По отношению к температуре микроорганизмы можно подразделить на три группы: психрофилы и психротрофы (от греч. psy-chro — холод, phileo — люблю, trophe — питание), достаточно быстро развивающиеся при 0 °С, мезофилы (от греч. mesos — средний, промежуточный), растущие в пределах умеренных температур, и термофилы (от греч. therme — тепло), развивающиеся при температуре выше 45—50 °С. Для перечисленных групп характерны разные кардинальные температуры.
К облигатным психрофилам относят микроорганизмы, оптимальная температура развития которых составляет 15 °С или ниже, а максимальная не превышает 20 °С. Эти микробы распространены только в местах с постоянно низкой температурой: в арктических районах земного шара, где их обнаруживают в пробах из почв, вечных снегов и горных ледников, в воде колодцев и родников. В подобных условиях жизнь мезофилов исключена.
Психротрофные (психроактивные) организмы развиваются при 0 оС, однако их температурный оптимум выше, чем у психрофилов, и составляет 25—30 °С, максимум около 35 оС. Их часто обнаруживают в почве и воде не только в условиях холодного, но и умеренного климата. Психротрофы могут развиваться в пищевых продуктах, которые хранятся при низких температурах. Например, в молоке обитают психротрофы, относящиеся к родам Pseudomonas, Alkaligenes, Chromobacterium, Flavobacterium. В мясе при температуре хранения ниже 0 °С размножаются психроактивные псевдомонады, грамположительные бактерии и даже патогенные или токсигенные виды, в том числе Clostridium botulinum типа Е.
(Согласно современным представлениям) психрофилы способны развиваться при низкой температуре благодаря следующим особенностям:
клетки психрофилов содержат ферменты, имеющие низкую температуру активации и в связи с этим способные наиболее эффективно функционировать при низкой температуре; при температуре выше 30 °С данные ферменты прекращают свою деятельность;
несмотря на низкую температуру, проницаемость мембран психрофилов остается высокой в связи с большим количеством ненасыщенных жирных кислот, содержащихся в липидах, в результате мембраны не замерзают.
Температурный оптимум для мезофилов составляет 30—45 °С, минимум — 10—15 °С. В указанную группу входит большинство микроорганизмов, в том числе болезнетворные. Для бактерий, патогенных для человека и теплокровных животных, температурный оптимум около 37 °С.
Термофилы — теплолюбивые микроорганизмы, развиваются в зоне высоких температур (выше 45—50 °С). Термофильные микроорганизмы подразделяют на следующие группы: 1) облигатные - имеют температурный оптимум 65—70 оС, минимальная температура, при которой возможен их рост — 40—42 °С; 2) факультативные - имеют температурный максимум 50—60 оС, минимум — менее 20 оС; 3) термотолерантные — температурный максимум 45—50 оС; 4) экстремально термофильные могут существовать при температурах от 60 до 93 °С и выше; 5) гипертермофилы - ряд архебактерий, например, архебактерии Pyrodictium occultum развиваются при температуре 105 °С, но выдерживают и 110 оС.
Возможность существования термофилов при высокой температуре обусловлена следующими особенностями:
составом липидных компонентов клеточных мембран, а именно высоким содержанием С17—С19 насыщенных жирных кислот с разветвленными цепями;
высокой термостабильностью белков и ферментов (последние имеют низкую молекулярную массу и содержат значительное количество ионов кальция);
• термостабильностью клеточных ультраструктур.
Постоянное место обитания термофильных бактерий — термальные (горячие) источники. Термофилы принимают непосредственное участие в саморазогревании навоза, компостов, сена, зерна и т. д. В последние годы данную группу организмов широко используют в биотехнологической промышленности для получения витаминов, ферментов, молочной кислоты, кормового белка и других ценных для сельского хозяйства и медицины веществ. Термофильные формы имеются не только среди бактерий, но и среди водорослей, грибов и простейших.
Микроорганизмы по-разному относятся к предельным (низким и высоким) температурам. Если температуру жидкого азота (—190 °С) или жидкого водорода (—252 °С) микробные клетки переносят, сохраняя после размораживания способность к росту, то под влиянием высоких температур они довольно быстро погибают. Высокие температуры (60 оС и выше) вызывают разрушение цитоплазматической и других мембранных структур, повреждение нуклеиновых кислот, коагуляцию белков и инактивацию ферментов у психрофильных и мезофильных микроорганизмов. Обычно при 60— 70 °С погибают вегетативные клетки указанных организмов.
Нагревание до температуры выше 100—120 °С используют в микробиологии для полного уничтожения вегетативных форм микроорганизмов и их спор. Это наиболее удобный и надежный метод стерилизации (от лат. sterilis — бесплодный). Существует несколько способов стерилизации с использованием высокой температуры. Чаще всего применяют стерилизацию сухим жаром (для сухих объектов) при температуре 160 °С в течение 2 ч и стерилизацию паром в автоклаве (для влажных объектов) при 120 °С в течение 15— 20 мин.
