9. Микроорганизмы и факторы окружающей среды: кислотность, давление.

В зависимости от отношения к рН среды микроорганизмы делятся на три группы:

• нейтрофилы – предпочитают нейтральную реакцию среды. Растут в диапазоне значений рН от 4 до 9. К нейтрофилам относятся большинство бактерий, в том числе гнилостные бактерии;

• ацидофилы (кислотолюбивые). Растут при рН 4 и ниже. К ацидофилам относятся молочнокислые, уксуснокислые бактерии, грибы и дрожжи.

• алкалофилы (щелочелюбивые). К этой группе относятся микроорганизмы, которые растут и развиваются при рН 9 и выше. Примером алкалофилов является холерный вибрион.

Если рН не соответствует оптимальной величине, то микроорганизмы не могут нормально развиваться, так как активная кислотность оказывает влияние на активность ферментов клетки и проницаемость цитоплазматической мембраны.

Некоторые микроорганизмы, образуя продукты обмена и выделяя их в среду, способны изменять реакцию среды.

Для бактерий кислая среда более опасна, чем щелочная (особенно для гнилостных бактерий). Это используется для консервирования продуктов путем маринования или квашения. При мариновании к продуктам добавляют уксусную кислоту, при квашении создаются условия для развития молочнокислых бактерий, которые образуют молочную кислоту и тем самым способствуют подавлению роста гнилостных бактерий.

  Давление. Повышенное давление оказывает очень слабое действие на микроорганизмы. Есть глубоководные микроорганизмы морей и океанов, которые живут и размножаются при очень высоком гидростатическом давлении, достигающей сотен мегапаскалей. При экспериментальных исследованиях различные бактерии, дрожжи и плесневые грибы выдерживали давление около 300 MПа. Более чувствительны микроорганизмы к резкому переходу от высокого давления к низкому.

10. Микроорганизмы и факторы окружающей среды: различные виды энергий.

Лучистая энергия. Лучистая энергия — это энергия, которая распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн различной длины. К излучениям, предоставляющих наиболее значительное воздействие на микроорганизмы, относятся световая энергия (солнечный свет) и ионизирующие излучения (рентгеновские лучи, гамма-лучи, бета-частицы, альфа-частицы).

Солнечный свет. Энергия солнца необходима только для жизнедеятельности фотосинтезирующих микроорганизмов (зеленых и пурпурных бактерий), которые с помощью пигментов превращают световую энергию на доступную биохимическую и используют ее затем для синтеза компонентов клеток. На другие микроорганизмы солнечный свет вызывает неблагоприятное воздействие.

Прямой солнечный свет обладает бактерицидными свойствами и убивает большинство микроорганизмов в течение нескольких часов. К рассеянного света микроорганизмы менее чувствительны. Он не вызывает гибели, но подавляет развитие микроорганизмов, поэтому в лабораториях принято культивировать и сохранять культуры микроорганизмов в темноте.

Бактерицидное действие на микроорганизмы прямого солнечного света обусловлено действием солнечных лучей с короткой длиной волны — ультрафиолетовой и голубой части спектра. Солнечный свет не оказывает прямого разрушающего действия на клетки. Под воздействием солнечных лучей происходят внутриклеточные фотохимические процессы с образованием гидроксильных радикалов и других высоко реактивных веществ, действующих губительно на микробную клетку. Ультрафиолетовые лучи (УФ-лучи) с длиной волны 200 -300 нм обладают наибольшей фотохимической и биохимической активностью.

В присутствии анилиновых красок (эозин, метиленовый голубой и др.). Усиливается бактерицидное действие света (фотодинамическая эффект).

Чувствительность микроорганизмов к солнечному свету разная. Из всех групп микроорганизмов наиболее чувствительны к УФ-лучам бактерии. Неспорообразующие бактерии и вегетативные клетки споровых бактерий в 4-5 раз чувствительнее к облучению, чем споры бактерий. Среди неспорообразующих бактерий наиболее устойчивы к действию УФ-лучей — пигментные коки, в которых пигмент находится в протоплазме (сарцины, стафилококки), а наиболее чувствительные — пигментные бактерии, выделяющие пигмент в окружающую среду.

Микробы-сапрофиты более устойчивы по сравнению с патогенными к воздействию прямых солнечных лучей. Патогенные микроорганизмы очень чувствительны к УФ-лучей. Поэтому большое значение солнечного света как естественного, широко распространенного обеззараживающего фактора внешней среды (воздуха, воды естественных водоемов, верхних слоев почвы и т. д.) При облучении поверхности чашки Петри с питательной средой, на котором посеяны бактерии брюшного тифа, на участках, не защищенных от света черной бумагой, они погибают через 1-1,5 ч.

Ультрафиолетовое облучение с использованием ртутно-кварцевых (бактерицидных ламп) широко применяется для дезинфекции воздуха в лечебных учреждениях, холодильных камерах, производственных помещениях, поверхностей оборудования, аппаратуры, тары и т. д. В пищевой промышленности чаще всего применяют лампы ультрафиолетового света с длиной волны 253, 7 нм.

  Ионизирующее облучение. Рентгеновские лучи, гамма-лучи, бета-частицы и альфа-частицы наиболее коротковолнового электромагнитного излучения, обладающие проникающей способностью и способностью вызывать ионизацию внутриклеточного среды.

