Влияние t на жизнедеятельность микроорганизмов

 

Микроорганизмы не могут регулировать свою t, их функциональная активность определяется температурой окружающей среды. t влияет на состояние макромолекул и все физико-химические процессы в клетке.

По мере повышения t возрастает скорость химических реакций (при повышении t на 10°С в два раза), ферментативная активность, увеличивается скорость роста микроорганизмов (также при повышении t на 10°С в два раза).

 

Для каждого организма существует температурный диапазон (около 40°С?), в пределах которого, возможен рост и размножение микроорганизмов. Диапазон ограничен min и max t.

Минимальная t – это t, ниже которой рост невозможен.

Максимальная t – это t, выше которой рост невозможен.

Оптимальная t – это t, при которой организм растет с наибольшей скоростью. Оптимальный рост наблюдается в интервале около 20 °С.

Изменения t в рамках нормального диапазона не влияют на физиологическое состояние бактерий. В зависимости от t у бактерий меняется жирнокислотный состав мембранных фосфолипидов, что обеспечивает стабильное состояние текучести мембран и их транспортных систем. При повышении t увеличивается количество насыщенных длинноцепочечных жирных кислот (у них более высокая t плавления), что повышает термостабильность мембраны. При низких t для предотвращения «замерзания» мембраны в составе липидов мембран увеличивается количество короткоцепочечных и ненасыщенных жирных кислот.

Быстрое изменение температуры среды от нормальной до экстремальной, например, резкое охлаждение обычных бактерий до 4°С или нагревание до 54°С, может вызвать повреждение клеток.

При значительном повышении t разрушаются белки, НК, нарушается проницаемость мембраны, разрушаются др. компоненты клетки, что приводит к гибели клеток.

В ответ на тепловой шок при повышении t до верхнего предела диапазона роста временно повышается уровень экспрессии белков теплового шока ( БТШ) (в 10-50 раз). БТШ составляют часть обычного набора клеточных белков, но для выживания при стрессе требуются в повышенных концентрациях. Осуществляют правильную сборку отдельных белков и мультибелковых комплексов. Действуют кооперативно. Белок DnaK совместно с GrpE и DnaJ предотвращают агрегацию новосинтезированных белков и белковых молекул, не свернутых должным образом вследствие стресса. Белок GroEL, вероятно служит шепероном и участвует в укладке новосинтезируемых и несвернутых полипептидов.

Высокие t используют для инактивации микроорганизмов. В сухожаровом шкафу используют t 160-170°С в течение 2-х часов. В автоклавах два фактора: давление и высокая t.

Устойчивость к температуре вегетативных клеток у разных видов бактерий различна. E. coli при 60 °С погибает через 15 мин. Эффективна пастеризация – 63-75 °С. Сальмонеллы . S. typhimurium (один из возбудителей сальмонеллеза, (возбудитель тифа – S. typhi, путь заражения фекально-оральный, воз-тель выделяется с испражнениями, мочой, слюной, передается через молоко, молочные продукты, мясо) погибает в толще куска мяса свинины через 10 мин. после того как t внутри куска достигнет 80 °С. Пастеризация молока при 85 °С в течение 30 мин. приводит к полному уничтожению сальмонелл. В замороженных желтках при – 20 °С сохранялись до 13 месяцев. (Штамм E. сoli выживал в нефти в течение 5,5 месяцев, в базовом масле – около 4 месяцев, в гексадекане – около 2,5 месяцев). Стафилококки при 80 °С погибают через 10-40 мин., при кипячении мгновенно (эндотоксин устойчив к t).

При минимальной t и ее дальнейшем понижении микроорганизмы в основном не погибают и могут длительное время сохранять жизнеспособность. [Хранение в жидком азоте (-195,8°С), в сухом льде (-78,5), в холодильных камерах используется для длительного хранения культур в лаб. условиях. Для замораживания используют медленное понижение t до - 20°С и быстрое в последующем и специальные смеси, содержащие криопротекторы (глицерин, диметилсульфоксид, лошадиная сыворотка, этиленгликоль). При этом микроорганизмы находятся в условиях анабиоза. Аналог – существование микроорганизмов в ледниках Антарктиды и зонах вечной мерзлоты].

Сильное понижение t может немедленно привести к гибели, т.к. нарушаются барьерные функции мембраны, происходит потеря растворенных веществ, прекращаются процессы биосинтеза. По мере дальнейшего снижения t в клетках начинает образовываться лед, который повреждает белки и мембраны, вызывая потерю целостности клетки. Это вызывает гибель. При образовании льда вокруг клеток концентрируются соли, что приводит к локальному повышению осмотического давления, что инициирует адаптацию к осмотическому стрессу. В результате накапливаются в клетках осмопротекторы и это может защитить некоторые белки от повреждения льдом. Отдельные бактерии обладают способностью регулировать образование льда благодаря наличию центров его кристаллизации в белках наружной мембраны. Преимущество в этом случае дает упорядоченность структур льда, образующихся при кристаллизации с участием этих белков, такие структуры слабее повреждают клетки.

