3. Рост и размножение

Термин «рост» означает увеличение цитоплазматической массы отдельной клетки или группы бактерий в результате синтеза клеточного материала (например, белка, РНК, ДНК). Достигнув определенных размеров, клетка прекращает рост и начинает размножаться.

Под размножением микробов подразумевают способность их к самовоспроизведению, увеличению количества особей на единицу объема. Иначе можно сказать: размножение — это повышение числа особей микробной популяции.

Бактерии размножаются преимущественно простым поперечным делением (вегетативное размножение), которое происходит в раз­личных плоскостях, с образованием многообразных сочетаний клеток (кисть винограда — стафилококки, цепочки — стрептокок­ки, соединения по парам — диплококки, тюки, пакеты — сарцины и др.). Процесс деления состоит из ряда последовательных этапов. Первый этап начинается формированием в средней части клетки поперечной перегородки (рис. 6), состоящей вначале из цитоплаз­матической мембраны, которая делит цитоплазму материнской клетки на две дочерние. Параллельно с этим синтезируется клеточная стенка, образующая полноценную перегородку между двумя дочерними. В процессе деления бактерий важным условием является репликация (удвоение) ДНК, которая осуществляется ферментами ДНК-полимеразами. При удвоении ДНК происходит разрыв водородных связей и образование двух спиралей ДНК, каждая из которых находится в дочерних клетках. Далее дочерние односпиральные ДНК восстанавливают водородные связи и вновь образуют двуспиральные ДНК.

Репликация ДНК и деление клеток происходит с определенной скоростью, присущей каждому виду микроба, что зависит от возраста культуры и характера питательной среды. Например, скорость роста кишечной палочки колеблется от 16 до 20 мин; у микобактерий туберкулеза деление наступает лишь через 18—20 ч; для клетки культуры тканей млекопитающих требуются сутки. Следовательно, бактерии большинства видов размножаются почти II 100 раз быстрее, чем клетки культуры тканей.

Фазы развития бактериальной популяции.

Процесс размножения культуры микробов на несменяемой среде протекает не­равномерно. В нем определяют четыре основные фазы.

1. Начальная фаза (лаг-фаза), или фаза покоя. В это время культура приспосабливается к питательной среде. В микробной клетке увеличивается содержание РНК ис ее помощью происходит синтез необходимых фермен­тов.

2. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза ха­рактеризуется максимальным увеличением клеток в культуре, оно идет в геометрической прогрессии (1, 2,4, 8, 16, 256 и т. д.). В это время в среде большинство молодых и биологически активных клеток. В конце фа­зы, когда среда истощается, исчезают необходимые для данного микроба вещества, уменьшается количество кис­лорода, происходит увеличение продуктов обмена — рост культуры замедляется. Кривая постепенно принимает горизонтальное направление.

3. Стационарная фаза, или период зрелости, гра­фически представляет линию, идущую параллельно оси абсцисс. Наступает равновесие между числом вновь об­разованных и погибших клеток. Уменьшается количе­ство среды, увеличивается плотность клеток в попу­ляции, усиливается токсическое действие продуктов об­мена — все это обусловливает гибель клеток.

4. Фаза отмирания. В этой фазе наблюдается не только уменьшение, но и изменение клеток. Появляют­ся деградированные формы, а также споры. Через не­сколько недель или месяцев культура погибает. Так происходит потому, что ядовитые продукты жизнедея­тельности не только тормозят, но и убивают микробные клетки.

Таким образом, благодаря процессам метаболизма, поддерживается жизнедеятельность микробной клетки. Для дыхания аэробом необходим кислород, анаэробы используют нитратное, сульфатное дыхание и брожение. Микроорганизмы усваивают органические и неорганические вещества из внешней среды, окисляя которые получают необходимую энергию и пластические элементы. В результате происходит рост клетки. Достигнув необходимой стадии зрелости происходит размножение клетки простым делением. В процессе своей жизнедеятельности микроорганизмы постепенно расходуют питательные вещества, выделяя в окружающую среду свои метаболиты, изменяя тем самым состав среды и делая ее непригодной для жизни.

Лекция 3. Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы

1. Действие физических факторов

2. Действие химических факторов

3. Действие биологических факторов

1. Действие физических факторов

К числу основных физических факторов, воздействующих на микроорганизмы относятся температура, высушивание, осмотическое давление, свет, радиация, электричество, и т.д.

