Розділ 3 .Вплив факторів зовнішнього середовища на мікроорганізми

Розвиток і життєдіяльність мікроорганізмів тісно пов'язані з навколишнім середовищем. Прояв їх діяльності залежить від зміни або особливостей цього середовища.

Фактори зовнішнього середовища численні і різноманітні. Зазвичай їх поділяють на фізичні, хімічні та біологічні.

Фізичні фактори

До фізичних факторів зовнішнього середовища, які позитивно чи негативно діють на життєдіяльність мікроорганізмів, належать: вологість середовища, концентрація в ній розчинених речовин і її осмотичний тиск, температура, сонячне світло і різні форми променевої енергії.

Вологість середовища. Деякі види мікробів вельми чутливі до нестачі вологи. Наприклад, нітрифікуючі і оцтовокислі бактерії після висушування швидко відмирають. Інші, навпаки, можуть зберігатися у висушеному стані протягом декількох місяців і навіть років (стафілококи, молочнокислі бактерії, дріжджі). Особливо стійкі до висушування спори бактерій і цвілевих грибів. Вони можуть зберігатися у висушеному стані десятки років. Висування у вакуумі при низькій температурі з подальшим ­зберіганням в безповітряному середовищі зберігає життєдіяльність мікробів тривалий час (ліофільна сушка). Цей метод широко використовується для тривалого зберігання мікробних культур. Так, деякі хвороботворні бактерії (коки) зберігалися в подібних умовах 25, а мікобактерії - 17 років.

В ґрунті різні групи мікроорганізмів найбільш інтенсивно розвиваються при вологості, близькій до 60% повної водоємності.

До найбільш вологолюбивих ґрунтових бактерій відносяться азотфіксуючі (азотобактер і бульбочкові). Тільки при достатній вологості в ґрунті в їх клітинах можуть здійснюватися інтенсивні біохімічні процеси. При висушуванні ґрунту мікробіологічна активність знижується або повністю подавляється. Нездатність мікроорганізмів розвиватися в умовах недостатньої вологості використовується для запобігання від псування продуктів і кормів шляхом висушування. Сушінню піддають м'ясо, рибу, овочі, фрукти, молоко та інші продукти, а також сіно.

Концентрація розчинених речовин у середовищі. В природних умовах мікроорганізми живуть в розчинах з різною концентрацією розчинених речовин, а отже, і з неоднаковим осмотичним тиском. Багато мікробів дуже чутливі до зміни звичайної концентрації і пов'язаного з нею осмотичного тиску субстрату.

Підвищення концентрації солей в середовищі вище визначеної межі порушує нормальний обмін речовин між клітиною і зовнішнім середовищем. В цьому випадку вода виходить з клітини, цитоплазма відходить від клітинної оболонки (плазмоліз), надходження в клітину живильних речовин припиняється. В такому стані мікроорганізми досить швидко гинуть і лише деякі здатні тривало зберігатися. Так, існують бактерії, які адаптувалися до високих концентрацій солей (близько 29%). Ці бактерії називають галофільними («люблячими» сіль).

Згубна дія високих концентрацій солей на мікроорганізми знайшла застосування і в практичній діяльності людини. Вона лежить в основі консервування багатьох харчових продуктів (м'ясо, риба) в міцних розчинах солі. Більшість гнильних бактерій припиняє розвиток вже при 5 - 10%-вій концентрації NaCl в середовищі ( Protes vulgaris, Bacillus meseniericus). Однак для отримання більш надійних результатів вживають більш концентровані розчини кухонної солі - 20-30 %.

Для створення високого осмотичного тиску в рідині, крім хлористого натрію, широко використовують цукри, але в концентраціях, що перевищують 70%.

Температура. Температура середовища - один з найважливіших факторів, що впливають на життя мікробів. Кожен вид мікроорганізмів може розвиватися лише у визначених межах температури. Найнижча температура, при якій вони можуть розвиватися, називається мінімальною, найвища, при якій мікроорганізми ще розвиваються, - максимальна; температура найбільш активного розвитку називається оптимальною. Ці три температурні точки, визначаючі розвиток мікроорганізмів, прийнято називати кардинальними.

По відношенню до температури мікроорганізми поділяються на три групи: психрофільні, мезофільні і термофільні.

До психрофільних (греч. psichrio - Холодний, phileo - Люблю) відносяться мікроорганізми, що пристосуватися до розвитку при низькій температурі. Це плісняві гриби, бактерії що світяться, бактерії холодних водойм, льодовиків і т. п. Для них мінімальна температура становить від 0 до 10 ° С, оптимальна - близько 10°С і максимальна 20-30°С.

Деякі види здатні рости навіть при температурі нижче 0°С.

