Глава 4. Микроорганизмы и окружающая среда

Жизнь микроорганизмов непрерывно связана с окружающей средой. С одной стороны, деятельность микроорганизмов значительно изменяет окружающую среду в результате использования питательных веществ и выделения продуктов обмена; с другой стороны, интенсивность обменных процессов в клетке во многом зависит от условий окружающей среды. Наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой называется экологией.

Отдельные свойства среды обитания, воздействующие на микроорганизмы, называются экологическими факторами. Некоторые из них необходимы клетке, а некоторые наоборот, вредны - могут приостановить их рост и размножение, а также привести клетки к гибели. Под воздействием экологических факторов возможен и мутагенез, т.е. изменение наследственных свойств клетки.

Экологические факторы весьма многообразны и изменчивы, поэтому микроорганизмы постоянно адаптируются (приспосабливаются) к ним и регулируют свою жизнедеятельность в соответствии с их изменениями. к гибели, могут быть ликвидированы в определенных условиях и тогда способность к росту и размножению восстанавливается. Это явление называется реактивацией микроорганизмов, оно наблюдается, например, после воздействия некоторых видов лучистой энергии и высокой температуры.

Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия. Они подразделяются на абиотические (факторы неживой природы), биотические (факторы живой природы), и антропогенные (все формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания).

По отношению к каждому фактору можно выделить три кардинальные точки. Они определяют не только интенсивность роста микроорганизмов, но и возможность их существования. Минимум – минимальное значение фактора, ниже которого рост не происходит. Максимум - максимальное значение фактора, выше которого рост микроорганизмов практически прекращается. Оптимум - оптимальное значение фактора, при котором рост микроорганизмов проявляется наиболее интенсивно.

Абиотические факторы.

Абиотические факторы - это физико-химические условия среды обитания. К ним относятся температура, влажность среды, осмотическое давление, различные виды лучистой энергии, концентрация водородных ионов, кислорода.

Прокариоты (бактерии) способны существовать в гораздо большем диапазоне изменений среды обитания, чем эукариоты (мицелиальные грибы и дрожжи).

Температура.

Важнейшим фактором внешней среды является температура. Она определяет скорость размножения микроорганизмов, а также интенсивность протекания химических реакций в процессах обмена веществ в клетках. При переходе к крайним температурам жизненные процессы сначала замедляются, а затем или совсем приостанавливаются, и жизнь переходит в скрытую форму, или вообще прекращаются.

По отношению к температуре микроорганизмы подразделяют на три группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы или холодолюбивые микроорганизмы, лучше развиваются при относительно низких температурах. Оптимальная температура их развития от 10 до15⁰С , максимальная около 30⁰С и минимальная - от минус 10 до 0⁰С. к ним относятся в основном обитатели холодных источников, северных морей, обитатели почв полярных стран, микроорганизмы, развивающиеся в холодильниках на охлажденных продуктах и вызывающие их порчу. К ним относятся многие светящиеся морские бактерии.

Мезофилы - предпочитают средние температуры. Для них оптимум 25-40⁰С, максимум - в пределах 45-50⁰С. Мезофилы - наиболее распространенная в природе группа микроорганизмов, обитающих в воде, воздухе, почве, в живых организмах. Мезофилами являются представители дрожжей, мицелиальных грибов, молочно кислых бактерий, кишечной группы бактерий (стафилококки, фекальные стрептококки) и многие другие. Возбудители порчи пищевых продуктов, пищевых отравлений и заболеваний человека в основном являются мезофилами.

Термофилы - теплолюбивые микроорганизмы, лучше развиваются при относительно высоких температурах. Оптимальная температура их развития 50-60⁰С, максимальная - 70-80⁰С, минимальная - около 30⁰С. термофилы довольно широко распространены в природе. Они могут обитать в горячих источниках, в почвах и водоемах жарких стран, в песках пустынь, в кишечнике человека и животных, так как большинство термофилов образуют устойчивые споры.

Среди термофилов следует обратить особое внимание на термотолерантные микроорганизмы, имеющие максимальную температуру роста при 40-50⁰С, но растут они также и при комнатной температуре. Эта группа микроорганизмов играет важную роль в бродильных производствах.