Влияние температуры. Об отношении микроорганизмов к тем­пературе обычно судят по способности их расти и размножаться в определенных температурных границах. Для каждого вида бактерии меется определенная оптимальная температура развития, и в зависимости от пределов этой температуры бактерии могут быть разделены на три физиологические группы: психрофильные (от?реч psichros - холодный, philein - любить), мезофидьныс(mesos — средний) и термофильные (tennos — теплый).

Психрофильные микроорганизмы (психрофилы) являются пре­имущественно обитателями северных морей, почвы, сточных вод (светящиеся бактерии, некоторые железобактерии и др.). Темпе­ратурные границы психрофилов: температура минимум около О °С, оптимум 15—20, максимум 30—35 °С.

Мезофильные бактерии — наиболее обширная группа. Сюда относятся большинство сапрофитов и все патогенные микроорга­низмы. Температурный минимум 10 °С, оптимум 30—37, максимум 40—45 °С.

Термофильные бактерии часто и в большом количестве встре­чаются в природе: почве, воде, теплых минеральных источниках, а также в пищеварительном тракте животных и человека. Темпе­ратурный минимум 35 °С, оптимум 50—60, максимум 70—75 °С.

Способность некоторых неспорообразующих бактерий горячих источников существовать при температурах от 40 до 93 °С и выше дало основания для выделения этих организмов в новую группу экстремально-термофильных бактерий. Возможность существова­ния термофилов при высокой температуре обусловлена особым составом липидных компонентов клеточных мембран, высокой термостабильностью белков и ферментов, термостабильностью кле­точных ультраструктур.

Влияние низких температур. микробная клетка переходит в состояние анабиоза, в котором она может существовать несколько месяцев. Так, эшерихии остаются жизнеспособными при минус 190 °С до 4 мес, холерный вибрион при минус 45 °С — до 2 мес, возбудитель листериоза при минус 10 °С — до 3 лет.

Низкие температуры приостанавливают гнилостные и бродиль­ные процессы. На этом принципе построено сохранение продуктов холодильниках.

В микробиологической практике широко применяется длительное хранение культур мик­робов, иммуноглобулинов, антибиотиков, живых вакцин в высу­шенном виде из замороженного состояния. Метод получения сухих культур микроорганизмов путем высушивания из замороженного состояния (минус 76 °С) под высоким вакуумом называется лиофилизацией (от греч. 1уо — растворять, phileo — люблю). При лиофилизации свободная вода и вода, непрочно связанная с гидрофильными веществами клеток, подвергается замораживанию и затем происходит сублимация льда, т. е. переход его из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу. После этого остается сухая пористая масса, которая при добавлении к ней воды легко суспензируется. Повторное замораживание и оттаивание вредно действуют на микроорганизмы и может быть одной из причин гибели бактерий при лиофилизации.

Высокая температура, в особенности нагревание паром под давлением, губительно действует на микробов. Чем больше температура выходит за пределы максимума, тем быстрее погибают вегетативные формы микроорганизмов: при 60 °С — через 30 мин, при 70 °С — через 10—15, при 80—100 °С — через 1 мин. В основе бактерицидного действия высоких температур лежит угнетение ферментов: каталазы, оксидаз, дегидраз, — денатурация (сверты­вание) белков и нарушение осмотического барьера. Споры бактерий более устойчивы к действию высокой температуры.

Применение высокой температуры является самым распростра­ненным, удобным и надежным способом Стерилизации — обеспло­живания (sterilis — бесплодный) — освобождения от микробов разнообразных объектов. Существуют различные способы стерили­зации при помощи высокой температуры:

• прокаливание на огне,

• кипячение,

• стерилизация сухим паром в печах Пастера (сухожа-ровые шкафы),

• стерилизация паром под давлением в автоклавах,

• тиндализация (дробная стерилизация при температуре 56—58 °С),

• пастеризация — метод, предложенный Пастером с целью сохранения питательной ценности молока, вина, различных консервов, которые нагревают до 80 °С 30 мин, а затем быстро охлаждают до 4—8 °С. При пастеризации погибают веге­тативные формы микробов, споры же сохраняются, но быстрое охлаждение и хранение продукта при 4—5 °С препятствует их прорастанию и последующему размножению микробов.

Влияние высушивания. Многие виды микроорганизмов надолго сохраняются после высушивания, хотя расти и размножаться в этих условиях они не могут. В высохшей мокроте больных туберкулезом возбудитель остается вирулентным до 10 мес, споры бацилл сибирской язвы сохраняются до 10 лет, плесневых грибов — 20 лет. Высушивание сопровождается обезвоживанием цитоплазмы и денатурацией белков бактерий.

