1.2. Хімічні фактори.

Концентрація іонів водню (рН середовища). Іони Н' та ОН найбільш рухомі з усіх іонів, тому найменші зміни їх кон­центрації сильно діють на мікроорганізми. У зв'язку з цим вста­новлення і підтримання оптимального значення рН середовища має велике значення для росту того чи іншого мікроорганізму.Більшість організмів найкраще ростуть за нейтрального рН, або в середовищах, значення рН яких близькі до нейтраль­ного (рН 6-7) (табл. 3.1). Такі мікроорганізми називаються нейтрофілами.

Таблиця 3.1 Відношення мікроорганізмів до рН середовища

Мікроміцети, дріжджі і деякі бактерії добре розвивають­ся в кислому середовищі (рН 5-6). їх називають ацидофіль­ними. Серед бактерій — це лактобацили, бактерії роду Acetobacter, деякі види Thiobacillus. Багато які бактерії (нітрифікатори, актиноміцети) краще ростуть у лужних середовищах, їх називають алкалофільними. Наприклад, холерний віб­ріон має оптимум рН 9,0.

Підтримання рН під час росту особливо важливе для тих мікроорганізмів, які хоча і синтезують кислоти, але не є толе­рантними до них (лактобацили; молочна кислота, яку вони син­тезують, пригнічує їх ріст). Тому у таких випадках використо­вують забуферені середовища.

Вплив рН на мікробну клітину може бути як прямим, так і опосередкованим. В останньому випадку рН впливає не на мікро­організм, а на певні компоненти середовища, дисоціація яких залежить від рН, що впливає на проникнення сполук у кліти­ну. Від величини рН залежить також утворення та активність мікробних ферментів.

Кисень та аерація, окисно-відновний потенціал середо­вища. Молекулярний кисень є життєво важливим і необхідним усім мікроорганізмам (але різною мірою). Щодо кисню всі мікро­організми поділяються на кілька груп:

облігатні аероби — здатні отримувати енергію тільки шляхом дихання і тому потребують кисень, який є терміналь­ним (кінцевим) акцептором електронів при аеробному диханні. Вони не здатні одержувати енергію у процесі бродіння;

облігатні анаероби — можуть рости тільки в середовищі, яке не містить кисню. Більше того, кисень для них є токсич­ним. Багато які ферменти цих мікроорганізмів денатуруються при контакті з молекулярним киснем. Згубна дія кисню на облі­гатні анаероби зумовлена тим, що в клітині у присутності кис­ню утворюється перекис водню, який у великих концентраціях може спричинити загибель клітини. У аеробів є ферменти Kamaлаза або пероксидаза, які розкладають перекис водню. У анае­робів ці ферменти відсутні;

факультативні анаероби — ростуть як у присутності кис­ню, так і без нього. Серед них розрізняють два типи: аеротолерантні молочнокислі бактерії можуть рости в присутності кис­ню, але не здатні його використовувати; вони отримують енергію тільки за допомогою бродіння. Факультативні анаероби другого типу (дріжджі, кишкова паличка) можуть переключатися з дихан­ня (у присутності кисню) на бродіння (за відсутності кисню);

мікроаерофіли — живуть за низьких концентрацій кис­ню. Вони потребують кисень для отримання енергії, але не пере­носять того парціального тиску О_2,, який існує у повітрі (0,02 МПа): їм потрібно від 0,001 до 0,003 МПа.

Аерація. Для облігатних аеробних мікроорганізмів, які рос­туть на агаризованих середовищах, кисню достатньо. У рідких сере­довищах з великим об'ємом рідини аеробні бактерії можуть рости тільки на поверхні, оскільки з віддаленням від поверхні умови наближаються до анаеробних. Для нормального росту аеробів у гли­боких шарах рідкої культури необхідна аерація. Мікроорганізми здатні використовувати тільки розчинений кисень, але розчинність його дуже низька. Так, 1 л води при 20 "С за умови рівноваги з атмо­сферним повітрям містить усього 6,2 мл кисню (0,28 моль). Такої кількості кисню достатньо для окиснення всього 8,3 мг глюкози (тобто однієї тисячної від загальної кількості глюкози, яка містить­ся в нормальному поживному середовищі).

Швидкість розчинення кисню підвищується при збільшенні поверхні розділення між газовою та рідкою фазами, а також із збіль­шенням парціального тиску кисню в газовій фазі. Для збільшен­ня поверхні розділення фаз застосовують такі прийоми:

культивування в тонкому шарі;

перемішування рідини струшуванням (пряме чи кругове);

обертання посудини, що лежить, навколо поздовжньої осі;

пропускання повітря через рідину за допомогою газороз­подільника (скляні фільтри, колби Клюйвера):

механічне перемішування.

