Гидростатическое давление и механические сотрясения

Баротолерантные(греч.baros – тяжесть) микроорганизмы – это такие, которые живут на больших глубинах и приспособились к высокому гидростатическому давлению. Они выдерживают также и нормальное атмосферное давление. Есть сведения и о барофильныхмикроорганизмах, растущих только на больших глубинах. На морских глубинах микроорганизмы выдерживают гидростатическое давление, обусловленное массой воды. Оно может достигать значительных величин. Наиболее глубокими (до 11022 м) являются зоны Тихого океана с гидростатическим давлением более 1000 атм. Гидростатическое давление влияет на активность ферментов и биохимические свойства микроорганизмов.

Ослабленная ферментативная активность микроорганизмов в условиях высокого гидростатического давления совместно с низкой температурой является причиной того, что органический субстрат на дне океана разрушается значительно медленнее, чем на малых глубинах.

Сильные и частые сотрясения губительны для микроорганизмов, а редкие и слабые даже стимулируют их развитие. Наиболее стойкие к механическим воздействиям подвижные бактерии, обитающие в проточной воде.

Ультразвук

Ультразвук – это высокочастотные звуковые колебания (выше 20 кГц). Под воздействием ультразвуковых колебаний в среде наблюдается кавитационный эффект, т.е. по ходу распространения ультразвуковых волн происходит быстро сменяющиеся разряжения и сжатия частиц среды. При этом возникает огромная разность давлений, что приводит к разрыву среды и образованию мельчайших полостей, заполненных парами и газами. Это, в свою очередь, приводит к разрыву клеточных оболочек и разрушению клеток. Возникающие при этом процессе химически активные соединения и ионизация усугубляют бактерицидный эффект ультразвука. Таким образом, действие ультразвука не только механически повреждает клетку, но приводит к механическим и функциональным изменениям. Наиболее чувствительны к ультразвуку молодые и крупные клетки. Ультразвук используется для стерилизации субстратов, повреждающихся при тепловой обработке. К ультразвуку чувствительны все микроорганизмы, в том числе и спорообразующие, но степень чувствительности у них разная.

Электричество

Длительное пропускание тока высокого напряжения может привести к электролизу компонентов среды. Образовавшиеся при этом соединения способны оказывать вредное воздействие на микроорганизмы. Прохождение электрического тока сопровождается выделением тепла, что влияет на микроорганизмы. Токи высокой и сверхвысокой частоты (токи ВЧ и СВЧ) обеспечивают быстрый прогрев среды до высоких температур сразу во всех точках (объемно). Кроме того, обеспечивается селективность (избирательность) прогрева в зависимости от строения и диэлектрических свойств.

Лучистая энергия

Лучистая энергия распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн.

Радиоволны (длина волны более 1500 нм) не оказывают биологического действия.

Инфракрасные волны (1500…760 нм) вызывают нагревание при адсорбции их организмом.

Видимый свет (750…380 нм) и часть инфракрасных лучей (длина волны менее 1000 нм) действуют благоприятно только на фотосинтезирующие бактерии, являясь основным источником энергии. Такие микроорганизмы содержат бактериохлорофилл, к ним относятся пурпурные и зеленые бактерии. Все остальные бактерии лучше развиваются в темноте. Прямые солнечные лучи оказывают на них бактерицидное действие. Защитной реакцией микроорганизмов является образование пигмента.

Ультрафиолетовые лучи (380…200 нм) оказывают на микроорганизмы либо летальное, либо мутагенное действие. Наибольшим бактерицидным эффектом обладают УФ-лучи с длиной волны 260 нм. УФ-лучи поглощаются пуриновыми и пиримидиновыми основаниями нуклеиновых кислот. Под их воздействием в молекуле ДНК происходит димеризация тимина – образование химической связи между остатками двух молекул тимина (рисунок 2.1). Вследствие этого подавляется репликация ДНК и клетка теряет способность к делению. Проникающая способность УФ лучей незначительна. Довольно устойчивы а УФ лучам грибы.

