ЗАГАЛЬНА МІКРОБІОЛОГІЯ - Т.П. Пирог - 2004
6. РІСТ МІКРООРГАНІЗМІВ
6.1. ДІЯ НА МІКРООРГАНІЗМИ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ
6.1.1. Фізичні фактори
Температура. Життя мікроорганізмів можливе лише в певних температурних межах. Вивчаючи вплив температури на ріст мікроорганізмів, можна виділити три основні точки — мінімальну. оптимальну та максимальну температуру (рис. 6.1). Мінімальна температура (точка А) — температура, нижче якої мікроорганізм не може рости, оптимальна (точка Б) — сприяє найбільш інтенсивному і швидкому росту мікроорганізму, максимальна (точка В) — температура, вище якої ріст мікроорганізму неможливий. Характерно, що оптимальна температура завжди ближча до максимальної, ніж до мінімальної.
Діапазон між мінімальною та максимальною точками температури у різних мікроорганізмів неоднаковий. Так, для Baciltus subtilis він достатньо широкий — від 3 до 62 С, для гонококів та менінгококів — 36-38 С, тобто всього 1-2 С, а для вірусів — ще менший. Мікроорганізми, які мають широкі температурні межі, називаються еврітермними. Вони, як правило, живуть в умовах, де температура значно змінюється (ґрунт, вода, повітряне середовище).
Рис. 6.1. Вплив температури на швидкість росту мікроорганізмів
Мікроорганізми другої групи — стенотермні — мають вузькі температурні межі існування і живуть у зонах з відносно постійною температурою (гарячі джерела, льодовики).
По відношенню до температури мікроорганізми поділяються на психрофіли, мезофіли та термофіли (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Залежність між температурою росту пемхрофілів (1), мезофілі· (2) та термофілів (3)
Для психрофілів оптимальною є температура 5-12 С. До цієї групи мікроорганізмів належать мешканці холодних морів, океанів. глибоких озер, льодовиків і ґрунтів Крайньої Півночі. Незважаючи на здатність деяких мікроорганізмів до росту при низьких температурах, існує точка, нижче якої розмноження мікроорганізмів неможливе. Клітинний ріст припиняється при -30 С, хоча ферментативні реакції можуть проходити (зазвичай дуже повільно) і при цій температурі. Нижньою межею біохімічних реакцій у водних системах вважають температуру -140 С. Саме тому заморожування не є причиною загибелі мікроорганізмів, а тільки перешкоджає їх росту та розмноженню. Заморожування широко використовується в лабораторній практиці для зберігання мікробних культур.
До групи мезофільних мікроорганізмів належать такі, які мають температурний оптимум 25-37 С (у деяких літературних джерелах температурний інтервал росту мезофілів вказаний як 20-42 С). Ця найчисленніша група мікроорганізмів об’єднує сапрофітні та паразитні форми, мешканців ґрунтів, води, повітря, організму тварини і людини.
Групу термофілів становлять мікроорганізми з температурним оптимумом 40-65 С. Це мешканці гарячих мінеральних джерел, силосних ям. гнійних куп. Крайніми термофілами називають мікроорганізми, у яких температурний оптимум становить am це 65 С (Sulfolobus. Thermua aquaticus). Деякі з них здатні рости навіть при температурах, вищих як 70 С, навіть при 105 С (Pyrodictіum occultum — строгий анаероб, який відновлює сірку). Слід зазначити, шо бактерії найтермостійкіші організми з усіх живих істот на землі.
Верхні температурні межі С для різках груп мікроорганізмів
Найпростіші 45-50
Еукаріотні водорості та гриби 56-0
Фотосинтезувальні прокаріоти (бактерії та ціанобактерії) 70-78 НефотосинтезувальнІ прокаріоти (бактерії) Понад 90
Вологість і осмотичним тиск. Для життєдіяльності мікроорганізмів необхідна вода, яка є одночасно і середовищем, і безпосереднім учасником багатьох біохімічних реакцій у клітині. Вода необхідна мікроорганізмам для розчинення а ній поживних речовин (мінеральних солей та органічних речовин). Велика роль води в процесі дихання. Вода, що міститься по відношенню до мікроорганізму у зовнішньому середовищі, може бути доступною і недоступною для нього. Ступінь доступності води для хімічних реакцій і мікроорганізмів визначають показником активності води апа, що характеризує ступінь зв'язаності її молекул. Активність чистої вільної води дорівнює одиниці. При взаємодії води з поверхнями, аніонами і катіонами, будь-якими гідрофільними групами активність води стає меншою за одиницю. Мікроорганізми можуть рости на середовищах зі значеннями апа=0,99-0,60. Іноді для визначення ступеня доступності води користуються показником відносної вологості (виражається у відсотках). Обидва параметри стосуються фази пари, яка перебуває у рівновазі з твердим матеріалом чи розчином. Активність води (відносна вологість) — це відношення концентрації води у фазі пари в повітряному просторі над даним матеріалом до концентрації води в повітрі над чистою водою при певній температурі.
