4. Відмінності прокаріот та еукаріот.

Структурні, генетичні, функціональні та хімічні відмін­ності прокаріот та еукаріот (підсумкові дані), а також характерні ознаки грампозитивних і грамнегативних бактерій (під­сумкові дані) наведені у табл. 2.2

Таблиця 2.2. Bвідмінності прокаріот та еукаріот, грампозитивних і

грамнегативних бактерій

.

ТЕМА 3: РІСТ МІКРООРГАНІЗМІВ.

1. ДІЯ НА МІКРООРГАНІЗМИ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ.

1.1.ФІЗИЧНІ ФАКТОРИ.

1.2.ХІМИЧНІ ФАКТОРИ.

1.3.МЕТОДИ СТЕРИЛІЗАЦІЇ.

2. АДАПТИВНІ РЕАКЦІЇ МІКРООРГАНІЗМІВ НА СТРЕСОВІ ДІЇ.

3.ХІМІЧНИЙ СКЛАД БАКТЕРІАЛЬНОЇ КЛІТИНИ.

4. ЖІВЛЕННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ.

5. РІСТ ТА РОЗМНОЖЕННЯ БАКТЕРІЙ.

1. ДІЯ НА МІКРООРГАНІЗМИ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ.

Усі фактори зовнішнього середовища, що впливають на існування мікроорганізмів (їх ріст, розмноження) можна по­ділити на три групи:

1) фізичні (температура, вологість, осмотичний і гідроста­тичний тиск, промениста енергія, ультразвук, електрика);

2) хімічні (рН середовища, окисно-відновний потенціал, токсичні речовини);

3) біологічні (взаємодія мікроорганізмів між собою, з рос­линами, тваринами, людиною). Дія на мікроорганізми біологіч­них факторів буде розглянута в темі "Мікроорганізми і нав­колишнє середовище".

1. 1. Фізичні фактори.

Температура. Життя мікроорганізмів можливе лише в пев­них температурних межах. Вивчаючи вплив температури на ріст мікроорганізмів, можна виділити три основні точки — мінімаль­ну, оптимальну та максимальну температуру . Міні­мальна температура (точка А) — температура, нижче якої мікро­організм не може рости, оптимальна (точка Б) — сприяє най­більш інтенсивному і швидкому росту мікроорганізму, макси­мальна (точка В) — температура, вище якої ріст мікроорганіз­му неможливий. Характерно, що оптимальна температура завж­ди ближча до максимальної, ніж до мінімальної.

Діапазон між мінімальною та максимальною точками тем­ператури у різних мікроорганізмів неоднаковий. Так, для Bacil­lus subtilis він достатньо широкий — від 3 до 52 °С, для гонококів

та менінгококів — 36-38 °С, тобто всього 1-2 °С, а для вірусів — ще менший. Мікроорганізми, які мають широкі температурні межі, називаються еврітермними. Вони, як правило, живуть в умовах, де температура значно змінюється (ґрунт, вода, повіт­ряне середовище).

Мікроорганізми другої групи — стенотермні — мають вузькі температурні межі існування і живуть у зонах з відносно постійною температурою (гарячі джерела, льодовики).По відношенню до температури мікроорганізми поділяють­ся на психрофіли, мезофіли та термофіли (рис.

3.1).

Рис. 3.1. Залежність між температурою росту психрофілів(1), мезофілів (2) та термофілів (3)

.

Для психрофілів оптимальною є температура 5—12 °С. До цієї групи мікроорганізмів належать мешканці холодних морів, океа­нів, глибоких озер, льодовиків і ґрунтів Крайньої Півночі. Незва­жаючи на здатність деяких мікроорганізмів до росту при низь­ких температурах, існує точка, нижче якої розмноження мікро­організмів неможливе. Клітинний ріст припиняється при -ЗО °С, хоча ферментативні реакції можуть проходити (зазвичай дуже повільно) і при цій температурі. Нижньою межею біохімічних реакцій у водних системах вважають температуру -140 °С. Саме тому заморожування не є причиною загибелі мікроорганізмів, а тільки перешкоджає їх росту та розмноженню. Заморожуван­ня широко використовується в лабораторній практиці для збе­рігання мікробних культур.

До групи мезофільних мікроорганізмів належать такі, які мають температурний оптимум 25-37 °С (у деяких літератур них джерелах температурний інтервал росту мезофілів вказа­ний як 20-42 "С). Ця найчисленніша група мікроорганізмів об'єд­нує сапрофітні та паразитні форми, мешканців ґрунтів, води, повітря, організму тварини і людини.

Групу термофілів становлять мікроорганізми з темпера­турним оптимумом 40-65 °С. Це мешканці гарячих мінераль­них джерел, силосних ям, гнійних куп. Крайніми термофіла­ми називають мікроорганізми, у яких температурний оптимум становить вище 65 °С (Sulfolobus, Thermus aquaticus). Деякі з них здатні рости навіть при температурах, вищих як 70 ^СС, навіть при 105 С (Pyrodictium occultum — строгий анаероб, який від­новлює сірку). Слід зазначити, що бактерії найтермостійкіші організми з усіх живих істот на землі.