1 2

Рисунок 2.1 – Димеризация тимина

1 – тимин; 2 – димер тимина

Многие микроорганизмы имеют специфические ферменты, которые могут исправлять ДНК, поврежденные УФ облучением. Эти ферменты активизируются видимым светом, поэтому процесс получил название фотореактивации.

Рентгеновские лучи в небольших дозах стимулируют развитие микроорганизмов, при больших дозах – вызывают их гибель. Быстрее всего гибнут вирусы, наиболее устойчивыми являются грибы.

Ионизирующая радиациятакже в основном действует на ДНК. Происходит ионизация клеточного вещества. образуются высокореактивные группы типа гидроксильных, которые взаимодействуя с белками вызывают интенсивный процесс окисления и разрушают внутриклеточные структуры. Гибельные дозы для микроорганизмов в сотни тысяч раз превосходят дозы для животных.

Химические факторы

Реакция среды

Для жизнедеятельности микроорганизмов большое влияние имеет реакция среды, которая определяется концентрацией водородных ионов, образующихся в водном растворе при электролитической диссоциации воды, количественным показателем которой является рН (отрицательный логарифм концентрации водородных ионов).

Каждый микроорганизм существует в определенных границах рН и имеет свой специфический оптимум реакции среды. У большинства микроорганизмов оптимум близок к нейтральному значению (нейтралофилы).

Ацидофильными (кислотолюбивыми) называются микроорганизмы, хорошо развивающиеся при низких значениях рН. К ним относятся микроскопические грибы, уксуснокислые и молочнокислые бактерии. Существуют факультативные ацидофилы (дрожжи, грибы) и облигатные, неспособные к росту в нейтральных средах.

Алкалифильными (щелочелюбивыми) называются микроорганизмы, хорошо развивающиеся при высоких значениях рН (например, холерные вибрионы).

Реакция среды оказывает влияние на образование и активность микробных ферментов. От реакции среды зависит устойчивость микроорганизмов к действию других факторов. В кислой среде усиливается отрицательное воздействие на микроорганизмы высоких температур (свертываемость белков при нагревании происходит легче). Отношение микроорганизмов к кислотности широко используется при консервировании продуктов, когда создаются неблагоприятные для жизнедеятельности гнилостных микроорганизмов условия.

Кислород

Микроорганизмы различаются по своей потребности в молекулярном кислороде.

Облигатные (строгие) аэробы для осуществления процессов метаболизма нуждаются в молекулярном кислороде.

Облигатные(строгие) анаэробы не используют молекулярный кислород. Он для них токсичен. При выращивании анаэробов в лабораторных условиях используют специальные приборы – анаэростаты, из которых удаляется кислород воздуха или заменяется другим газом.

Бескислородные условия можно создать также кипячением среды, химическими веществами, активно поглощающими кислород.

Факультативные анаэробы могут жить как при отсутствии, так и при наличии кислорода в среде. К факультативным анаэробам относятся большинство сапрофитных и патогенных микроорганизмов.

Микроаэрофилысоставляют группу микроорганизмов, живущих при низких концентрациях кислорода.

Окислительно-восстановительный потенциал. Степень аэробности или анаэробности может быть охарактеризована количественно при помощи окислительно-восстановительного потенциала rН₂. Шкала rН₂ от 0 до 41 характеризует любую степень аэробности. При rН₂ = 0 – насыщение среды водородом, rН₂ = 41 – насыщение кислородом.

Облигатные аэробы развиваются при rН₂ не ниже 10, однако и rН₂ выше 30 для них неблагоприятны. Облигатные аэробы защищаются от чрезмерного окисления выделением в среду сильных восстановителей. Облигатные анаэробы размножаются при rН₂ не выше 3…5, факультативные анаэробы–от 0 до 30.