С жизнедеятельностью термофилов связано явление термогенеза (самосогревания) больших скоплений органических веществ (навоза, торфа, сена, силоса, зерна, хлопка, круп, муки и др.). Термофилы встречаются в продуктах, прошедших тепловую обработку (в консервном, в сахарном и др. производствах). К термофилам и психрофилам относятся в основном бактерии.

Высокие температуры микроорганизмы переносят значительно хуже, чем низкие. Повышение температуры выше максимальной всегда приводит к гибели клетки. Большое значение имеет не только степень нагревания, его продолжительность, но и вид микроорганизма, а также химический состав субстрата (питательной среды), рН и др.

Неспороносные бактерии при нагревании влажных субстратов до 60-70⁰С отмирают в течение 15-30 мин, при 80-100⁰С - через 0,5-3 мин. Дрожжи и мицелиальные грибы погибают уже при 50-60⁰С. Более устойчивыми к нагреванию являются термофилы, обладающие повышенной термоустойчивостью.

Терморезистентность (термоустойчивость) - способность микроорганизмов выдерживать длительное нагревание при температурах, превышающих температурный максимум их развития.

Наиболее термоустойчивыми являются споры бактерий. Во влажной среде их гибель наступает при 120-130⁰С через 20-30 мин, в сухом состоянии при 160-170⁰С - через 1-2 часа. Термоустойчивость спор различных бактерий неодинакова. Особенно устойчивы споры термофильных бактерий (Bacillus stearothermophilus).

Споры большинства дрожжей и мицелиальных грибов по сравнению со спорами бактерий менее устойчивы к нагреванию и погибают довольно быстро при 65-80⁰С.

Повышение температуры среды по сравнению с оптимальной оказывает на микроорганизм более неблагоприятное воздействие, чем ее понижение. Отношение различных микроорганизмов к температурам, превышающим максимальную для их развития, характеризует их термоустойчивость, которая у разных микроорганизмов неодинакова. Температуры, превышающие максимальную, вызывают явление «теплового шока». При таком непродолжительном воздействии клетки микроорганизмов могут реактивироваться, а при длительном - наступает их гибель.

Механизм губительного действия температур еще недостаточно ясен. С одной стороны, известно, что нагревание вызывает денатурацию белков. С другой стороны, на температуру денатурации белка очень сильно влияет содержание в нем воды. Чем меньше в нем воды, тем более высокие температуры необходимы для его свертывания. Одной из причин высокой термоустойчивости спор бактерий является малое содержание в них свободной воды, так как большая часть воды в спорах находится в связанном состоянии.

Высокую устойчивость термофилов связывают с тем, что белки и ферменты их клеток более устойчивы к температуре по сравнению с мезофилами, благодаря чему скорость синтеза различных клеточных структур превышает скорость их разрушения под действием высоких температур.

Термоустойчивость одних и тех же микроорганизмов может изменяться в зависимости от химического состава обрабатываемой среды, ее рН, a_w, присутствия защитных веществ. Например, жиры, белки предохраняют микроорганизмы от воздействия тепла.

На губительном действии высоких температур основаны многие приемы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах, например, кипячение, варка, бланширование, обжарка (см. главу 8). В пищевой промышленности и в практической микробиологии широко применяют два способа воздействия высоких температур на микроорганизмы - пастеризацию и стерилизацию.

Пастеризация - это процесс уничтожения вегетативных клеток микроорганизмов путем нагревания продукта до 50-60⁰С в течение 15-30 мин или до 70-80⁰С в течение 5-10 мин. Иногда пастеризацию производят кратковременным нагреванием до 90-100⁰С. При пастеризации остаются жизнеспособными некоторые термоустойчивые бактерии и споры многих микроорганизмов. Пастеризуют многие пищевые продукты: молоко, вино, пиво, икру осетровых рыб, фруктовые соки и др.