Высушивание вегетативных форм бак­териальных клеток в большинстве случаев вызывает их гибель. Высушивание используют для консервирования кормов (сена, соломы), овощей, фруктов, лекар­ственных трав.

Высушивание микроорганизмов, способных образовывать споры, не приводят к их гибели. Споры, это покоящиеся клетки, специально адаптированные к длительному пребыванию в сухом виде.

Влияние на бактерии давления. Осмотическое давление среды, определяемое концентрацией растворенных в ней веществ, выполняет важную роль в метаболизме микробной клетки. Внутри бактерий осмоти­ческое давление соответствует давлению 10—20 %-ного раствора сахарозы. Если их поместить в среду с более высоким осмотическим давлением, то наступит плазмолиз (потеря воды и гибель клетки), а если они будут находиться в среде с низким осмотическим давлением, вода будет поступать внутрь клетки, клеточная стенка которой может разорваться. Это явление названо плазмоптизом. Явление плазмолиза и плазмоптиза используют в промышленности и в быту для консервирования продуктов (огурцы, помидоры, капуста и др.).

Существуют микроорганизмы, которые могут активно размно­жаться при высоком осмотическом давлении. Это осмофильные микроорганизмы,, их ферменты активны только при повышенном содержании хлорида натрия; ионы натрия необходимы им для усвоения из окружающей среды питательных веществ. Некоторые галофилы размножаются при высокой (20—30 %-ной) концентрации хлорида натрия (роды Halobacterium, Micrococcus, Sarcina), например, в солончаковых почвах, рассолах для соления рыбы, мяса (обычно они вызывают порчу этих продуктов).

Влияние света. Прямые солнечные лучи убивают все микроорганизмы, кроме пурпурных и зеленых серобактерий, развитию последних солнечный свет благоприятствует. Свет прямо не разрушает бактериальную клетку, что отмечается при действии химических веществ. Бак­терицидное действие света связано с образованием в клетке гидроксильных радикалов и других высокореактивных веществ, действующих губительно на микробную клетку. В ряде исследований при облучении микробов отмечена инактивация ферментов.

Микробы-сапрофиты более устойчивы к воздействию света в сравнении с патогенными. Это объясняется тем, что они чаще подвергаются действию прямых солнечных лучей, поэтому являются более адаптированными. Патогенные же микроорганизмы весьма чувствительны к действию света. Так, под действием прямых солнечных лучей культуры пастерелл гибнут через 7—12 мин, а возбудители туберкулеза — через 45—50 мин.

Влияние ультрафиолетовых лучей

Механизм действия ультрафио­летовых лучей заключается в том, что в цепях ДНК междуостатками тимина образуются ковалентные связи, что приводит к частичному или полному подавлению репликации ДНК, а также повреждению рибонуклеиновых кислот (особенно мРНК).

При облучении микробов ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 320—-400 нм возможна фотореактивация, т. е. восстанов­ление жизнеспособности микроорганизмов.

Ультрафиолетовые лучи широко применяют для санации воздуха в животноводческих помещениях, в лабораториях и промышленных цехах.

Влияние ионизирующей радиации. Рентгеновы лучи — оказывают слабое инакти-вирующее действие на микроорганизмы. гибель бактерий наступает только при облучении в высоких дозах Бактерии обнаружены в воде атомных реакторов, где величина радиоактивного облучения достигает 2— 3 млн рентген.

Механизм действия рентгеновых лучей заключается в пораже­нии ядерных структур, в частности нуклеиновых кислот цитоплаз­мы. Поражается генетический аппарат микробной клетки, что приводит к летальному исходу или возникновению мутации. Неблагоприятное воздействие ионизирующих излучений усилива­ется в присутствии кислорода.

Влияние электричества., не оказывает сильного действия непосредственно на микробы. Проходя через среду, ток высокого напряжения может вызывать элек­тролиз некоторых компонентов и образование соедине­ний, которые неблагоприятно влияют на микробов. Электролиз применяют при дезинфекции воды, обеззараживании сточных вод и т. д. При этом губительное действие на микробы обеспечивается не са­мим электричеством, а теми продуктами (кислород, хлор, кислоты), которые образуются в результате про­хождения его через среду

Влияние ультразвука. высокочастотные (16 кГц и более) ¹ механические колебания упругой среды, не воспринимае­мые ухом человека. Действуя на культуру микроорга­низмов, ультразвук создает большую разницу в давле­ниях и повреждает клетку. Часть микробов погибает очень быстро (немедленно), другие подвергаются силь­ному механическому сотрясению, в результате чего на­рушаются физиологические процессы, разжижается и вспенивается цитоплазма, увеличивается объем, разры­вается клеточная стенка, содержимое выходит во внеш­нюю среду. На этом принципе основано использование ультразвука для извлечения токсинов, ферментов и анти­генов.

