Влияние условий внешней среды на микроорганизмы

Излучние

Излучение, которое повреждает микроорганизмы, представляет собой коротковолновый электромагнитный спектр — ионизирующее излучение и ультрафиолетовые лучи. Их эффект объясняется появлением фотохимических реакций в клетках и молекулярной ионизацией из-за накопления частиц высокой энергии.

Ионизирующее излучение с разрушающим воздействием на микробные агенты включает гамма-лучи, исходящие из Со-60 и Се-137, рентгеновское излучение и корпускулярное излучение (бета-частицы и электроны высокой энергии). Они обладают высокой проникающей способностью, значительной энергией и оказывают прямое и косвенное воздействие. Эффект прямого повреждения достигается при высоких дозах излучения, непосредственно влияющих на бактериальную хромосому, клеточные ферменты, ряд макромолекул с необратимыми изменениями. Косвенный эффект имеет первостепенное значение, так как вода преобладает в клетках. Рентгеновские лучи и гамма-лучи представляют собой высокоэнергетическое излучение, которое может вызывать электрон от атомов, что приводит к ионизации молекул. В результате образуются реакционноспособные свободные радикалы — водород (* H), гидроксил (* OH) и т. д., из которых в клетках образуются окислители, такие как пероксид водорода и пероксид водорода. В свою очередь, они непосредственно повреждают ряд важных макромолекул, наиболее чувствительной ДНК. Декомпозиция макромолекулы ДНК является наиболее распространенной причиной гибели клеток, поскольку она часто содержит только одну копию данного гена. Растительные бактериальные формы, их споры и грибы обычно умирают в дозе около 1,2 Мрад. Несколько вирусов нуждаются в дозе 2,5 Мрад.

Ультрафиолетовое излучение используется как гермицид (микробицид) как в промышленности, так и в медицине более ста лет. Наиболее сильным воздействием на микроорганизмы являются ультрафиолетовые лучи с длиной волны 250-260 нм, что соответствует их максимальному поглощению от оснований молекулы ДНК. Квантовая энергия, переносимая ультрафиолетовыми лучами (UVL), не приводит к ионизации, но инициирует фотохимические реакции. Последний индуцирует ковалентное присоединение соседних оснований тимина в молекуле ДНК, и когда они являются частью двух комплементарных цепей, связывание прекращает репликацию хромосомы, и микробы разрушаются. При более низких дозах ультрафиолетового излучения этот процесс вызывает мутации. Исследование случаев низкодозного облучения (УФЛ) Escherichia coli выявило наличие все большего числа устойчивых к бактериофагу мутантов.

Химические факторы

Концентрация ионов водорода. Большое влияние на развитие микроорганизмов оказывает такой химический фактор внешней среды, как концентрация ионов водорода или pH. Каждый микроорганизм имеет свой максимум и минимум pH, в пределах которых он может развиваться (табл. 1.4).

Как свидетельствуют данные таблицы, есть и некоторые общие закономерности. Бактериальные микроорганизмы хорошо развиваются при pH, близком к нейтральному — от 6,5 до 7,5. У микроскопических грибов и различных видов дрожжей оптимум pH в кислой зоне — от 4 до 6. Концентрация водородных ионов в среде оказывает большое влияние на развитие микроорганизмов и на их физиологическую активность. Это положение можно подтвердить ходом процесса брожения. Например, при спиртовом брожении, протекающем при pH 4, образуются диоксид углерода и этиловый спирт. При сдвиге pH в щелочную сторону (до 7,5) брожение также происходит, но в этом случае кроме диоксида углерода и спирта образуется еще и уксусная кислота.

Окислительно-восстановительный потенциал. Выражают через rH2. Если pH выражает степень кислотности и щелочности, то rH2 — степень аэробности. И. Л. Работнова (1958) показала, что в водном растворе, насыщенном кислородом, rH2 = 41, а в условиях насыщения водородом — rH2 = 0. Шкала от 0 до 41 характеризует любую степень аэробности. По отношению к этому фактору внешней среды все микроорганизмы подразделяются на следующие основные группы: аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Аэробы содержат в своих клетках систему дыхательных ферментов и в качестве акцепторов водорода при окислительно-восстановительных процессах используют молекулярный кислород. Для аэробных микроорганизмов, например для дрожжей, rH2= 10 / 30 (рис. 1.7, а). Анаэробы получают энергию без участия кислорода воздуха за счет сопряженного окисления — восстановления веществ субстрата. Эти микроорганизмы жизнедеятельны при rH2 не выше 20. Рис. 1.7, б свидетельствует, что размножаются анаэробы только при крайне низких значениях rH2 — не выше 3-5. Для представителей этой группы микроорганизмов молекулярный кислород не только не нужен, но в ряде случаев и ядовит.

