Механизм токсичного действия кислорода на микроорганизмы

У всех микроорганизмов ест ферменты, которые реагируют с кислородом. Отношение данного микроорганизма к кислороду определяется количеством и разнообразием этих ферментов. При окислении кислородом органических веществ образуются токсичные соединения: Н₂О₂ (перекись водорода) и свободный перекисный радикал О₂^•-. У аэробов летальному накоплению перекисного радикала препятствует фермент, который называется супероксиддисмутаза (СОД), который катализирует реакцию расщепления О₂^•- в менее агрессивные вещества.

2О₂^•- + 2Н⁺ → О₂ + Н₂О₂

Почти все аэробы содержат фермент - каталаза, который катализирует расщепление пероксида водорода

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂

Таким образом, эти ферменты защищают клетку от токсичных продуктов кислородного метаболизма. Облигатные анаэробы, как правило, не содержат не СОД, не каталазы, и именно отсутствием этих ферментов объясняется токсичное действие кислорода на эти микроорганизмы.

Другие факторы среды

Давление

Микроорганизмы относительно слабо чувствительны к вариациям гидростатического давления. Обычное давление не оказывает существенного влияния на микробные клетки. Увеличение давления до определенного предела не сказывается на росте микроорганизмов, однако на определенном уровне начинает тормозить их рост и размножение. Умеренное давление (1 • 10⁷ — 5 • 10⁷ Па) угнетает рост и размножение микроорганизмов. Очень высокое гидростатическое давление может полностью остановить их рост. При давлении выше 5 • 10⁷ Па не растут большинство микроорганизмов. Существуют виды, обитающие в грунтах и водах океанов, способные размножаться при высоком давлении. Среди выделенных из глубин океанов имеются баротолерантные микроорганизмы, размножающиеся при нормальном атмосферном давлении, но хорошо переносящие и высокое давление.

Микроорганизмы, называемые барофильными, размножаются лучше при гидростатическом давлении, значительно более высоком, чем обычное атмосферное. Снижение давления обусловливает замедленный рост этих организмов и нарушение процессов деления, что приводит к образованию нитевидных клеток. Облигатно барофильные бактерии не способны размножаться при давлении 1,01 • 10⁵ Па.

В связи с этим возникло направление в микробиологии — баробиология микроорганизмов, которая изучает роль гидростатического давления как экологического фактора, оказывающего влияние на распространение и активность микроорганизмов в глубине морей и океанов или под землей.

Химические вещества

Действие химических веществ на микроорганизмы зависит от природы вещества, его концентрации, особенностей микроорганизма и факторов внешней среды (температуры, состава среды, времени воздействия и т. д.). По характеру действия химические соединения делят на несколько групп: антисептики, ионы тяжелых металлов, антибиотики.

Антисептики (от греч. anti — против, septicos — гнилостный) — органические и неорганические вещества, обладающие бактерицидным действием. К ним относят спирты, альдегиды, эфиры, фенолы, галогены, перманганат калия, перекись водорода и многие другие.

Действие органических антисептиков значительно усиливается при совместном использовании с поверхностно-активными веществами, увеличивающими смачивающую способность жидкости (жирные кислоты, мыла, детергенты). Механизмы действия бактерицидных веществ разнообразны. Это может быть повреждение клеточной стенки, растворение липидов цитоплазматической мембраны, денатурация белков, нарушение процессов клеточного деления, усиление окислительных процессов, приводящих к гибели клетки, и т. д.

Ионы тяжелых металлов (свинец, кадмий, ртуть, медь, серебро и т. д.) в небольших концентрациях оказывают стимулирующее действие на развитие микроорганизмов, так как служат для них микроэлементами, входящими в состав тех или иных ферментов. При повышении концентрации солей тяжелых металлов наблюдается их бактерицидный эффект. Механизмы токсичного действия тяжелых металлов на бактериальную клетку заключаются в ингибировании синтеза белка и РНК или нарушении координации этих жизненно важных процессов.

Характер действия многих антисептиков — бактерицидный или бактериостатический — зависит от концентрации соединения в среде, т. е. его токсичность определяется дозой. Кроме того, среди микроорганизмов есть формы, устойчивые к действию общих клеточных и метаболических ядовитых веществ (фенол, окись углерода, сероводород и др.), отдельные виды обладают способностью использовать эти соединения в качестве источников питания. Считают, что устойчивость микроорганизмов к токсичным веществам во многих случаях определяется плазмидами.

Растворы токсичных соединений применяют как дезинфицирующие средства в медицине, пищевой промышленности. В сельском хозяйстве их используют для химической дезинфекции (протравливания) семян и почвы. Такого рода дезинфекция обычно направлена против определенного возбудителя заболевания и называется частичной дезинфекцией.

Антибиотики (от греч. anti — «противо...», bios — жизнь) — соединения, синтезируемые, как правило, микроорганизмами и обладающие способностью в небольших концентрациях оказывать избирательное токсичное действие на другие микроорганизмы. Известно более 5000 различных антибиотиков. Механизмы их противомикробного действия могут быть самыми разными (нарушение синтеза клеточной стенки, ингибирование синтеза белка, РНК, ДНК и т. д.). Антибиотики нашли широкое применение в медицине и сельском хозяйстве. Однако в результате широкого внедрения этих веществ в практику появились устойчивые к ним формы микроорганизмов.

В выработке устойчивости бактерий к антибиотикам и другим токсичным веществам участвуют плазмиды, несущие гены множественной лекарственной устойчивости — R-факторы (от англ. resistance — устойчивость).

Влияние на микроорганизмы токсичных веществ в небольших концентрациях, не вызывающих их гибели, рассматривают как один из вариантов стрессовых воздействий. В таких условиях включаются специальные механизмы клеточного метаболизма, которые обеспечивают выживание бактерий.