Взагалі до низьких температур мікроорганізми малочутливі. Ряд дослідників довели, що бактерії зберігають життєздатність після обробки їх протягом декількох годин рідким повітрям (- 182, - 100 ° С) або навіть рідким воднем (-252°С). Низькі температури припиняють життєдіяльність мікроорганізмів, тому попереджають порчу охолоджених м'яса, риби, масла, молока та інших продуктів.

Повторне заморожування після відтавання згубно діє на мікроби.

Психрофільні бактерії спір не утворюють.

Мезофільні бактерії (грец. mesos - середній) розвиваються при середніх температурах. До них відносяться більшість сапрофітів і всі патогенні мікроби.

Для них температурний мінімум лежить в межах 0-10°С, оптимум 25-35°С і максимум 40-50°С.

Термофільні бактерії (грец. termos - теплий) розвиваються при порівняно високій температурі. Температурний мінімум для них знаходиться близько 30°С, оптимум 50-60°С, максимум 70-80°С.

Термофільні мікроорганізми поширені в гарячих мінеральних водах і приймають діяльну участь в процесах самозігрівання навозу, силосу, вологого зерна.

Високі температури викликають загибель мікробної клітини в результаті згортання (коагуляції) білків цитоплазми і інактивації ферментів. Більшість безспорових бактерій відмирають при нагріванні до 60 - 70°С протягом 15-30 хв, а при нагріванні до 80 - 100°С за час від декількох секунд до 1-3 хв. У вологому середовищі бактерії при високій температурі гинуть швидше, ніж в сухому, так як пар сприяє швидкій коагуляції білка. Спори багатьох бактерій витримують нагрівання до 100°С протягом кількох годин. Навіть найбільш стійкі спори у вологому середовищі при 120°С гинуть через 20-30 хв, а при дії сухого жару (160-170°С) - через 1-2 ч.

На згубній дії високих температур засновані два способи знищення бактерій: пастеризація та стерилізація.                   

При пастеризації рідину нагрівають до 60 - 70°С протягом 20-30 хв або до 70-80°С протягом 5 - 10 хв, при цьому гинуть тільки вегетативні форми бактерій. Пастеризацію застосовують переважно для збереження молока, вина, ікри, фруктових соків і деяких інших продуктів.

Під стерилізацією розуміють звільнення будь-якого предмета або речовини від усіх живих істот. Це досягається нагріванням до 100-130°С протягом 20-40 хв; при цьому знищуються навіть спори бацил.

Вплив світла. Пряме сонячне світло вбиває майже всі види бактерій, за винятком пурпурних і фотобактерій. Під дією прямих сонячних променів бактерії гинуть за кілька хвилин або годин.

Біологічна дія сонячного світла на мікроби обумовлена ультрафіолетовими променями що знаходяться в ньому. Після проникнення в клітину вони, адсорбуючись життєво важливими частинами, білками і нуклеїновими кислотами, викликають фотохімічні і окисні процеси, що згубно діють на мікроорганізми. Ультрафіолетові промені вбивають через декілька хвилин і вегетативні форми і спори.

У біологічному відношенні найбільш цікаві ультрафіолетові промені з довжиною хвилі від 280 до 230 нм. Вони мають виражену бактеріостатичну і бактерицидну дію. В залежності від дози опромінення і виду мікроорганізму дія ультрафіолетових променів може бути летальною або мутагенною.

Лампи, що випускають ультрафіолетові промені з довжиною хвилі

254 нм, широко застосовують для стерилізації посуду, дезінфекції повітря в лікарнях і операційних, в школах, в боротьбі з довгоносиком, вражаючим зерно. Ультрафіолетові промені використовуються і для стерилізаціі води, молока, матеріалів, які руйнуються при дії високих температур.

Вплив радіації, рентгенівського випромінювання і електрики

Відомо,що радіо промені і рентгенівські промені у малих дозах і при нетривалій дії стимулюють розмноження деяких мікробів, у великих же дозах вбивають їх. Електричний струм високої частоти призводить до загибелі мікроорганізмів. Особливо сильну дію на них чинять струми ультрависокої частоти.

Вплив механічних струсів і високих тисків. Механічні дії (сильні і часті поштовхи) знищують більшість мікробів. Струшування в шутель-апараті з піском або з скляними бусами різко зменшує число життєздатних бактерій. Самоочищення водойм від мікроорганізмів частково відбувається внаслідок руху води в річках і струмках.

Високі тиски слабо впливають на мікроорганізми, окремі види бактерій можуть нормально жити і розмножуватися я в морях і в глибині 9 км, де тиск сягає 9*10 ⁴ кПа. Деякі види дріжджів, цвілевих грибів і бактерій переносять тиск і 3*10 ⁵ кПа.

ХІМІЧНІ ФАКТОРИ

До хімічних факторів, які впливає на життєдіяльність мікроорганізмів, відносяться: склад і реакція середовища, окислювально-відновні умови середовища.