Микроорганизмы, для которых кислород не обязателен, так как они живут за счет сопряженного окисления-восстановления без вовлечения кислорода, называются факультативными анаэробами. Они живут в широком диапазоне rH2 — от 0 до 30. Кислород для них не ядовит или слабо ядовит.

Слайд 4 Высушивание.Высушивание приводит к обезвоживанию цитоплазмы, нарушается целостность цитоплазматической

влиянием высушивания погибают уже через несколько минут : это менингококкиго

гонококки Более устойчивыми к высушиванию являются возбудители туберкулеза, которые могут сохранить свою жизнеспособность до 9 месяцев, а также капсульные формы бактерий. Для хранения м/о и изготовления лекарственных препаратов из бактерий применяется метод лиофильной сушки. Сущность метода состоит в том, что м/о сначала замораживают при -273 °С, а потом высушивают в условиях вакуума. При этом микробные клетки переходят в состояние анабиоза и сохраняют свои биологические свойства в течение нескольких лет.

Температура

Одним из основных факторов, влияющих на жизнеспособность бактерий, является температура окружающей среды. Их существование происходит в определенном температурном диапазоне: минимальном, оптимальном и максимальном.

В зависимости от этого различные типы бактерий подразделяются на следующие три основные группы:

1. Психофилы (от психроса — холодные) — холодолюбивые бактерии. Их оптимальная температура роста составляет от 10°С до 15°С, но может быть умножена на 0-30°С. Они обычно обитают в водах и почвах в Арктике и Антарктике и в потоках таяющих ледников. В морях Арктики обнаружены бактериальные виды, которые размножаются при -5°С. Некоторые патогенные бактерии, такие как Listeria monocytogenes и Y. enterocolitica, являются жизнеспособными при 4°С, как это обычно бывает, в домашних холодильниках.
2. Мезофилы — это бактерии, которые растут при умеренных температурах от 20 до 40°С. Их максимальный температурный диапазон составляет 10-45°С. Большинство типов бактерий являются мезофильными и включают в себя некоторых почвенных и водных обитателей, нормальной микрофлоры и всех видов животных и бактерий, вызывающих заболевания.
3. Термофилы определяются как теплокровные бактерии. Их оптимальная температура роста составляет от 45°С до 70°С, а их максимальный диапазон, при котором они остаются жизнеспособными, составляет 25-90°С. Термофилы обычно встречаются в термальных источниках и компосте. Молочнокислые бактерии также относятся к термофилам.

Существуют также гипертермофильные бактерии, которые развиваются при очень высоких температурах. Их оптимальная температура роста составляет от 70 до 110°С. Они включают представителей Археи, которые находятся вблизи гидротермальных отверстий на больших глубинах в океанах.

Оптимальная температура развития для данного типа бактерий соответствует условиям, в которых клеточный метаболизм наиболее эффективен. Высокие температуры, которые превышают максимум для данного типа бактерий, повреждают метаболизм клеток, и они умирают. Большая часть патогенных бактерий, грибов и всех вирусов погибает при 50-60°С в течение от нескольких минут до 1 часа. Споры бацилл являются наиболее устойчивыми формами жизни и умирают со скоростью. более 100°С в течение 2 часов и более (C. butulinum — более 5 часов). Высокая температура воды или водяного пара повреждает микроорганизмы путем коагуляции и денатурации белков (особенно чувствительных ферментов), денатурации ДНК и нарушения целостности клеток. В сухой стерилизации, где высокая температура влияет на микроорганизмы в воздухе, микробы умирают из-за окисления органического вещества в ячейке и из-за повышенного уровня электролита.

Низкие температуры также влияют на жизнедеятельность бактерий, замедляя или останавливая клеточный метаболизм, увеличивая вязкость (плотность) цитоплазмы и ограничивая проницаемость плазматической мембраны. В большинстве бактерий ниже 0°С метаболическая активность клеток прекращается и переходит в состояние анаболизма. Замораживание большинства микроорганизмов в подходящей среде и при температурах от -20 до -70°С, а также в жидком азоте (-196°С) сохраняется в течение длительного периода времени. Это делается в специализированных лабораториях с целью сохранения ценных видов бактерий.

Влияние температуры окружающей среды на микроорганизмы обычно используется в медицинской практике. Биологические материалы, которые принимаются для микробиологического тестирования, хранятся и транспортируются при оптимальной температуре для подозреваемого патогена, бактериальная культура также требует поддержания подходящей температуры. Влажное тепло широко используется для стерилизации медицинских инструментов и термостойких расходных материалов.

