Влияние физических и химических факторов среды на бактерии

Микроорганизмы встречаются в самых неподходящих, на наш взгляд, экологических нишах. Так, некоторые виды бактерий (Bacillus submarinus) способны жить в океанах на глубине более 5000 м, выдерживая гидростатическое давление свыше 3,1–10⁸ Па, экстремально термофильные бактерии Thermus aquaticus выделяются из воды и илов горячих источников, температура которых достигает 92° С, крайние галофильные бактерии обнаружены в воде Мертвого моря.

Определенные факторы среды могут различно влиять на микроорганизмы, действовать на них угнетающе либо вызывать гибель микробной популяции. Положительный или отрицательный эффект действующего фактора обусловлен как природой самого фактора, так и свойствами микроорганизма.

Влажность. Наличие влаги обусловливает уровень процессов метаболизма в клетке, поступление в нее веществ питательного субстрата, энергию роста и размножения бактерий.

Большинство бактерий при влажности среды свыше 20% развиваются нормально.

Высушивание бактерий приводит к обезвоживанию цитоплазмы клетки, почти полному прекращению процессов метаболизма и в конечном итоге к переходу микробной клетки в состояние анабиоза. Использование высушивания применяется при хранении пищевых продуктов.

Часто и в условиях глубокого иссушения бактерии сохраняют жизнеспособность. Так, микобактерии туберкулеза сохраняют жизнеспособность в высохшей мокроте больного более 10 месяцев, споры бацилл сибирской язвы в сухом состоянии выживают до 10 лет. Метод сублимаций (высушивания) в настоящее время широко применяется для длительного хранения живых вакцин против туберкулеза, чумы, оспы, гриппа, а также для содержания производственных и музейных культур микроорганизмов.

Температура. Жизнедеятельность прокариот непосредственно зависит от температурного диапазона. Он характеризуется тремя кардинальными точками: минимальная температура, ниже которой прекращается рост и развитие бактерий; оптимальная температура, соответствующая наивысшей скорости роста микроба, максимальная температура, выше которой скорость роста бактерий практически снижается до нуля. На основании температурного диапазона все прокариоты подразделяются на 3 группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы (от греч. psychros – холод, phileo – люблю) представлены бактериями, развивающимися при низких температурах от – 5 до 20–35⁰ С. Среди них выделяют подгруппу облигатных психрофилов, неспособных расти при температуре выше 20 °С. Это бактерии глубоких озер, северных морей и океанов. Вторую весьма обширную подгруппу составляют факультативные психрофилы – бактерии, приспособившиеся к действию переменных температур от – 5 °С до 20–35 °С, населяют зону умеренного климата.

Низкие температуры замедляют в клетке процессы метаболизма, на этом основано использование холодильников, погребов и ледников для хранения пищевых продуктов. Многие микроорганизмы в толще природных льдов способны пребывать в состоянии анабиоза «захороненными» до 12000 лет.

К мезофилам (от греч. mesos – средний) относится подавляющая масса прокариот, для которых температурный диапазон лежит в пределах 10–47° С, при оптимальных температурах 30–40° С. В эту группу входят многие патогенные бактерии, вызывающие заболевания теплокровных животных и человека.

Термофилы (от греч. thermos – тепло, жар) составляют разнообразную группу бактерий, растущих в температурном диапазоне от 10 до 55–60° С. Факультативные термофилы, одинаково успешно развиваются как при температуре 55–60° С, так и при 10–20° С, и облигатные термофилы, не способные к росту при температуре ниже 40° С. Экстремальные термофилы живут при температуре выше 70° С. Они выделены из горячих источников и отнесены к родам Thermomicrobium, Thermus, Thermothrix и др. Особую стойкость к высокой температуре проявляют споры бактерий, выдерживающие температуру кипения в течение двух-трех часов.

Лучистая энергия. Различные виды излучений по разному влияют на бактерии. Инфракрасное излучение (длины волн от 760 нм до 400 мкм) не способно вызвать какие-либо существенные фотохимические изменения в живых клетках. Рентгеновские лучи (длины волн менее 10 нм) ионизируют макромолекулы живых клеток. Возникающие фотохимические изменения вызывают развитие мутаций либо гибель клетки. Отдельные виды бактерий обладают поразительной устойчивостью к действию рентгеновских лучей. Это тионовые бактерии, обитающие в залежах урановых руд, а также бактерии Micrococcus radiodurans, выделяемые из воды атомных реакторов при дозе ионизирующего излучения в 2–3 млн. рад.

Видимый свет (длины волн от 380 до 760 нм) оказывает благоприятное влияние только на развитие фотосинтезирующих бактерий.