Склад середовища. Хімічні сполуки можуть бути корисними для мікроорганізмів і використовуватися як поживні речовини або несприятливими - антимікробними (бактерицидними), які пригнічують або вбивають мікроорганізми. Антимікробні речовини по своїй хімічній структурі можуть бути віднесені до декількох груп. У практиці використовуються різноманітні хімічні і біологічні отруйні речовини для знищення мікроорганізмів при дезінфекції. При цьому застосовують як неорганічні так і органічні з’єднання. Ступінь токсичності цих речовин залежить від концентрації, від температури розчина, тривалості дії, а також від виду мікроорганізмів. Слабкі розчини підсилюють життєдіяльність мікробів. Сильніші розчини вбивають мікроорганізми лише у вегетативній стадії, дуже концентровані знищують і спори. Чутливість різних мікробів до однієї й тієї ж хімічної сполуки неоднакова. Деякі речовини надають шкідливу дію на одні групи мікроорганізмів та є нешкідливими для інших.

З неорганічних речовин найбільш отруйними для мікроорганізмів є солі важких металів (ртуті, міді, срібла). При їх концентрації 1:1000 більшість бактерій гине протягом декількох хвилин. Бактерицидну дію чинять хлор, йод, перекис водню, марганцевокислий калій. З мінеральних кислот цими властивостями володіють сірчиста, борна і деякі інші кислоти.

Сильними отрутами для мікробів є фенол (карболова кислота), креозоли, формалін. В різному ступеню токсичні спирти та деякі органічні кислоти (саліцилова, масляна, оцтова, бензойна). Природа дії отруйних речовин, що проникають у клітину, різна. Так, солі важких металів, спирти, феноли згортають білкові речовини цитоплазми; кислоти і луги гідролізують білки; вплив хлору, озону, перекису водню пов'язаний з окисними процесами в цитоплазмі. Багато отрути інактивують ферменти. Таким чином, порушується структура клітини, припиняється обмін речовин, і клітина гине. Дезінфікуючі речовини зазвичай застосовують у водних розчинах, що полегшує їх проникнення в мікробну клітину.

Дезінфікують тваринницькі приміщення, зерносховища, предмети догляду за тваринами, спецодяг і т.д. Крім того, розчини, що містять мідь, цинк і залізо, часто використовують для обприскування садів в боротьбі з грибними і бактеріальними захворюваннями рослин.

На згубному впливі антисептиків на бактерії засновано також копчення м'яса і риби, під час якого продукт просочується димом, що містить леткі сполуки, зокрема формальдегід, феноли, смоли.

Реакція середовища. Реакція середовища є істотним хімічним фактором, що впливає на життєдіяльність мікроорганізмів. Кислотність середовища виражається символом рН. Величина рН для нейтрального середовища рівна 7,0, для кислого -0-6,0 і лужного -8,0-14,0. Відношення мікробів до реакції середовища дуже різноманітно. Якщо одні можуть розвиватися в широких межах величини рН, то для розвитку інших мікроорганізмів коливання рН повинні бути незначні.

Для багатьох цвілевих грибів і дріжджів найбільш сприятливе середовище з рН 3,0-6,0; більшість бактерій краще розвивається в нейтральному або слабколужному середовищі (7,0-7,5). Дуже кисла реакція на бактерії діє згубно.  

Виняток становлять бактерії, які самі утворюють кислоту (оцтовокислі, молочнокислі, лимоннокислі і маслянокислі).

Мікроорганізми, що живуть у ґрунті або водоймах, зустрічаються зі значним коливанням рН, тому вони пристосувалися до широкого діапазону значень рН. І, навпаки, патогенні мікроорганізми, що живуть в тілі людини або тварини, можуть розвиватися в порівняно вузькому діапазоні рН.

Окислювально-відновні умови середовища. Розвиток мікроорганізмів знаходиться в тісному зв'язку з окисно - відновними умовами середовища, що позначаються умовно символом rН₂ . Він являє собою негативний логарифм тиску молекулярного водню і виражає ступінь аеробності в середовищі. Якщо середовище насичене молекулярним воднем, то rН₂ дорівнює нулю. При рівновазі окисних і відновних процесів в середовищі rН₂ дорівнює 28. При насиченні середовища киснем rН₂ дорівнює 41. На окисно-відновний потенціал середовища впливає аерація.

Різні мікроорганізми мають кардинальні точки окислювально-відновних умов - мінімум, оптимум і максимум, що визначають їх розвиток.

Потреба мікроорганізмів в кисні дуже різноманітна. Анаероби можуть розмножуватися при низьких значеннях rН₂ - від 8 до 10. Аероби розмножуються в диапазоні ­ rН₂ від 10 до 30. Проміжні форми (факультативні анаероби) можуть розвиватися в широких межах rН₂- від 0 до 30.

Регулюючи окислювально-відновні умови в середовищі, можна не тільки діяти на ріст і розвиток мікроорганізмів, але й впливати на характер фізіологічних і біохімічних процесів, що викликаються мікроорганізмами.