Глава 4 влияние экологических факторов на микроорганизмы

Жизнедеятельность микроорганизмов неразрывно связана с условиями окружающей среды. Влияние внешних факторов на развитие микроорганизмов зависит от их биологических особенностей и особенностей воздействующего фактора, который может иметь как благоприятное, так и губительное действие. Факторы, влияющие на микроорганизмы, делят на три группы: физические, химические, биологические.

4.1. Физические факторы

Различают следующие физические факторы: температуру, высушивание, концентрацию растворенных веществ и осмотическое давление среды, лучистую энергию, ультразвук и др.

Температура. Несмотря на то, что микроорганизмы обладают по сравнению с высшими организмами значительно большей приспособляемостью к температурным условиям, они могут развиваться только при определенных температурах.

Различают три основные, или кардинальные, температурные границы, обусловливающие интенсивность развития микроорганизмов: минимальную, оптимальную и максимальную. Минимальная - самая низкая температура, при которой могут размножаться микроорганизмы; оптимальная - температура наиболее интенсивного развития микроорганизмов; максимальная - самая высокая температура, при которой еще возможно размножение микробов.

По отношению к температуре (приспособленности к жизни при определенных температурах) микроорганизмы условно подразделяют на три физиологические группы: психрофилы (холодолюбивые), мезофилы (развивающиеся при средних температурах) и термофилы (теплолюбивые).

Примерные границы температур для различных групп микроорганизмов представлены в таблица 1.

Таблица 1 ‑ Температуры для различных групп микроорганизмов, °С

Микроорганизмы	Минимальная	Оптимальная	Максимальная
Психрофилы Мезофилы Термофилы	-8-10 5-10 15-20	10-15 30-37 40-55	15-20 40-45 60-70

Вышеуказанные температурные границы приведены для размножения микроорганизмов. Для других процессов жизнедеятельности (спорообразования, образования токсинов, пигментов, продуктов обмена и др.) значения температур для тех же групп микробов могут быть другими.

Психрофилами называют микроорганизмы, область температур роста которых лежит в пределах от 0 (или ниже) до 20 °С, тогда как оптимальная температура роста составляет 15 °С. Психрофильные микроорганизмы являются обитателями холодных источников, глубоких озер и океанов. Они хорошо развиваются на продуктах, хранящихся в холодильниках при низких плюсовых температурах. Наиболее сильной устойчивостью к низким температурам обладают плесени. Некоторые из них (Cladosporium, Thamnidium, Rhizopus) могут развиваться при -9 °С и даже -12 °С. Гнилостные бактерии родов Achromobacter и Pseudomonas способны размножаться при -3 - (-5) °С. Среди психрофильных микроорганизмов различают группу психротрофных микробов.

Психротрофными считаются все микроорганизмы, способные размножаться при температуре 5 °С и ниже независимо от оптимальной температуры для их роста. Из-за практикуемого хранения сырого молока и молочных продуктов в охлажденном виде многие микроорганизмы адаптировались к низким температурам. Поэтому почти во всех важных для молочного производства группах микробов найдены психротрофные штаммы. Среди патогенных бактерий психротрофами являются листерии и иерсинии.

Способность психрофилов размножаться в условиях низких температур связывают с особенностями ферментов и липидов цитоплазматической мембраны. В липидах психрофилов содержится повышенное содержание ненасыщенных жирных кислот, вследствие чего цитоплазматическая мембрана постоянно находится в жидкокристаллическом состоянии даже при низких температурах.

Мезофилы живут при средних температурах, К ним относятся большинство распространенных в средних широтах бактерий, плесневых грибов и дрожжей. Мезофильными микроорганизмами являются многие молочнокислые бактерии, кишечные палочки, все патогенные и условно-патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитных микробов.

Термофилы развиваются при высоких температурах. Они в большом количестве встречаются в почве, в теплых минеральных источниках, сточных водах, навозе. Термофильные микроорганизмы имеются среди молочнокислых и гнилостных бактерий, актиномицетов и др. Термофилы подразделяются на три основные группы:

• строгие, или облигатные, термофилы, у которых оптимум роста лежит в пределах от 65 до 70 °С (не растут при температурах ниже 40 – 42 °С);

• факультативные термофилы, имеющие максимальную температуру роста между 50 и 65 °С и способные к размножению при комнатной температуре;

• термотолерантные бактерии, имеющие максимальную температуру роста 45-50 °С, растущие при комнатной температуре.