Рентгеновские лучи (самые коротковолновые электромагнитные колебания) характеризуются наибольшей проникающей способностью.

Продукты ядерного распада — альфа-частицы (высокоскоростные ядра гелия), бета-частицы (катодные лучи) и гамма-лучи (коротковолновые рентгеновские лучи) — отличаются друг от друга по своей природе и свойствам, в частности по способности проникать через различные вещества. Наименьшей проникающей способностью и большой массой и энергией химической и биологической действия обладают альфа-частицы; несколько большей проникающей способностью, но значительно меньшую биологическую активность имеют бета-частицы. Наименьшая активность, но наибольшая проникающая способность в гамма-лучей.

Пагубное воздействие ионизирующих излучений на микроорганизмы обусловливается ионизацией внутриклеточных веществ. При прохождении ионизирующих излучений через клетку некоторые атомы в результате поглощения энергии испускают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Свободный электрон сразу присоединяется к нейтрального атома, который превращается в отрицательно заряженный ион. Возникают пары ионов. Поскольку изменение электронной структуры атомов приводит к изменению химических связей, ионизация сопровождается разрушением молекулярных структур.

Эффект действия ионизирующего излучения зависит от дозы излучения. При достаточно высокой дозе излучения наступает гибель микроорганизмов. Если доза не летальная (не смертельная), то возникают другие изменения, затрагивающие главным образом ферментные системы и генетическую структуру клетки. Очень малые дозы и кратковременное действие этих излучений ускоряют развитие микроорганизмов и активизируют их жизнедеятельность, т. е. оказывают стимулирующий эффект. По сравнению с высшими животными и растительными организмами все микробы менее чувствительны к излучениям. Смертельная доза излучений для бактерий в сотни и тысячи раз выше, чем для животных.

Устойчивость микроорганизмов к ионизирующим излучениям разная. Дрожжи и плесневые грибы менее чувствительны, чем бактерии, споры бактерий устойчивы, чем вегетативные клетки.

Бактерицидные свойства ядерных излучений используют для стерилизации лекарственных препаратов и пищевых продуктов, обработки биологических препаратов (вакцин, сывороток). Однако вследствие ионизации ухудшается качество продукта.

  Токи высокой частоты. Электромагнитные излучения сверхвысокой частоты (СНЧ) обладают бактерицидным действием, то есть вызывают гибель микроорганизмов. Гибель микробов происходит вследствие селективного выделения теплоты непосредственно в микробной клетке, т. е. тепломеханического действия токов СНЧ.

Гибели микробов способствует также то, что максимальная напряженность поля создается на границе раздела клетки и окружающей среды.

На эффективность бактерицидного действия токов СНЧ существенно влияет скорость нагрева. Увеличение скорости нагрева ведет к снижению бактерицидного действия ВНЧ на микроорганизмы. Например, при скорости СНЧ-нагрева 0,5 и 1 0С / с кишечная палочка гибнет при 65 0С. Тогда как при быстром нагреве (4 и б 0С / с) клетки данного вида микроорганизма погибают только при 70 0С.

В отличие от обычных способов тепловой обработки при СНЧ-нагреве пищевых продуктов не оказываются теплозащитные свойства белков, жиров и других веществ, поскольку электромагнитная энергия аккумулируется непосредственно микробной клеткой. Поэтому при СНЧ-нагреве отмирания микроорганизмов происходит быстрее и при менее высоких температурах, что позволяет снизить температуру тепловой обработки продуктов и улучшить их качество. Токи высокой частоты применяются для тепловой обработки пищевых продуктов только в стеклянной таре, поскольку через металл они не проникают.

  Ультразвук. Ультразвуком обычно называют упругие колебания с частотой более 20 кГц, не воспринимаемые ухом человека. Ультразвуковые волны оказывают губительное действие на микроорганизмы, так как обладают большой механической энергией и могут вызвать у звучащие среде ряд физических, электрохимических и биологических явлений. Под влиянием ультразвукового излучения в цитоплазме микробных клеток образуется кавитационный полость (пузырек), заполненная парами жидкости. В кавитационий пузыре возникает высокое давление, достигает десятков и сотен мегапаскалей, что приводит к разрушению (дезинтеграция) цитоплазматических структур микробных клеток. Кроме того, возникновение и развитие кавитации сопровождается резким повышением температуры и возникновением в кавитационий полости электрического поля высокого напряжения. Может возникнуть электронный пробой, что приведет к излучению ультрафиолетовой части спектра и образованию высокореактивный гидроксильных радикалов.

Бактерицидное действие ультразвука зависит от интенсивности звука и кавитации. При высокой интенсивности звука распад микробных клеток происходит очень быстро. Кроме того, на бактерицидное действие УЗ-волн влияют как состав дисперсной среды (чем выше содержание липидов, углеводов и особенно белков, тем ниже бактерицидный эффект), так и концентрация микробных клеток (чем меньше концентрация, тем выше бактерицидное действие ультразвука).

Устойчивость микроорганизмов к действию УЗ-волн различна. Вегетативные формы бактерий чувствительны, чем споры, быстрее погибают палочковидные формы и медленнее — коку бактерии. Чем меньше размеры микробной клетки, тем выше ее устойчивость к воздействию ультразвука.

Ультразвук в настоящее время применяется для стерилизации пищевых продуктов, изготовление вакцин, изъятие внутриклеточных ферментов, токсинов, витаминов, РНК, ДНК и других компонентов клеток.