Ультразвук оказывает губительное действие на эше-рихии, салмонеллы, возбудителя туберкулеза, дрожже­вые клетки и т. д. При этом вначале разрушается двига­тельный аппарат (у эшерихий, салмонелл), капсула (у азотобактера), а затем и другие структуры. Эффектив­ность действия ультразвука снижается при содержании в среде протеина. Поэтому использование ультразвука для стерилизации молока и других продуктов не всегда дает желаемые результаты. Быстрее подвергаются раз­рушению палочковидные формы и более медленно — шаровидные. Чем меньше объект, тем выше его устойчи­вость к действию ультразвука.

2. действие химических веществ

Химиотаксис — своеоб­разная ответная реакция бактерийной клетки на проникающее в нее вещество. Различают положительный и отрицательный химиотаксис.

Движение бактерий к химическому веществу называется поло­жительным химиотаксисом. Движение бактерий в противоположную сторону от места локализации химического вещества называется отрицательным хи­миотаксисом.

В ничтожно малых концентрациях (0,007—0,0018 %) положи­тельный химиотаксис вызывают пептон, минеральные соли, осо­бенно фосфорнокислые. Обратное действие (отрицательный хими­отаксис) оказывают свободные кислоты, щелочи и спирты.

Химические вещества могут оказывать бактериостатическое или бактериоцидное действие.

бактериостазе (бактериостатическом действии) - задержка роста микроба, т.е. химическое вещество подавляет рост бактерий, но после удаления его рост вновь возобновляется.

При бактерицидном действии химический агент вызывает гибель клеток. Бактерицидное действие химических веществ имеет огром­ное практические значение, так как этот факт учитывается при использовании химического вещества в качестве дезинфектанта.

Бактерицидные химические вещества по действию на бактерии можно подразделить на следующие группы.

1. Поверхностно-активные вещества изменяют энергетическое соотношение. Бактериальные клетки теряют отри­цательный и приобретают положительный заряд, что обусловливает нарушение нормальной функции цитоплазматической мембраны. К таким веществам относят мыла, жирные кислоты, моющие средства, детергенты. Указанные средства повреждают клеточную стенку, но не проникают в клетку.

2. Красители обладают свойствами задерживать рост бакте­рий. К красителям с бактерицидными свойствами относят брилли­антовый зеленый (бриллиантгрюн), риванол, трипафлавин, акриф-лавин, фуксин, метионин, обладающие сродством к нуклеиновым кислотам и нарушающие процессы клеточного деления.

3. Фенол, крезол и их производные первоначально повреждают клеточную стенку, а затем и белки клетки. Некоторые вещества этой группы подавляют функцию кофермента (дифосфо-пиридин нуклеотида), участвующего в дегидрировании глюкозы и молочной кислоты.

4. Соли тяжелых металлов (свинец, медь, цинк, се­ребро, ртуть) вызывают коагуляцию белков клетки. При взаимо­действии соли тяжелого металла с белком образуются альбуминат металла и свободная кислота. Ряд металлов (серебро, медь, цинк, олово, свинец и др.) обладают бактерицидной способно­стью. Так, например, посуда из серебра, при контакте их с водой сообщают ей бактерицидные свойства по отношению ко многим видам бактерий. Механизм действия заключается в том, что положительно заряженные ионы металлов адсорбируются отрица­тельно заряженной поверхностью бактерий и изменяют проницае­мость их цитоплазматической мембраны, что приводит к гибели бактерий.

Окислители действуют на сульфгидрильные группы ак­тивных белков. К окислителям относятся хлор, поражающий дегидразы, гидролазы, амилазы, протеазы бактерий, хлорная из­весть, хлорамин, употребляемые в целях дезинфекции. Хорошим окислителем является йод в виде йодного раствора, который не только окисляет активные группы белков цитоплазмы бактерий, но и вызывает их денатурацию. Окисляющим свойством обладают перманганат калия, перекись водорода и другие вещества.