Водна активність розчину може змінюватися двома шляхами — матричним і осмотичним. Осмотична зміна ао відбувається в результаті взаємодії молекул води з розчиненими речовинами. Матрична зміна ам зумовлена адсорбцією молекул води на поверхнях твердих субстратів. Часто вважають. що вплив концентрації розчинів на ріст мікроорганізмів опосередкований впливом осмотичного тиску. Насправді цей вплив позначається на зміні водної активності як міри доступної для організму води.
Мікроорганізми, які ростуть у середовищах з високими концентраціями речовин, називають осмотолерантними. Це деякі види дріжджів, що розмножуються у варенні, меді. а також бактерії — в солоній рибі. Деякі мікроорганізми еосмофільними. Вони не тільки витримують середовище з підвищеною концентрацією речовин, а й віддають йому перевагу. Є група мікроорганізмів, які потребують для свого росту значної концентрації хлористого натрію. Це так звані галофіли. Наприклад. Halobacterium найкраще ростуть у середовищі з вмістом 20-30 % хлористого натрію. Галофіли існують у найбільш солоних морях та озерах (Мертве, Каспійське моря).
Гідростатичний тиск. На морських глибинах мікроорганізми витримують гідростатичний тиск, зумовлений масою стовпа
води. Він може досягати значних величин, збільшуючись з кожними 100 м глибини на 1 МПа. Найглибшими (до 11 км) є зони Тихого океану з гідростатичним тиском до 110 МПа. Мікроорганізми, які живуть на великих глибинах і пристосувались до високого гідростатичного тиску, називаються баротолерантними. Більшість же бактерій, ізольованих з ґрунтів, невеликих водних глибин, найкраще ростуть за атмосферного тиску і гинуть за гідростатичного тиску 20-60 МПа.
Промениста енергія. Енергія, що поширюється у просторі у вигляді електромагнітних хвиль, називається променистою. Різні спектри променистої енергії мають різну довжину хвилі, яка визначає характер електромагнітної хвилі. Електромагнітні хвилі — це радіохвилі, світлові промені (інфрачервоні. видимі та ультрафіолетові), іонізуюча радіація.
Найбільшу довжину (понад 1500 нм) мають радіохвилі. Інфрачервоні промені мають довжину до 760 нм. видимі — 760- 380, ультрафіолетові — 380-200 нм. Найбільш короткохвильовою є іонізуюча радіація.
Різні спектри променистої енергії по-різному діють на мікроорганізми. Радіохвилі не чинять біологічної дії. адсорбція організмом інфрачервоних променів спричиняє його нагрівання. Частина інфрачервоних променів з довжиною хвилі менше 1000 нм і видимо світло сприятливо діють на фототрофні мікроорганізми, оскільки вони с основним джерелом світла. Нефототрофи краще розвиваються в темноті. Навіть розсіяне світло затримує розвиток бактерій, а видиме світло значної інтенсивності може спричиняти пошкодження і навіть загибель клітин. Від згубної дії видимого світла мікроорганізми захищають пігменти.
Найбільш згубним для мікроорганізмів є ультрафіолетове опромінення, яке спричиняє або летальну або мутагенну дію, залежно від дози і природи мікроорганізму.
Іонізуюча радіація діє на мікроорганізми менш специфічно, ніж УФ опромінення, хоча також впливає на ДНК і спричиняє або бактерицидний, або мутагенний ефект. При γ-опроміненні великого спектра мікроорганізмів було показано, що LD, становить, кГр: для кишкової палички (та інших грамнегативних бактерій) — 0,03-0,04, для стафілококів — 0,17-0,19, грампозитнвних паличок — 0,4, дріжджів — 0,39-0,15. сарцин — до 0,5. LD — це доза опромінення, після якої виживає 10 % клітин. Сублетальна доза (виживання становить менше 1 %) для спор Bucillus subtilis становить 8-10 кГр. Серед бактерій е чутливі до іонізуючої радіації (Pseudomonas fluorescens), резистентні (Micrococcus, Streptococcus) та високорезистентні (високорадіостійкі бактерії).
