Вопрос 25. Физические факторы окружающей внешней среды, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов: лучистая энергия, ультразвук.

Лучистая энергия. Излучения разных типов обладают потенциальной способностью оказывать на микроорганизмы разрушительное действие. Однако одноклеточные организмы имеют множество защитных механизмов; многие виды микроорганизмов используют не один, а большое число способов борьбы с радиационными излучениями. Излучения в окружающей среде подразделяются на неионизирующие, наиболее опасные для микроорганизмов, и на ионизирующие.

Неионизирующее излучение. Из всех естественных излучений неионизирующая солнечная радиация обладает наибольшим потенциалом биологически вредного воздействия.

Подсчитано, что только 0,00028 % солнечной радиации оказывают летальное действие на бактерии. Существенная опасность солнечного излучения проявляется в появлении мутантных организмов, дефектных в их способности осуществлять репаративные (восстановительные) процессы. Например, более 99,9 % клеток Е. coli, у которых нарушены репаративные механизмы, погибают при облучении солнечным светом в течение 3 мин. Таким же образом солнечные лучи влияют на мутантные штаммы дрожжей. Весь спектр солнечного излучения с длинами волн вплоть до 700 нм оказывает на микроорганизмы летальное действие, но наиболее опасные длины волн лежат в ультрафиолетовой области спектра (менее 400 нм). Хотя эти лучи имеют низкую проникающую способность, они вызывают у одноклеточных организмов фотохимические реакции. К наиболее важной из них относится образование пиримидиновых димеров в ДНК. Резистентность (устойчивость) разных видов бактерий к УФ- облучению варьирует в широких пределах. В настоящее время УФ- облучение довольно широко используется на практике: для дезинфекции операционных в больницах, лабораторных помещений, холодильных камер и др. Кроме того, УФ-лучи могут быть использованы для дезинфекции тары, оборудования, посуды, а также для стерилизации плодовых соков и вин (в тонком слое).

Ионизирующее излучение. Существуют природные источники ионизирующего излучения двух типов: внеземные и земные. Внеземные источники излучения возникают в космическом пространстве как первичные космические лучи. Они дают начало вторичным космическим лучам, воздействию которых и подвергаются живые организмы. Земные источники излучения могут быть естественными и искусственными. Естественными источниками излучения являются радиоактивные изотопы в скальных породах, почве, гидросфере и атмосфере. Некоторые из них поглощаются живыми организмами, и, следовательно, облучение может быть не только внешним, но и внутренним. Средняя доза внешнего облучения от земных источников составляет 50 мрад в год, внутренняя - 20 мрад в год. Источники искусственного ионизирующего излучения возникают в результате испытаний ядерного оружия, работы атомных электростанций, применения радиоактивных изотопов в медицинских целях и др. Как правило, они строго локализованы. Значимая доза от искусственных источников излучения составляет лишь около 1 % естественных источников. Микроорганизмы могут периодически или постоянно получать высокие дозы облучения. Чувствительность микроорганизмов к облучению варьирует в необычайно широких пределах. Причины столь значительных вариаций радиационной чувствительности неясны. Обнаружен вид Pseudomonas, обитающий в ядерных реакторах. Ионизирующие излучения вызывают повреждения в клетке, которые подразделяются на две категории: непосредственные и опосредованные. Непосредственные повреждения - это одноцепочечные или двухцепочечные разрывы в ДНК. Они относительно редки. Опосредованные повреждения возникают в связи с образованием свободных радикалов, которые тоже вызывают одноцепочечные и двухцепочечные разрывы. В настоящее время для обработки сельскохозяйственного сырья, пищевых продуктов и другого используют ионизирующую радиацию, в частности γ-лучи. Такую обработку называют радуризацией. Однако радуризация пищевых продуктов в России разрешается органами здравоохранения с большой осторожностью.