Сильным эффектом обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 253,7 нм. На бактерицидном действии ультрафиолетовых лучей на бактерии основано использование их для обеззараживания продуктов питания, питательных сред, посуды, а также дезинфекции палат, операционных, помещений родильных домов.

Ультразвук. Ультразвук – высокочастотные колебания звуковых волн (более 20000 Гц). Ультразвук оказывает мощное бактерицидное действие на прокариоты. Сила этого действия зависит от частоты колебаний, длительности воздействия, а также от физиологического состояния и индивидуальных особенностей микроорганизма. При длительном озвучивании микробной культуры наблюдается 100%-ный летальный эффект.

Действие ультразвука заключается в необратимых физико-химических изменениях компонентов микробной клетки и механических повреждениях всех клеточных структур. В настоящее время ультразвук применяют для стерилизации пищевых продуктов, лабораторного оборудования и вакцин.

Реакция среды. Реакция среды является одним из важных факторов, определяющих развитие бактерий, влияет на растворимость веществ питательного субстрата и поступление их в клетку. Изменение реакции среды нередко сопровождается повышением концентрации токсических соединений.

Прокариоты по отношению их к кислотности среды могут быть разделены на несколько групп. Подавляющее большинство их относятся к нейтрофилам, для которых оптимальна нейтральная среда. В этой группы многие бактерии способны проявлять кислотоустойчивость или щелочеустойчиость.

Среди прокариот имеются ацидофилы, развивающиеся в кислой среде со значением рН 2–3. К умеренным ацидофилам относятся бактерии, обитающие в воде кислых болот и озер, а также в кислых почвах при
рН 3–4. Крайними ацидофилами являются бактерии родов Thiobacillus и Sulfomonas, а также Thermoplasma acidophila.

Алкалофильные бактерии сушествуют в щелочной среде. К алкалофильным бактериям относятся представители рода Bacillus и холерный вибрион, размножение которого возрастает при значении рН выше 9.

На отрицательном влиянии повышенной кислотности среды на большинство микроорганизмов основано применение маринадов.

Кислород. Большинство прокариот для жизнедеятельности нуждаются в кислороде и носят название облигатных (строгих) аэробов.

Облигатные аэробы способны выдерживать концентрацию кислорода порядка 40–50%. Бактерии, для которых молекулярный кислород необходим в незначительных количествах – не более 2%, получили название микроаэрофилов.

Вторую группу прокариот составляют микроорганизмы, для жизнедеятельности которых молекулярный кислород не нужен. Такие микроорганизмы получили название облигатных анаэробов. К ним относятся маслянокислые, метанобразующие, сульфатвосстанавливающие и некоторые другие бактерии. В клетках облигатных анаэробов окисление веществ субстрата происходит без участиякислорода. К ним относятся представители родов Methanobacterium, Methanosarcina, Fusobacterium и др.

Многие виды маслянокислых бактерий проявляют устойчивость к молекулярному кислороду и носят название аэротолерантных. Примером аэротолерантов являются бактерии рода Clostridium. Особую аэротолерантность проявляют эндоспоры маслянокислых бактерий. Прокариоты, способные расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях и переключать свой энергетический метаболизм с одного способа получения энергии на другой, получили название факультативных аэробов или факультативных анаэробов. Примером факультативных анаэробов являются денитрифицирующие и десульфофицирующие бактерии, а также обширная группа энтеробактерий.

Антисептики. Химические соединения, оказывающие губительное действие на микроорганизмы, получили название антисептиков.

Действие антисептика на бактерии может быть бактериостатическим или бактерицидным. Бактериостатическое действие лишь прекращает рост и размножение микробных клеток; бактерицидное – вызывает гибель бактерий, что нередко сопровождается лизисом клеток. Получаемый эффект зависит от самой природы химических соединений, их концентрации, от продолжительности действия антисептика на микроорганизмы, а также от сопутствующих факторов среды – температуры, величины рН и т.д.

Антисептики представлены различными органическими и неорганическими соединениями. Из неорганических соединений сильными антисептиками являются соли тяжелых металлов – ртути (сулема), свинца, серебра, цинка и др. Соли ртути, серебра, мышьяка проявляют сильное ингибирующее действие на ферменты микробной клетки. Даже в незначительных концентрациях 1:1000 соли тяжелых металлов вызывают гибель большинства бактерий в течение нескольких минут.

Из органических соединений антисептическим действием обладают этиловый и изопропиловый спирты (70%-ные растворы), фенол, крезол и их производные, формальдегид. Особенно широкое применение находит фенол (карболовая кислота). Большинство микробов погибают от действия 1–5%-ного раствора карболовой кислоты. Сильным антисептиком является формальдегид.