Спирты. Спирт в 70 %-ной концентрации обладает бакте­рицидной активностью в отношении белков микробной клетки, которые свертываются и выпадают на поверхность микроба и уменьшают проникновение' спирта в глубоколежащие слои бакте­рий. Бактерицидность спиртов зависит от их молекулярной массы в порядке ее возрастания: метиловый — этиловый — пропиловый — бутиловый — амиловый и т. д.

Кислоты и основания. Бактерицидное действие кислот и оснований прежде всего связано с изменением рН питательной среды.

Кислоты в концентрированных растворах коагулируют белки микробной клетки, изменяют концентрацию Н-ионов в растворах и их окисляющее действие.

Бактерицидность щелочей зависит от диссоциации и концент­рации гидроксильных ОН-ионов. Бактерицидное действие проявляется при сравнительно невысокой концентрации щелочей: гибель вегетативных форм микроорганизмов наступает под влия­нием 2—3 %-ного и спор бацилл — 4—5 %-ного растворов. Щелочи гидролизуют коллоидные системы, вследствие чего происходит гибель микробной клетки.

Формальдегид используют в виде 40 %-ного раствора Его противомикробное действие объ­ясняется тем, что формальдегид присоединяется к аминогруппам .белков и вызывает их денатурацию.

Химические вещества (хлор, карболовая, серная кислоты, гид­роокись натрия, фенолы, формальдегид) широко используют для дезинфекции и химической стерилизации. Дезинфекция —• унич­тожение только патогенных микробов во внешней среде.

3. действие биологических факторов

Между живы­ми организмами существуют самые разные формы взаимоотношений.

1. Симбиоз — взаимовыгодное сожительство двух или более видов мик­робов между собой.

2. Комменсализм —форма сожи­тельства микробов с другими организмами, при этом один организм использует пищу или выделения другого, не принося ему вреда.

3. Антагонизм — враждебное взаимоотношение, когда продукты жизнедеятельности одного микроба губитель­но действуют на другого. Гнилостные микробы не могут жить в одной среде с молочнокислыми, так как образуе­мая молочная кислота понижает рН и подавляет рост этих организмов.

1. Антибиотики (от греч. anti — против, bios — жизнь). Пред­ставляют собой разновидность химиотерапевтических препаратов. Это химические вещества, выделяемые некоторыми микроорганиз­мами и подавляющие рост и развитие тех или иных микробов.

По происхождению антибиотики можно разделить на четыре группы.

1. Антибиотики, выделенные из грибов. Гри­бы и актиномицеты являются наиболее активными продуцентами антибиотиков: выделяют пенициллин, стрептомицин, биомицин, нистатин.

2. Антибиотики, выделенные из бактерий. Группа антибиотиков бактериального происхождения менее об­ширна и имеет меньшее практическое значение, так как эффективность их значительно ниже. К ним относятся грамицидин, колицин, пиоционин, субтилин, полимиксин и др. Большинство этих антибиотиков токсичны при парентеральном введении, поэтому применяются местно.

3. Антибиотики животного происхождения.Некоторые вещества, выделяемые животными тканями, способны избирательно поражать отдельные виды микробов. К ним относится эритрин, выделяемый из эритроцитов различных животных, экмолин, полученный из тканей рыб, лизоцим —пол­учен из яичного белка. Клетками некоторых тканей продуци­руется интерферон, угнетающий жизнедеятельность многих возбу­дителей вирусных инфекций.

4. Антибиотики растительного происхожде-н и я. Фитонциды — ядовитые вещества, выделяемые растениями (лук, чеснок, хрен, горчица, алоэ, крапива, можжевельник, почки березы, листья черемухи и др.). Это летучие вещества, обла­дающие антибактериальными свойствами в отношении многих микроорганизмов: сарцин, стафилококков, стрептококков, кишеч­ной палочки, протея и др.

Часть фитонцидов выделены в чистом виде: аллицин получен из чеснока (Allium sativum), подавляет рост грамположительных и грамотрицательных бактерий; рафанин добыт из семян редиски (Raphanus sativus), действует на грамположительные и грамотри-цательные бактерии в разведении 1:100; иманин получен из пронзеннолистного зверобоя (Hypericum perforatum), применяют при лечении гнойных процессов и тяжелых ожогов.

По действию антибиотиков на микроорганизмы их можно разделить на две группы: нарушающие синтез клеточной стенки и ее мембран и нарушающие синтез ДНК, РНК и белка.