Одним из важнейших и необходимых приемов в микробиологической практике и в пищевой промышленности является стерилизация. Слово «стерилизация» в переводе с латинского означает «обеспложивание». Под стерилизацией понимают полное уничтожение вегетативных клеток и спор микроорганизмов. Не может быть состояния «частичной» или «неполной» стерилизации. Выбор способа стерилизации определяется особенностями материала, подлежащего стерилизации, его физическими свойствами и химическим составом.

Различают термическую и холодную стерилизации. Термическую стерилизацию осуществляют либо путем воздействия на объект «сухого жара» при 160-180⁰С в течение 1-2 ч в сушильных шкафах, либо насыщенным паром под избыточным атмосферным давлением при температуре 112-125⁰С в течение 20-60 мин в специальных приборах - автоклавах. Так стерилизуют баночные консервы, многие предметы и материалы, используемые в медицинской и микробиологической практике.

Для обеспложивания объектов, портящихся под действием температуры выше 100⁰С, применяют дробную стерилизацию (тиндализацию). Этот прием был предложен английским ученым Тиндалем. Принцип тиндализации заключается в том, что продукт обрабатывают в парах кипящей воды - «текучим паром», при нормальном атмосферном давлении несколько раз. В период между прогреваниями обработанный продукт термостатируют с целью прорастания в нем жизнеспособных спор микроорганизмов. Предполагается, что проросшие из спор вегетативные клетки погибают при последующей обработке, не успев образовать новые споры.

В тех случаях, когда субстраты не выдерживают нагревания (витамины, антибиотики, белоксодержащие среды и др.), применяют методы «холодной стерилизации». Это обеспложивание субстратов с применением мембранных фильтров, обработка разных видов электромагнитных излучений и применение химических дезинфицирующих средств.

К низкой температуре микроорганизмы более устойчивы. Несмотря на то, что размножение и биохимическая активность микроорганизмов при температуре ниже минимальной прекращаются, гибель самих клеток чаще всего не наступает, а они переходят в состоянии анабиоза («скрытой жизни»). В таком состоянии многие микроорганизмы, и особенно их споры, остаются жизнеспособными длительное время. При повышении температуры споры прорастают в вегетативные клетки и начинают активно размножаться.

Низкие температуры вызывают гибель микроорганизмов тогда, когда замерзает среда, в которой они обитают, или происходят резкие скачки температуры, например, при многократно повторяющемся замораживании и оттаивании.

Причиной гибели микроорганизмов при низкой температуре является нарушение обмена веществ клетки в результате инактивирования ферментов, когда значительно замедляются внутриклеточные химические превращения веществ. Кроме того, в результате вымораживания воды, происходит повышение осмотического давления среды, а, следовательно, снижение активности воды в ней, что тоже ведет к нарушению обмена веществ.

Низкие температуры используют для сохранения скоропортящихся продуктов. Их хранят либо в охлажденном состоянии - при температуре от 10⁰С до -20⁰С, либо в замороженном виде - при температуре от - 12⁰С до -30⁰С. Гнилостные и вызывающие пищевые отравления бактерии являются мезофилами, поэтому не размножаются при 4-5⁰С, а патогенные не растут даже при 10⁰С.

Некоторые микроорганизмы временно выдерживают очень низкие температуры. Кишечная палочка и брюшнотифозная палочка в течение нескольких дней не погибают при температурах от -172⁰С до -190⁰С. Споры бактерий сохраняют способность к прорастанию даже после 10-ти часового пребывания при -252⁰С (температура жидкого водорода). Некоторые мицелиальные грибы и дрожжи сохраняют жизнеспособность после воздействия температуры -190⁰С (температура жидкого воздуха) в течение нескольких дней, а споры мицелиальных грибов - в течение нескольких месяцев.

Сроки хранения продуктов в охлажденном виде непродолжительны. Холодильные камеры необходимо регулярно дезинфицировать и поддерживать в них определенную температуру и относительную влажность воздуха.

Замороженные продукты остаются доброкачественными более длительное время, чем охлажденные. В замороженном виде хранят плод, овощи, мясо, рыбу и т.д. Размораживать замороженные пищевые продукты следует непосредственно перед употреблением.

Большое значение в сохранении качества продуктов имеют санитарно-гигиенические условия охлаждения продуктов, хранения их в холодильниках и при размораживании.