 

На основании t-ного диапазона и opt t микроорганизмы делят на три группы:

1. Психрофилы – способны к росту при 0°С. (гр. «psychria» - холод).

2. Термофилы – растут при t выше +45-50°С. (гр. «therme» -жара, тепло).

3. Мезофиллы – развиваются в диапазоне умеренных t. T-ный диапазон от +10 до 45°С, opt t 30-40°С. (гр. «mesos» - средний, промежуточный). К мезофиллам относится большинство микроорганизмов.

Прокариоты могут развиваться в диапазоне от -5 до +113° С.

 

Психрофилы

Способность бактерий к росту при 0°С была обнаружена Форстером в 1887 г.

Делятся на две группы:

1. Облигатные психрофилы - t-ный диапазон от -10 до +20°С; opt t ~ 15°С или ниже (в зависимости от вида).

2. Факультативные психрофилы (психротрофы, психроактивные)- t-ный диапазон шире: от –10 до +35 °С. opt t выше, чем у облигатных психрофилов: 20-30 °С.

Облигатные психрофилы могут существовать только в местах с постоянно низкой t: в арктических морях (облигатные психрофилы арктического происхождения); в глубинах морей, океанов (в глубинных слоях Мирового океана t ~ +1-+2°С), одновременно, являясь барофилами (до 1000 атм.). В полярных и альпийских озерах, в арктических и антарктических льдах, ледниках высокогорья, в снеге, в воде колодцев, родников. Большинство психрофилов – морские обитатели.

Облигатные психрофилы очень чувствительны к повышению t, даже на 1° выше максимальной. У них нарушается деление клеток, изменяется структура клеточной стенки, происходит лизис клеток. Это касается в первую очередь бактерий, выделенных из арктических морей. Они погибают даже при комнатной t. t- 15-20 °С для них губительна. Отличаются низкой метаболической активностью. Очень медленно развиваются. С ними сложно работать (в охлажденных комнатах, охлажденные приборы, в рефрежераторах).

Определенной систематической категории, объединяющей облигатных психрофилов нет. Большинство относятся к роду Vibrio. Обнаружены в различных родах бактерий: Aerobacter, Aeromonas, Azotobacter, Nitrsomonas, Nitrobacter, Micrococcus, Bacillus, Clostridium.

Известны «снежные водоросли» способны развиваться на поверхности снега или льда, окрашивая его в ярко-красный цвет (отмечал еще Аристотель). Развиваются при t от -2°С до 10°С. Наиболее распространена одноклеточная снежная водоросль Chlamydomonas nivalis, в результате развития которой снег окрашивается в розовый цвет.

Нижний t-ный предел развития психрофилов – точка замерзания. В обычных условиях это 0°С, но в ряде случаев могут возникать переохлажденные жидкости с минусовой t. В природе переохлажденные растворы могут образовываться при вымораживании воды в соленых водоемах, например, под слоем льда в антарктических озерах или линзах, образующихся на литорали в условиях вечной мерзлоты. Скорость развития м/о может быть достаточно высокой. Так, для B. cryophilus при t культивирования -5°С было установлено время удвоения 6 ч.

 

Факультативные психрофилы обитают в местах с меняющимися температурными условиями. Распространены в природе более широко, чем психрофилы: в почвах, болотах, в осадках мелководных водоемов, расположенных в холодной климатической зоне, в родниковой, колодезной воде (около 10² кл/мл воды). Вызывают порчу пищевых продуктов, сохраняемых в холодильниках и холодильных камерах. Поэтому молоко следует хранить при t 0 - +4°С и реализовать в течение 24-36 часов. Мясо и рыбу следует хранить согласно данным Международного Института Холода при t ниже -12 °С, а для длительного хранения рекомендуется t -25°С (т.е. в холодильных камерах). Если хранить мясо при t от 0 до -12°С, то имеется вероятность развития психроактивных бактерий, например, Pseudomona s и др., что приводит к появлению характерного запаха. При пониженных t могут развиваться патогенные бактерии. При t +6 °С Clostridium botulinum типа Е образует токсин.

Механизмы психрофилии

1. Повышенное содержание в липидах мембран ненасыщенных жирных кислот (а у глубоководных психрофилов, одновременно являющихся и барофилами – полиненасыщенных); транспортные системы работают лучше при низких t.