Вирощування анаеробних культур. Для вирощування стро­го анаеробних культур необхідно виключити доступ кисню. Тех­ніка анаеробних культур передбачає:

використання прокип'ячених поживних середовищ і посу­дин, закритих, без бульбашок повітря;

створення безкисневої атмосфери у вакуумних ексикаторах;

застосування адсорбентів кисню (пірогалол, дитионіт, хло­рид одновалентної міді);

внесення в середовище відновників (аскорбінова кислота, тіогліколят, цистеїн або навіть сульфід, якщо організм його пере­носить);

безперервне продування азоту чи інертного газу (наприк­лад, аргону) через культуральні посудини (навіть під час посіву на повітрі можна запобігти контакту середовища з повітрям). Це так звана техніка Хангейта;

використання анаеробних боксів, заповнених азотом, вод­нем, аргоном;

застосування кольорових індикаторів (резазурин у присутності кисню має рожеве забарвлення, в анаеробних умовах безбарвний; метиленова синька в анаеробних умовах також знебарвлюється).

Окисно-відновний потенціал. Ступінь аеробності чи анаеробності середовища може бути охарактеризований кількісно за допомогою окисно-відновного потенціалу (гН₂). У водному роз­чині, повністю насиченому киснем, гН₂ = 41, а в умовах повного насичення середовища воднем — 0. Отже, шкала від 0 до 41 харак­теризує будь-який ступінь аеробності. Нижньою межею гН₂ для облігатних аеробів є 10, проте величини понад ЗО для них несприятливі. Облігатні анаероби залишаються життєздатними при гН₂ не вище 18-20, але розмножуватись вони можуть тільки при зна­ченнях гН₂ не вище 3-5. Факультативні анаероби зберігають мета­болічну активність у широкому діапазоні гН₂, — від 0 до 30.

Хімічні сполуки. Дія хімічних речовин на мікроорганізми може бути стимулювальною (сприяє росту та розмноженню), бактеріостатичною, фунгістатичною (затримує ріст і роз­множення бактерій і грибів відповідно) та бактерицидною, фунгіцидною (викликає загибель бактерій і грибів відповідно). Прикладом стимулювальної дії на мікроорганізми може бути дія на них вітамінів та інших ростових факторів.

Багато які хімічні речовини згубно впливають на мікроорга­нізми, їх називають а н т и м і к р о б н и м и.. Вони можуть бути орга­нічної (етиловий спирт, формальдегід, фенол) та неорганічної при­роди (солі важких металів — свинцю, ртуті, срібла, міді). Антимік­робні речовини, які використовуються у практиці для пригнічен­ня патогенних мікробів, називаються д е з і н ф і к у в а л ь н и м и (0,5-5,0 %)- не хлорне вапно, 2%-й розчин йоду, 1-5% -й розчин фенолу — карболова кислота), а прийом їх використання — дезінфекцією.

Антимікробні речовини спричиняють такі пошкодження клітини:

пошкодження поверхневих структур чи оболонок кліти­ни (етанол, фенол, крезоли, детергенти, поліпептидні антибіо­тики — поліміксин, бацитрацин, субтілін);

пошкодження ферментів і порушення метаболізму (важкі метали зв'язують SH-групи білків і тим самим глибоко зміню­ють їх третинну та четвертинну структури; ціанід (дихальний яд), зв'язуючи залізо, блокує функцію цитохромоксидази; арсе­нат пригнічує фосфорилювання на рівні субстрату; фторацетат блокує цикл трикарбонових кислот);

порушення синтезу клітинних компонентів. Існують сполуки, які називаються структурними аналогами, або антиметаболітами. Вони схожі за своєю структурою на нормальні клітинні метаболіти. Нормальний метаболіт кон­курує зі своїм структурним аналогом за каталітичний центр фер­менту. Так, сульфонамід є структурним аналогом п-амінобензойної кислоти, яка в свою чергу входить до складу коферменту тетрагідрофолієвої кислоти. У більшості бактерій тетрагідрофолієва кислота синтезується з простіших компонентів. Проникаючи в клітину, сульфонамід включається у фолієву кислоту. При цьому утворюється кофермент, який не здатний функціо­нувати, в результаті чого ріст припиняється;

пригнічення синтезу білка антибіотиками. Дія антибіо­тиків у прокаріот спрямована на функцію 70S рибосом. Стрепто­міцин та неоміцин гальмують процес зв'язування амінокислот, еритроміцин порушує функцію субодиниці 50S. Хлорамфенікол (левоміцетин) пригнічує включення амінокислот у білки;

пригнічення синтезу нуклеїнових кислот антибіотика­ми. Мітоміцин С перешкоджає синтезу ДНК, актиноміцин D пору­шує синтез РНК, ріфампіцин діє на ДНК-залежну РНК-полімеразу і тим самим пригнічує синтез матричної РНК у бактерій;

гальмування синтезу клітинних стінок. Синтез пептидоглікану пригнічується пеніциліном, цефалоспоринами, бацитрацином.