для подавляющего большинства экосистем на Земле. В целом жизнь на Земле поддерживается благодаря способности фототрофов улавливать световую энергию солнца.

Хотя видимый свет и необходим для жизни на Земле, при его высо­кой интенсивности могут повреждаться клетки микроорганизмов. При абсорбции света фотосинтетические пигменты (такие как хлорофилл) переходят в возбужденное состояние. При передаче части энергии от находящихся в возбужденном состоянии пигментов на кислород может генерироваться так называемый синглетный кислород, который обла­дает высокой реакционной способностью и также относится к активным формам кислорода. Синглетный кислород является мощным окисли­тельным агентом и может повреждать или даже убивать клетки микроорганизмов. Он ифает важную роль при уничтожении фагоцитированных бактерий в процессе фагоцитоза.

Действие ультрафиолетового (УФ) излучения с длиной волны 200 -300 нм может быть либо летальным, либо мутагенным в зависимости от природы микроорганизма и дозы облучения. Прямые УФ лучи убивают клетки микроорганизмов в течение 10-30 мин. Это свойство УФ облучения находит практическое применение в медицине. УФ облучение используется для дезинфекции воздуха в больницах и школах, а также для стерилизации вакцин и сывороток. Главной причиной его бактерицидного действия является нарушение структуры нуклеиновых кислот. Мута­генным действием обладает УФ излучение с длиной волны 260 нм, которое наиболее эффективно абсорбируется ДНК. Основной механизм повреждения ДНК реализуется через образование димеров тимина, что нарушает функционирование и репликацию ДНК.

Более коротковолновые ионизирующие излучения - рентгеновское (х-гауз) и гамма-излучение — вызывают либо мутации, что происходит при низких дозах облучения, либо гибель микроорганизмов, если дозы облучения более высокие. Тем не менее некоторые бактерии, как, а также бактериальные эндоспоры могут выживать и при высоких дозах ионизирующих излучений.

Биохимические адаптации к свету высокой интенсивности

Многие микроорганизмы, которые находятся в воздухе или обитают на различных поверхностях, где они подвержены действию света, образуют каротиноидные пигменты. Это является универсальным механизмом адаптации к свету высокой интенсивности и защиты от токсических форм фотосенсибилизированного кислорода. Как говорят, каротиноиды тушат синглетный кислород. Это означает, что они абсорбируют энергию синглетного кислорода и переводят его в обычное триплетное состояние. Такой путь используют как фотосинтетические, так и «нефотосинтетические» микроорганизмы. Некоторые грибы способны накапливать в клеточных стенках меланиновые пигменты. Считается, что эти пигменты выполняют функцию защиты от многих стрессовых факторов, в том числе от интенсивного света.

2) Химические факторы

Из химических факторов наибольшее влияние на бактерии: оказывают реакция среды и различные химические соединения.

– Реакция среды

Различные микроорганизмы по-разному относятся к реакции окружающей их среды. Плесневые грибы и дрожжи лучше всего развиваются при слабокислой реакции, когда рН соответствует примерно 3 — 6. Различные гнилостные и нитри­фицирующие бактерии хорошо растут при почти нейтральной или слабощелочной среде. Оптимум рН для них 6,5 — 8,0. Очень чувствительны к реакции среды азотфиксирующие бак­терии. Особенно большой требовательностью в этом отноше­нии отличается азотобактер. Он лучше всего развивается при слабощелочной реакции (рН 7,4 — 7,6). В почвах, обладающих кислой реакцией (рН 4,0 — 5,0), азотобактер почти не обнару­живается. Если почву, в которой содержится азотобактер, ис­кусственно подкислять, то он очень быстро исчезает. Если же кислую почву подвергнуть известкованию, то через некоторое время в ней начнет усиленно развиваться азотобактер. Клубеньковые бактерии также лучше развиваются при слабощелочной реакции среды. Зона рН для них лежит в пределах 4,2 — 10 (для разных видов).

рН воздействует на жизнедеятельность самих клеток и на образование и активность ферментов, от которых зависит рост и размножение клеток. От концентрации водородных ионов зависит поступление веществ в клетку.