Слайд 12 БактериофагиБактериофаги — это вирусы, обладающие способностью проникать в

Фаги широко распространены в природе — в воде, почве, сточных

водах, в кишечнике животных, человека, птиц, в раковых опухолях растений. Фаг был выделен из молока, овощей.

Структура и морфология фагов: большинство фагов состоит из головки, воротничка и хвостового отростка, заканчивающегося базальной пластинкой, к которой прикреплены фибриллы. Содержание головки — это ДНК (иногда РНК). Хвостовой отросток имеет цилиндрический стержень, окруженный сократительным чехлом.Некоторые вещества, например, хлороформ и ферментативные яды (цианид, флорид), не оказывают влияния на фаги, но вызывают гибель бактерий.Однако фаги быстро погибают при кипячении, действии кислот, УФ-лучей. Фаги обладают строгой специфичностью

Слайд 9 Биологические факторы.В естественных условиях м/о находятся в сложных

это сожительство организмов разных видов, приносящих им взаимную пользу. При

этом вместе они развиваются лучше, чем в отдельности.Метабиоз — это такой вид взаимоотношений, при которых один вид м/o создает благоприятные условия для другого. Метабиоз характерен для почвенных бактерий, которые используют для своей жизнедеятельности аммиак – продукт метаболизма аммонифицирующих почвенных бактерий.Антагонизм – вид взаимоотношений, при котором один м/о угнетает развитие другого. Антагонизм может развиваться в форме конкуренции за источники питания. Если один м/o использует другой организм как источник питания, то такой вид антагонизма называется паразитизмом. Примером паразитизма является отношение вирус – хозяин , бактериофаг – бактерии.

Биологические факторы (антимикробные вещества)

Различные вещества, находящиеся в окружающей среде, могут служить источником питания микроорганизмов и способствовать росту и развитию, а могут и ингибировать рост микробной клетки, не оказывая на нее летального действия. Наиболее известными антимикробными веществами являются антибиотики, которые даже в небольших концентрациях угнетают рост и активность микробов. Антибиотики образуют главным образом актиномицеты, а также некоторые грибы и бактерии. Механизм действия антибиотиков состоит в том, что одни из них нарушают процессы деления бактериальной клетки, другие изменяют отдельные процессы метаболизма, мешают использованию витаминов, конкурируют с отдельными ферментами, нарушают процессы дыхания, способствуют образованию перекисей, лизису клеток, оказывают депрессирующее действие на поверхностное натяжение и т. д.

Слайд 5 Лучистая энергия В природе бактериальные клетки

действуют на микроорганизмы. Это относится к ультрафиолетовому спектру солнечного света

(УФ-лучи), они инактивируют ферменты клетки и разрушают ДНК. Опыт Бухнера показывает, насколько УФ-лучи губительно действуют на клетки. Бактерицидное действие УФ-лучей используют для стерилизации закрытых помещений: операционных, родильных отделений, перевязочных, в детских садах и т. д. Для этого используются бактерицидные лампы ультрафиолетового излучения с длиной волны 200—400 нм.

На микроорганизмы оказывают влияние и другие виды лучистой энергии — это рентгеновское излучение, а-, р- и у-лучи оказывают губительное действие на микроорганизмы только в больших дозах. Эти лучи разрушают ядерную структуру клетки.

рН среды и осмотическое давление

Реакция окружающей среды, оптимальная для большинства патогенных микроорганизмов (бактерии и вирусы), является нейтральной или слегка щелочной — pH 7-7,5. Некоторые бактерии, такие как туберкулез, требуют слабокислой среды (рН 6,8), холеры, плесени и дрожжей — щелочных сред (pH 8-9). Изменение реакции среды сильно влияет на метаболическую активность микроорганизмов, которая широко используется в пищевой и фармацевтической промышленности.

Микроорганизмы могут быть отнесены к одной из следующих групп на основе значений рН, необходимых для их оптимального развития:

1. Нейтрофилы — лучше развиваются при рН от 5 до 8.
2. Ацидофильный — рН 5,5 подходит.
3. Алкалифилы — оптимальный рН выше 8,5.

Осмос представляет собой диффузию молекул воды через мембрану из зоны более высокой концентрации воды (меньшая концентрация растворенного вещества) в область с более низкой водной концентрацией или более высокой концентрацией растворенного вещества. Осмотическое давление определяется в основном концентрацией растворенного вещества в данной среде.