Ультразвук (УЗ) - это механические колебания с частотами более 20 000 колебаний в секунду (20 кГц). Колебания такой частоты находятся за пределами слышимости человеком. УЗ-волны распространяются в твердых, жидких и газообразных средах, обладают большой механической энергией и вызывают ряд физических, химических и биологических явлений. Различные микроорганизмы обладают неодинаковой чувствительностью к воздействию ультразвука. Штаммы микроорганизмов одного и того же вида имеют разную устойчивость. Бактерии более чувствительны, чем дрожжи; при этом шаровидные формы более стойки, чем палочковидные. Споры бактерий значительно устойчивее вегетативных клеток. Эффективность действия УЗ при одной и той же интенсивности и частоте колебаний зависит от продолжительности воздействия, химического состава облучаемой среды, ее вязкости, рН, температуры, числа бактерий в объекте. УЗ все более широко применяется в различных областях техники и отраслях промышленности. Ведутся исследования по применению УЗ для стерилизации питьевой воды, пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин).

Вопрос 26 Химические факторы окружающей внешней среды, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов: рН среды, r Н₂ среды.

Реакция среды (рН) оказывает большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Для каждого микроорганизма существует своя оптимальная зона рН, в пределах которой он может развиваться. Большинство микроорганизмов развивается в нейтральной среде, т.е. при рН около 7, и испытывает угнетение в более кислой или более щелочной среде. Однако в зависимости от места обитания могут быть щелочнолюбивые и кислотолюбивые микроорганизмы. Как общую закономерность можно отметить, что бактерии больше тяготеют к нейтральной среде, грибы - к слабокислой. Однако имеется немало исключений из этого правила. Сапрофиты, живущие в почве или в водоемах, а также на пищевых продуктах, могут развиваться в среде со значительными колебаниями рН. Поэтому они приспособились существовать в довольно широком диапазоне рН, измеряемом несколькими единицами. Паразитические формы, приспособленные к условиям тела хозяина, живут обычно в очень узком диапазоне рН - в пределах единицы. Серные бактерии, окисляющие серу и тиосульфат в серную кислоту, которая накапливается в окружающей среде в значительном количестве, живут при оптимальном рН - 2,5...3,5 (Th. thiooxydas). При более кислом рН их рост значительно хуже, но возможен до рН 6. При рН 4...6 организм плохо развивается, а при рН выше 6 клетки автолизируются. Щелочелюбивыми являются клетки, развивающиеся при рН 9... 10 (Spirulina platensis). Одним из самых щелочелюбивых микроорганизмов является споровая бактерия, выделенная из зольника при обезволошивании шкур. Эта бактерия хорошо развивается при рН 11, так как приспособилась жить в присутствии насыщенного Ca(OH)₂. Только при рН 12,4 в зольнике прекращается деятельность гнилостных бактерий. Плесневые грибы могут развиваться в широком диапазоне рН - от 1,2 до 11,0. Споры грибов прорастают в более узком интервале рН. Микроорганизмы, живущие в широком диапазоне рН, обычно довольно значительно изменяют свой обмен веществ в более кислых или более щелочных условиях. В более кислых условиях обмен веществ осуществляется таким образом, что в среду продуцируются щелочные вещества, нейтрализующие кислотность. В более щелочных условиях многие микроорганизмы усиленно продуцируют кислоты, уменьшающие щелочность среды. У многих микроорганизмов имеется способность в известных пределах регулировать рН среды. Эту способность микроорганизмов можно назвать «приспособительным обменом», когда одни и те же микроорганизмы, например дрожжи, в кислой среде образуют из сахара большое количество этилового спирта и мало глицерина, а в щелочной - большое количество глицерина и мало спирта. Установлено, что некоторые органические кислоты (уксусная, бензойная, масляная) оказывают бактерицидное действие на микроорганизмы. Уксусная кислота губительно действует на микроорганизмы в концентрации 0,5...2%. Молочнокислый стрептококк прекращает размножаться в присутствии молочной кислоты при рН 4,7...4,4, а уксусной - при рН 5,1...4,8. Зная отношение микроорганизмов к реакции среды и регулируя рН, можно подавлять или стимулировать их развитие, что имеет большое практическое значение. Неблагоприятное воздействие кислой среды на гнилостные микроорганизмы используется при хранении некоторых пищевых продуктов в маринованном и квашеном виде. При мариновании к продукту добавляют уксусную кислоту. При квашении дают возможность развиваться молочнокислым бактериям, которые образуют молочную кислоту и препятствуют развитию гнилостных бактерий. Маринованные и квашеные продукты следует пастеризовать и хранить при пониженной температуре.