Особенно повышенной чувствительностью к реакции среды обладают бактерии в логарифмической фазе роста. Так, если перенести культуру Е. соli, находящуюся в логарифмическом фазе роста, на среду с повышенной кислотностью (рН 7), то можно наблюдать резкое падение жизнеспособности клеток культуры, продолжающееся около часа, после чего рост возобновляется.

Реакция среды является важнейшим фактором, определяющим интенсивность развития соответствующих микроорга­низмов и их активность. Регулируя этот фактор, можно то усиливать, то ослаблять развитие отдельных групп бактерий.

Биохимическая адаптация микроорганизмов к экстремальным значениям рН

С одной стороны, концентрация ионов водорода непосредственно влияет на клетку, ее электрический заряд, состояние мембраны, возможность протекания окислительно-восстановительных реакций. С другой стороны, значения рН в среде, косвенно определяя ионное состояние металлов, влияют на их доступность и токсичность для микроорганизмов.

Независимо от рН окружающей среды внутриклеточное значение рН поддерживается близко к нейтральному даже у ацидо- и алкалофилов, что достигается прежде всего работой протонной и натриевой ламп. Внеклеточные белки экстремальных ацидофилов отличаются высокой стабильностью по отношению к кислотам и катализируют реакции в кислой среде, тогда как их внутриклеточные белки имеют нейтральный или слабокислый оптимум активности. При низких значениях рН клетки ацидофилов синтезируют шапероны, такие как белки теплового шока, которые, по-видимому, предотвращают кислотную денатурацию белков и способствуют рефолдингу денатурированных белков.

– Дезинфицирующие вещества

Большой теоретический и практический интерес представляет изучение ядовитого действия многих химических соединений на микроорганизмы. Из неорганических соединений сильное действие на микроорганизмы оказывают соли тяжелых металлов, в частности соли ртути (сулема), серебра, свинца, урана. Вещества, действующие неблагоприятно на микробов, называются антисептическими или дезинфицирующими.

Дезинфицирующее действие химических факторов впервые было раскрыто и разработано Чугаевым. Для дезинфекции химические вещества должны вступить в контакт с микробами. Этот контакт обеспечивается следующими условиями: подходящей средой; степенью раздробления (дисперсности) ве­щества (порошок, раствор); температурой, ускоряющей процесс диффузии; концентрацией химического вещества; време­нем воздействия; особенностями микроба.

Вегетативные клетки бактерий гибнут в течение нескольких минут при концентрации солей тяжелых металлов от 0,1 —0,2% до 0,01% и даже меньше. Споры отличаются большей стойкостью к ядам. Они выдерживают более высокие концентрации и более продолжительные сроки воздействия. Это обусловливается малой проницаемостью наружной оболочки бактериальных спор.

Соли тяжелых металлов свертывают белковые вещества протоплазмы, давая с ними нерастворимые в воде соединения — альбуминаты. В результате этого нарушается строение протоплазмы и нормальные процессы жизнедеятельности ста­новятся невозможными. В такой же степени влияют на развитие микроорганизмов хлорная известь, перекись водорода, озон, перманганат. Многие группы органических соединений также сильно ядовиты для бактерий. К ним относятся спирты жирного и ароматического ряда. Они действуют в зависимости от содержания в них атомов углерода: с повышением числа атомов углерода бактерицидная сила вещества увеличивается. Широкой известностью в бактериологической практике пользуется ароматический спирт-фенол, или карболовая кислота. Вегетативные клетки бактерий быстро гибнут от 3—5%-ного раствора фенола, а споры выдерживают действие 5%-ного раствора в течение двух недель. Очень ядовит формальдегид, который вступает во взаимодействие с аминными группами аминокислот и пептидов, связывает их, нарушая физиологическую деятельность клетки.

Механизм действия всех дезинфицирующих веществ сводится к нарушению физико-химической структуры микробной клетки. Выбор дезинфицирующего вещества зависит от биологических свойств микроба и от той среды, в которой он находится. Например, сулема мало пригодна для дезинфекции белковых жидкостей (гноя, крови, мокроты). Под ее влиянием происходит свертывание белка, а свернувшийся белок предохраняет микробов от действия ядов.

Дезинфицирующими веществами пользуются для консервирования питательных сред. Для предупреждения роста различных микробов в питательную среду добавляют хлороформ, толуол, эфир, затем перед употреблением среду нагревают, и эти вещества улетучиваются.