Вперше радіостійкі бактерії (червонопігментовані коки Micrococcus radiodurans) були ізольовані у 1956 р. з консервованого м’яса, простерилізованого рентгенівськими променями. Пізніше такі бактеріі були виділені з природних місць з підвищеним радіаційним фоном, а також з попередньо опромінених зразків. Усі ці радіостійкі бактерії виявились схожими за своїми властивостями і були віднесені до роду Deinococcus. Це грампозитивні нерухомі аеробні коки з вмістом ГЦ в ДНК від 62 до 70 %, колонії рожевозабарвлені (містять каротиноїди) Сублетальна доза для них становить близько 15 кГр. У 1981 р. радіостійкі бактерії були відділені від роду Micrococcus, і Micrococcus radiodurans був перейменований у Deinococcus radiodurans. У 80-х роках XX ст. рід Deinococcus був узаконений, як і види D. radiodurans. D. radiophіlus. D. proteolyticus та ін.
Останнім часом підвищений інтерес до радіостійких бактерій зумовлений аварією на ЧАЕС. Мікробіологічний аналіз ґрунтів 10-кілометрової зони ЧАЕС, проведений у 1993-1996 рр.. показав, що кількісний та якісний склад бактерій у них бідніший. ніж в аналогічних контрольних ґрунтах. Типовими представниками радіаційно забруднених ґрунтів були рожевозабарвлені факультативні метилотрофи — представники роду Mcthylobacterium, а також спороутворювальні бактерії Bacillus subtilis та Bacillus сеrеus. Сублетальні доза для деяких бактерій роду Methylobacterium становило 9-10 кГр.
Цікавими є дослідження видового складу мікроміцетів внутрішніх приміщень об’єкта «Укриття» (4-й енергоблок ЧАЕС). Так, видовий склад грибів представлений 48 видами 24 родів. Понад 80 % таких грибів пігментовані (на частку меланінвмісних грибів припадає близько 40 %). У грибів, виділених з місць високого радіонуклідного забруднення, виявлена здатність засвоювати радіовуглець з реакторного графіту. Найінтенсивніше радіовуглець засвоює Cladosporium cladospoiroidеs. У багатьох мікроміцетів, виділених із зони ЧАЕС, виявлено явище позитивного радіотропізму.
Електрика. Короткочасне проходження постійного чи змінного струму через суспензію мікроорганізмів спричиняє лише слабку дію. Але тривале проходження струму високо напруги може спричинити електроліз деяких компонентів середовища і утворення при цьому сполук, які згубно діють на мікроорганізми. Крім того, проходження струму супроводжується виділенням тепла, яке також може впливати на мікроорганізми.
Мікроорганізми при суспендуванні у водних розчинах несуть на своїй поверхні електричний заряд. Тому при проходженні струму через таку суспензію частини з негативним зарядом спрямовуються до анода (позитивного електрода), а частини, заряджені позитивно, — до катода (негативного електрода). Такий рух частин в електричному полі отримав назву електрофореjy. Це явище покладено в основу багатьох аналітичних методів, що дає можливість здійснити виділення речовин із суміші. У мікробіології цей метод використовується для аналізу продуктів метаболізму мікроорганізмів.
Ультразвук. Оскільки бактерії мають відносно малу масу і жорстку ригідну оболонку, низькочастотні коливання (зона звукових коливань 100-10 000 Гц) діють на них слабко. Але якщо бактерії забурити в рідину, в якій поширюються високочастотні коливання (ультразвук — УЗ), бактерії руйнуються і гинуть. Існує думка, що руйнування клітин під дією ультразвуку зумовлено утворенням всередині клітини піни, яка складається з най дрібніших бульбашок газу, що міститься в розчиненому стані в протоплазмі чи в рідині на поверхні клітини.
Бактерицидний ефект УЗ зменшується, якщо пригнічується кавітація (розрив рідини). Це відбувається при дегазації, зануренні об'єкта в гель чи інше в’язке середовище. Бактерицидний ефект УЗ посилюється при насиченні суспензії, що озвучується, азотом, повітрям, киснем, оскільки це підсилює кавітацію.
Дія УЗ спричиняє не тільки механічне пошкодження клітин. При цьому спостерігаються біохімічні та функціональні зміни, які не приводять до загибелі організму (можуть вивільнятися біологічно активні речовини — вітаміни, ферменти та ін.). Тому УЗ використовують для одержання певних клітинних фракцій, для стерилізації субстратів, які пошкоджуються при тепловій обробці. До УЗ чутливі всі мікроорганізми, в тому числі й спорові, але за ступенем чутливості вони відрізняються.