Изотоническая среда с определенной концентрацией солей необходима для нормального хода жизни в бактериальных клетках. 0,5% растворы NaCl используются в питательных средах для достижения изотактичности. В океанах и морях микроорганизмы выдерживают значительно более высокие осмотические давления — до 29% NaCl.

Для сохранения пищевых продуктов для предотвращения роста микроорганизмов используются растворы с высоким осмотическим давлением (более 50% сахара или 20% NaCl). Болезни стафилококков (S. aureus) могут выжить в 15% -ной среде NaCl.

Кислород

Бактерии характеризуются широким спектром требований к содержанию кислорода в их среде разработки. Они могут быть сгруппированы следующим образом:

1. Связанные (обязательные) аэробы — микроорганизмы, которые развиваются только в присутствии кислорода. Они получают энергию через аэробное дыхание.
2. Микроаэрофилы — низкая концентрация кислорода (от 2% до 10%) требуется для их жизнедеятельности, а ее более высокие концентрации являются тормозящими. Они получают энергию через аэробное дыхание.
3. Смешанные анаэробные микроорганизмы — растут только в бескислородных средах и часто умирают в их присутствии. Они деградируют питательные вещества с анаэробной или ферментацией.
4. Аэротрольные анаэробы, подобно анаэробным пудингам, не могут использовать кислород для извлечения энергии, но могут выжить в кислородной среде. Они известны как связывающие ферментеры, потому что они используют только процесс ферментации для извлечения энергии из пищи.
5. Дополнительные анаэробные микроорганизмы — развиваются в присутствии или в отсутствие кислорода, но обычно более активны в кислородной среде. Они получают свою энергию через аэробное дыхание (в присутствии кислорода), но также используют ферментацию или анаэробное дыхание, в отсутствие этого. Большинство бактерий факультативно анаэробны.

Сушка и звуковые волны

Сушка воздействует на различные микроорганизмы в разной степени. Патогенными микроорганизмами, которые особенно чувствительны к потере внутриклеточной воды, являются гемофильные бактерии, члены рода Nayera (менингококки, гонококки), T. pallidum и другие. Вирусы, подверженные сушке, включают вирусы гриппа и парагриппа, ВИЧ, риновирусы и другие. Устойчив к обезвоживанию — вирионы холеры (до 2 дней), шигеле (до 7 дней) и туберкулезные бактерии (от 3 месяцев до 1 года). Высокая устойчивость к потере внутриклеточной жидкости — это споры бактерий (бациллы сибирской язвы — до 50 лет) и грибы.

Лиофилизация — это процесс, в котором микроорганизмы высушиваются при низких температурах и в вакууме. Процесс включает размещение микробных агентов в защитной жидкости, а затем замораживание со скоростью. От -20 до -70°С и помещают в вакуумную среду в специальном лиофилизированном аппарате. Вакуум вызывает сублимацию воды в микроорганизмах, и они высыхают как антибиотик, но остаются жизнеспособными в течение нескольких лет. Лиофилизация служит для сохранения важных бактериальных и вирусных штаммов, а также для производства живых вакцин.

Только ультразвуковые волны могут влиять на рост и развитие микроорганизмов. Ультразвуковые волны, рассеянные в жидкой среде, вызывают усадку и расширение окружающей среды, что приводит к образованию пузырьков в цитоплазме (кавитация). Эти пузырьки оказывают высокое давление на оболочку клетки, что приводит к разрушению клеток. С другой стороны, ультразвуковая энергия может вызвать ионизацию и диссоциацию молекул воды с образованием реактивных радикалов. Ультразвук используется для механической очистки медицинских и стоматологических инструментов, но не для стерилизации, так как некоторые из микроорганизмов выживают с помощью этого метода.

Слайд 3 Температура:Жизнедеятельность каждого микроорганизма ограничена определенными температурными границами. Эту

которой размножение прекращается, оптимальная(opt) – наилучшая температура для роста и

развития микроорганизмов, максимальная(max) – температура, при которой рост клеток замедляется или прекращается совсем.Различные группы микроорганизмов развиваются при определенных диапазонах температур. Бактерии, растущие при низкой температуре, называют психрофилами, интервал температур, при котором возможен рост психрофильных бактерий, колеблется от -10 до 40 °С, а температурный оптимум — от 15 до 40 °С.При средней — мезофилами, они растут в диапазоне температур 10— 47 °С; оптимум роста для большинства из них 37 °С.При высокой(от 40 до 90 °С) — термофилами, они обитают в горячих источниках, участвуют в процессах самонагревания навоза, зерна, сена.