Кислотность и щелочность
Кислотность среды, в которой обитают микроорганизмы, является одним из наиболее важных факторов, определяющих рост и размножение микроорганизмов, так как действует на организм через ионное состояние и влияет на доступность многих ионов и метаболитов, стабильность макромолекул. Для большинства микроорганизмов оптимальны значения реакции среды около рН=7. Очень кислая или очень щелочная реакции обычно токсичны для бактерий.
По отношению к кислотности среды микроорганизмы разделяют на ряд групп: Нейтрофилы - большая часть прокариот, развиваются в диапазоне значений рН 4—9. К нейтрофилам относят, например, Bacillus subtilis, Streptococcus faecalis, Escherichia coli и др. Среди нейтрофилов много представителей, обладающих кислото- и щелочеустойчивостью, т. е. толерантностью. Кислототолерантными являются молочнокислые, уксуснокислые, маслянокислые и другие микроорганизмы, а щелочетолерантными, устойчивыми к рН 9—10, — энтеробактерии и др.
Алкалофильные - бактерии, для которых предпочтительна щелочная реакция среды (рН 10 и выше).
Ацидофильные - бактерии, способные развиваться в очень кислой среде (рН 3 и менее). Среди бактерий данных групп есть облигатные формы, неспособные развиваться в нейтральной среде, и факультативные, проявляющие такую способность.
Известны микроорганизмы, которые растут при экстремальных значениях реакции среды. Например, представитель облигатных экстремальных ацидофилов Thiobacillus thiooxidans может развиваться при рН 0,5—6,0 (оптимум 2,0—3,5).
Грибы и дрожжи хорошо размножаются и при низком (рН 2—3) и довольно высоком его значении (рН 8—10). Многие грибы предпочитают кислую среду и лучше растут при рН 5—6.
Некоторые бактерии, несмотря на то что не растут при кислотности ниже рН 4,5, могут выносить реакцию среды с рН 1 или даже рН 0,1, не подвергаясь заметному угнетению. Это так называемые ацидотолерантные, или кислотоустойчивые, микроорганизмы. К ним принадлежат тионовые бактерии, окисляющие сероводород и серу и др. Существует несколько видов бактерий, устойчивых к щелочной среде (рН 8,5 и выше). Например, Bacillus pasteurii — бактерию, расщепляющую мочевину и хорошо растущую при реакции среды, близкой к рН 11.
Несмотря на то что развитие бактерий возможно в целом в диапазоне рН 1 —11, кислотность среды их цитоплазмы варьирует в ограниченном диапазоне, вблизи рН 7. Нейтральная реакция цитоплазмы оптимальна для большинства микроорганизмов, так как ряд важных компонентов клеток разрушается в кислой (ДНК, АТФ) или щелочной среде (РНК. фосфолипиды).
Отрицательное влияние высокой кислотности среды на большинство микроорганизмов используют при консервировании пищевых продуктов, приготовлении маринадов, квашении капусты, силосовании и т. д.
Присутствие молекулярного кислорода в среде
Молекулярный кислород — важный экологический фактор. Его содержание в атмосфере составляет 21%. По отношению к молекулярному кислороду все микроорганизмы можно разбить на ряд групп. Микроорганизмы, нуждающиеся в кислороде для жизни, называются облигатными (строгими) аэробами (большая часть бактерий и грибов).
Среди аэробов есть микроорганизмы, которые потребляют кислород, но хорошо растут только при содержании его в значительно меньшей концентрации, чем в воздухе. Подобные организмы называют микроаэрофилами, они широко распространены в почвах, водоемах и других природных средах, где содержание молекулярного кислорода существенно ниже, чем в атмосфере. К микроаэрофилам относятся молочнокислые бактерии (род Lactobacillus), нитчатые скользящие бактерии (род Beggiatoa), ряд видов рода Bacillus и др.
Микроорганизмы, которые совсем не используют кислород называют анаэробами. Они бывают двух типов: облигатные анаэробы — для них кислород токсичен, и аэротолерантные анаэробы — не погибающие при контакте с кислородом.
Токсичность кислорода для облигатных анаэробов объясняется тем, что эти организмы не имеют особых ферментов — супероксиддисмутазы и каталазы, обычно содержащихся в клетках аэробов и аэротолерантных анаэробов и защищающих организм от токсичных продуктов кислородного обмена (Н2О2 и др.).
К облигатным анаэробам относятся представители родов Methanobacterium, Methanosarcina, Clostridium и др.
Существуют факультативные анаэробы — микроорганизмы, способные переключаться с аэробного на анаэробный тип метаболизма. В зависимости от условий среды факультативно анаэробные микроорганизмы могут иметь либо окислительный, либо бродильный тип обмена. Так, многие дрожжи способны при доступе воздуха окислять сахар до СО2 и Н2О, а в анаэробных условиях они вызывают спиртовое брожение, при котором сахар превращается в этиловый спирт и диоксид углерода.
К факультативно анаэробным бактериям относятся представители родов Bacillus, Vibrio, Escherichia, патогенные бактерии родов Salmonella, Shigella, Staphylococcus и др.