Вологість і осмотичний тиск. Для життєдіяльності мікро­організмів необхідна вода, яка є одночасно і середовищем, і безпосереднім учасником багатьох біохімічних реакцій у клітині. Вода необхідна мікроорганізмам для розчинення в ній поживних речовин (мінеральних солей та органічних речовин). Велика роль води в процесі дихання. Вода, що міститься по відношенню до мікроорганізму у зовнішньому середовищі, може бути доступ­ною і недоступною для нього. Ступінь доступності води для хіміч­них реакцій і мікроорганізмів визначають показником актив­ності води a_w, що характеризує ступінь зв'язаності її моле­кул. Активність чистої вільної води дорівнює одиниці. При взає­модії води з поверхнями, аніонами і катіонами, будь-якими гідро­фільними групами активність води стає меншою за одиницю. Мікро­організми можуть рости на середовищах зі значеннями a_w = 0,99-0,60. Іноді для визначення ступеня доступності води користуються показником відносної вологості (виражається у відсотках). Обид­ва параметри стосуються фази пари, яка перебуває у рівновазі з твердим матеріалом чи розчином. Активність води (відносна вологість) — це відношення концентрації води у фазі пари в повіт­ряному просторі над даним матеріалом до концентрації води в повіт­рі над чистою водою при певній температурі.

Водна активність розчину може змінюватися двома шля­хами — матричним і осмотичним. Осмотична зміна a_w відбува­ється в результаті взаємодії молекул води з розчиненими речо­винами. Матрична зміна a_w зумовлена адсорбцією молекул води на поверхнях твердих субстратів. Часто вважають, що вплив концентрації розчинів на ріст мікроорганізмів опосередкований впливом осмотичного тиску. Насправді цей вплив позначається на зміні водної активності як міри доступної для організму води. Мікроорганізми, які ростуть у середовищах з високими концентраціями речовин, називають о с м о т о л е р а н т н и м и. Це деякі види дріжджів, що розмножуються у варенні, меді, а також бактерії — в солоній рибі. Деякі мікроорганізми є осмофільними. Вони не тільки витримують середовище з підви­щеною концентрацією речовин, а й віддають йому перевагу. Є група мікроорганізмів, які потребують для свого росту знач­ної концентрації хлористого натрію. Це так звані галофіли. Наприклад, Halobacterium найкраще ростуть у середовищі з вміс­том 20-30 % хлористого натрію. Галофіли існують у найбільш солоних морях та озерах (Мертве, Каспійське моря).

Гідростатичний тиск. На морських глибинах мікроорганіз­ми витримують гідростатичний тиск, зумовлений масою стовпа води. Він може досягати значних величин, збільшуючись з кож­ними 100 м глибини на 1 МПа. Найглибшими (до 11 км) є зони Тихого океану з гідростатичним тиском до 110 МПа. Мікроор­ганізми, які живуть на великих глибинах і пристосувались до високого гідростатичного тиску, називаються 6 а р о т о л е р а н т н и м и. Більшість же бактерій, ізольованих з ґрунтів, невели­ких водних глибин, найкраще ростуть за атмосферного тиску і гинуть за гідростатичного тиску 20-60 МПа.

Промениста енергія. Енергія, що поширюється у просторі у вигляді електромагнітних хвиль, називається променистою. Різні спектри променистої енергії мають різну довжину хвилі, яка визначає характер електромагнітної хвилі. Електромагнітні хвилі — це радіохвилі, світлові промені (інфрачервоні, види­мі та ультрафіолетові), іонізуюча радіація.

Найбільшу довжину (понад 1500 нм) мають радіохвилі. Інфрачервоні промені мають довжину до 760 нм, видимі — 760-380, ультрафіолетові — 380-200 нм. Найбільш короткохвильо­вою є іонізуюча радіація.

Різні спектри променистої енергії по-різному діють на мікро­організми. Радіохвилі не чинять біологічної дії, адсорбція орга­нізмом інфрачервоних променів спричиняє його нагрівання. Час­тина інфрачервоних променів з довжиною хвилі менше 1000 нм і видиме світло сприятливо діють на фототрофні мікроорганізми, оскільки вони є основним джерелом світла. Нефототрофи краще розвиваються в темноті. Навіть розсіяне світло затримує розви­ток бактерій, а видиме світло значної інтенсивності може спри­чиняти пошкодження і навіть загибель клітин. Від згубної дії видимого світла мікроорганізми захищають пігменти.

Найбільш згубним для мікроорганізмів є ультрафіолетове опромінення, яке спричиняє або летальну, або мутагенну дію, залежно від дози і природи мікроорганізму.