2. У истинных психрофилов ферменты термолабильны и имеют низкие t-ные oптимумы. Белки психрофилов имеют больше полярных групп, чем гидрофобных (по сравнению с мезофиллами).

3. Синтез белка активизируется при понижении t.

 

Термофилы

К термофильным относятся микроорганизмы, способные к росту при t > 45-50°С. Выделяют несколько групп:

1. Термотолерантные – диапазон от +10 до +55-60°С, opt t 35-40°С. Имеют температурное плато (~ 10°С).

2. Факультативные термофилы - диапазон от +20 до +65°С, opt t 50-65°С. 3. Облигатные термофилы - диапазон от +40 до +70°С, opt t 60-70°С.

4. Экстремально термофильные – диапазон от +40 до +90°С, opt t 70-80°С.

5. Гипертермофилы – диапазон от +80 до +115°С, opt t ~ 100-105°С.

 

Места обитания термофилов: Встречаются в саморазогревающихся субстратах (компостные, навозные кучи, угольные отвалы и т.д.), в системах водоснабжения, в метантенках при термофильном анаэробном разложении органических отходов с образованием биогаза, в высокотемпературных нефтяных пластах.

Экстремальные термофилы и гипертермофилы встречаются в горячих источниках, в глубоководных морских гидротермах.

Наиболее термоустойчивыми на сегодняшний день являются архебактерии-гипретермофилы р. Pyrococcus («неистовые огненные шарики»)и Pyrodictium (огненная сеть). P. furiosus (морская архебактерия, обитает в геотермальных морских осадках) t диапазон 70-103°С, opt t 100°С. Pyrodictium еще более термоустойчива t диапазон 80-110°С, opt t 105 °С (обитает в подводных гидротермах). Т.к. для существования жизни нужна жидкая вода, то гипертермофилы, растущие при t выше 100°С, встречаются в средах с повышенным давлением (в зонах глубоководных гидротермальных вентов, где точка кипения воды выше 100°С). Верхний предел для жизни – между 113°С и 130°С. При 130°С АТФ и ДНК разлагаются в результате термического гидролиза. Период их полужизни сокращается до нескольких минут или даже секунд. При этом биохимическая активность едва ли возможна.

Интенсивность обмена у термофилов выше, чем у мезофилов. Среди термофилов встречаются организмы с разным типом обмена. Есть термофильные фототрофные бактерии (цианобактерии, зеленые бактерии), образующие цианобактериальные маты. Они развиваются в интервалах t 40-70°С. Верхний температурный предел для фотосинтезирующих организмов (цианобактерии, зеленые, пурпурные бактерии) - 70-73°С. При t > 70-73°С нарушается способность к синтезу фотсинтетических мембран. Для водорослей верхний температурный предел - 55-60°С. Вообще, верхний температурный предел для эукариот ~ 60-62 °С, причем при этой температуре могут расти лишь немногочисленные виды грибов.

 

Механизмы термофилии

 

1. В липидах мембран высокое содержание насыщенных жирных кислот. Кроме этого, эти жирные кислоты длинноцепочечные (17-19 атомов С), с разветвленными цепями, это обеспечивает механическую прочность мембран.

У архебактерий в липидах мембран отсутствуют жирные кислоты. Липиды представлены эфирами глицерина и высокоатомных спиртов (С₂₀ –спирт фитанол и С₄₀ –спирт бифитанол). Причем в бифитаниловых цепях спиртов имеются циклические группировки (от 1 до 4) (пятичленные кольца), количество таких цепей при повышении t увеличивается, т.к. эти структуры обеспечивают функционирование мембран при высоких t.

2. Белки термофилов термоустойчивы. Более того, они стабилизируются при повышении температуры. В белках повышенное содержание аминокислот, содержащих свободные аминогруппы, это ведет к повышению термостабильности. Отличаются по третичной структуре от мезофильных. В клетках экстремальных термофилов присутствуют особые белки-шепероны, которые организованы в термосомы, способствуют формированию специфически термостабильной третичной структуры

3. Клеточные компоненты (клеточная стенка, мембрана, рибосомы) более термостабильны, чем у мезофиллов.

4. ДНК более термостабильна, чем у мезофиллов. Обычно это связывают с повышенным содержанием G-C-пар. Однако у архебактерий содержаниие G-C-пар 31-60 % (т.е. не больше, чем у мезофиллов). Термостабильность ДНК у архебактерий обеспечивается суперспирализацией, которая достигается действием специфического фермента – обратной гиразы. Для стабилизации ДНК важны гистоны, они сдвигают точку плавления на 30°С.