Окислительно-восстановительные условия среды. Кислород, являясь одним из важнейших факторов внешней среды, необходим микроорганизмам (за исключением анаэробов) для осуществления окислительных процессов, которые дают энергию для жизни. Микроорганизмы при поверхностном росте (на субстрате) получают кислород непосредственно из воздуха. При глубинном росте (внутри субстрата) микроорганизмы могут использовать только растворенный кислород. Аэробам требуется много кислорода. Например, для окисления 1 г глюкозы до СО₂ и Н₂0 им требуется приблизительно 1 г кислорода: C₆ H₁₂ O₆ +6O₂ =6CO₂ +6H₂ O. Из-за резких колебаний условий аэрации микроорганизмы должны обладать большой лабильностью и приспосабливаться к разным условиям снабжения кислородом. Микроорганизмы обладают разными потребностями в условиях аэрации. Те из них (а их большинство), которые живут за счет окисления веществ кислородом, называются облигатными аэробами, а те, которые получают энергию без участия кислорода воздуха за счет сопряженного окисления-восстановления веществ субстрата, называются облигатными анаэробами. Для облигатных анаэробов кислород вреден, так как в его присутствии у них образуются перекиси, которые вызывают нежелательные окисления, в результате чего их жизнедеятельность приостанавливается. Наряду с облигатными анаэробами и аэробами есть промежуточные формы с признаками двух типов: микроорганизмы, имеющие лабильный обмен веществ, т.е. живущие за счет окисления кислородом воздуха и за счет сопряженных окислительно-восстановительных реакций без участия кислорода воздуха; их называют факультативными аэробами; при недостатке кислорода они могут переходить на анаэробный способ существования; микроорганизмы, для которых кислород необязателен, так как они живут за счет сопряженного окисления-восстановления; их называют факультативными анаэробами; кислород для них либо неядовит, либо слабо ядовит. Степень аэробности или анаэробности может быть количественно охарактеризована величиной окислительно-восстановительного потенциала, при которой микроорганизмы могут развиваться. В микробиологии окислительно-восстановительный потенциал выражают через индекс rН₂, который аналогичен рН, но рН выражает степень кислотности и щелочности, а rН₂ - степень аэробности. В водном растворе, насыщенном кислородом, rН₂ = 41, а в условиях насыщения водородом rН₂ =0. Шкала от 0 до 41 характеризует любую степень аэробности и анаэробности. Облигатные анаэробы могут жить при rН₂ не выше 18...20, но не размножаться. В этих условиях они выделяют в среду восстановители (вещества, способствующие преобразованию неблагоприятных условий среды в благоприятные). Размножаются же они лишь при крайне низких значениях rН₂ - не выше 3... 5. Для облигатных аэробов нижним пределом жизнедеятельности является rН₂ = 10, а при rН₂=30 и выше условия жизнедеятельности являются неблагоприятными. Облигатные аэробы защищаются от чрезмерного окисления выделением в среду сильных восстановителей. Факультативно аэробные и анаэробные микроорганизмы живут в широком диапазоне rН₂ - от 0 до 30. Низкие значения rН₂ не оказывают вреда, а высокие неблагоприятны. Микроорганизмы всегда снижают высокие показатели rН₂ в среде, выделяя в среду восстановители. Сознательно регулируя окислительно-восстановительные условия среды, можно затормозить или активизировать рост тех или иных микроорганизмов. Создавая анаэробные условия хранения пищевых продуктов, можно задержать развитие микроорганизмов, вызывающих их порчу.