Іонізуюча радіація діє на мікроорганізми менш специфіч­но, ніж УФ опромінення, хоча також впливає на ДНК і спричи­няє або бактерицидний, або мутагенний ефект. При у-опроміненні великого спектра мікроорганізмів було показано, що LD₉₀ становить, кГр: для кишкової палички (та інших грамнегативних бактерій) — 0,03-0,04, для стафілококів — 0,17-0,19, грампозитивних паличок — 0,4, дріжджів — 0,39-0,15, сарцин — до 0,5. LD₉₀ — це доза опромінення, після якої виживає 10 % клітин. Сублетальна доза (виживання становить менше 1 %) для спор Bacillus subtilis становить 8-10 кГр. Серед бактерій є чут­ливі до іонізуючої радіації (Pseudomonas fluorescens), резистентні (Micrococcus, Streptococcus) та високорезистентні (високорадіостійкі бактерії).

Вперше радіостійкі бактерії (червонопігментовані коки Micrococcus radlodurans) були ізольовані у 1956 р. з консерво­ваного м'яса, простерилізованого рентгенівськими променями. Пізніше такі бактерії були виділені з природних місць з підви­щеним радіаційним фоном, а також з попередньо опромінених зразків. Усі ці радіостійкі бактерії виявились схожими за свої­ми властивостями і були віднесені до роду Deinococcus. Це грампозитивні нерухомі аеробні коки з вмістом ГЦ в ДНК від 62 до 70 %, колонії рожевозабарвлені (містять каротиноїди). Сублетальна доза для них становить близько 15 кГр. У 1981 р. радіо­стійкі бактерії були відділені від роду Micrococcus, і Micrococcus radtodurans був перейменований у Deinococcus radtodurans, У 80-х роках XX ст. рід Deinococcus був узаконений, 111 види D. radiodurans, D. radiophilus, D. proteolyticus та ін.

Останнім часом підвищений інтерес до радіостійких бак­терій зумовлений аварією на ЧАЕС. Мікробіологічний аналіз ґрунтів 10-кілометрової зони ЧАЕС, проведений у 1993-1996 pp., показав, що кількісний та якісний склад бактерій у них бідні­ший, ніж в аналогічних контрольних ґрунтах. Типовими пред­ставниками радіаційно забруднених ґрунтів були рожевозабарв­лені факультативні метилотрофи — представники роду Methylobacterium, а також спороутворювальні бактерії Bacillus subtilis та Bacillus cereus. Сублетальна доза для деяких бактерій роду Methylobacterium становила 9-10 кГр.

Електрика. Короткочасне проходження постійного чи змін­ного струму через суспензію мікроорганізмів спричиняє лише слабку дію. Але тривале проходження струму високої напруги може спричинити електроліз деяких компонентів середовища і утворення при цьому сполук, які згубно діють на мікроорганіз­ми. Крім того, проходження струму супроводжується виділен­ням тепла, яке також може впливати на мікроорганізми.

Мікроорганізми при суспендуванні у водних розчинах несуть на своїй поверхні електричний заряд. Тому при проходженні струму через таку суспензію частини з негативним зарядом спря­мовуються до анода (позитивного електрода), а частини, заряд­жені позитивно, — до катода (негативного електрода). Такий рух частин в електричному полі отримав назву електрофорезу. Це явище покладено в основу багатьох аналітичних методів, що дає можливість здійснити виділення речовин із суміші. У мікро­біології цей метод використовується для аналізу продуктів мета­болізму мікроорганізмів.

Ультразвук. Оскільки бактерії мають відносно малу масу і жорстку ригідну оболонку, низькочастотні коливання (зона звукових коливань 100-10 000 Гц) діють на них слабко. Але якщо бактерії занурити в рідину, в якій поширюються високо­частотні коливання (ультразвук — УЗ), бактерії руйнуються і гинуть. Існує думка, що руйнування клітин під дією ультра­звуку зумовлено утворенням всередині клітини піни, яка скла­дається з найдрібніших бульбашок газу, що міститься в розчи­неному стані в протоплазмі чи в рідині на поверхні клітини.

Бактерицидний ефект УЗ зменшується, якщо пригнічуєть­ся кавітація (розрив рідини). Це відбувається при дегазації, зану­ренні об'єкта в гель чи інше в'язке середовище. Бактерицидний ефект УЗ посилюється при насиченні суспензії, що озвучується, азотом, повітрям, киснем, оскільки це підсилює кавітацію.

Дія УЗ спричиняє не тільки механічне пошкодження клі­тин. При цьому спостерігаються біохімічні та функціональні зміни, які не приводять до загибелі організму (можуть вивіль­нятися біологічно активні речовини — вітаміни, ферменти та ін.). Тому УЗ використовують для одержання певних клітинних фрак­цій, для стерилізації субстратів, які пошкоджуються при теп­ловій обробці. До УЗ чутливі всі мікроорганізми, в тому числі й спорові, але за ступенем чутливості вони відрізняються.