Способность термофильных микроорганизмов размножаться при высоких температурах объясняется тем, что мембранные и клеточные липиды термофилов имеют более высокие температуры плавления, чем липиды нетермофилов. При этом цитоплазматическая мембрана действует как изолятор, препятствующий переносу тепла из внешней среды и предотвращающий тепловую денатурацию клеточных ферментов.

Термофилия объясняется также способностью облигатных термофилов синтезировать макромолекулы белков с достаточной внутренней молекулярной стабильностью, позволяющей этим микроорганизмам выдерживать усиленный тепловой стресс. Для обеспечения стабильности¹ белков внутри клетки нет необходимости в необычных факторах, поскольку природные клеточные компоненты, такие, как ионы металлов, метаболиты и ионная сила, способствуют повышению термостабильности.

Влияние высоких температур. При температуре, превышающей оптимальную, наблюдается замедление размножения микроорганизмов, а при температуре выше максимальной их развитие полностью прекращается и микробные клетки погибают. Стойкость микроорганизмов к высоким температурам называют термоустойчивостью или терморезистентностью. Она неодинакова для различных групп микроорганизмов. Наибольшей термоустойчивостью обладают споры бацилл и клостридий. Они выдерживают кипячение от нескольких минут (Вас. subtilis) до 6 ч (О. botulinum) и более. Споры не обезвреживаются при режимах пастеризации молока (65-90 °С). Вегетативные формы и бесспоровые бактерии, являются термолабильными, они погибают при 65 °С в течение 5-30 мин. Среди неспорообразующих бактерий наиболее устойчивым является возбудитель туберкулеза, однако он уничтожается при режимах пастеризации молока.

Дрожжи и плесени нетермостойки. При нагревании во влажной среде вегетативные клетки дрожжей гибнут при 50-60 °С в течение 5 мин, а споровые формы за это же время отмирают при 70-80 °С. Споры плесеней уничтожаются при 80 °С в течение 30 мин, а вегетативные формы погибают за это же время при температуре 62 °С.

Термоустойчивость одних и тех же микроорганизмов не является постоянной, она зависит от многих факторов, особенно от возраста культуры, состава и свойств среды, в которой происходит нагревание. Наибольшей термоустойчивостью обладает культура микроорганизмов в конце логарифмической фазы развития. Наличие солей, белков и жиров в среде повышает термоустойчивость микроорганизмов. В связи с этим при тепловой обработке они дольше сохраняются в молоке, чем в воде, а в сливках более продолжительное время, чем в молоке. В связи с этим сливки пастеризуют при более высокой температуре, чем молоко.

Снижают термоустойчивость кислая реакция среды (снижение рН) и увеличение количества воды в субстрате. Высокая термоустойчивость спор бацилл объясняется незначительным содержанием в них свободной воды, поскольку температура денатурации белков, обусловливающих гибель клеток, повышается с понижением содержания в них воды. Отмирание микроорганизмов при высоких температурах обусловлено также инактивацией клеточных ферментов и другими необратимыми изменениями, происходящими в клетках. Губительное действие высоких температур на микроорганизмы используют в молочной промышленности, где применяют две разновидности тепловой обработки продуктов: пастеризацию и стерилизацию (см: гл. 14).

Низкие температуры. При температуре ниже оптимальной процессы жизнедеятельности микроорганизмов постепенно замедляются, а ниже минимальной - приостанавливаются, но жизнеспособность клеток сохраняется. Однако при длительном воздействии температуры ниже О °С микроорганизмы постепенно отмирают, что объясняется неблагоприятным воздействием на клетки повышенного осмотического давления в результате вымерзания воды в цитоплазме клетки. В связи с тем, что снижение температуры тормозит развитие микроорганизмов, охлаждение используют в качестве способа консервирования молока, молочных и других пищевых продуктов. Различают две формы холодильного хранения молочных продуктов: в охлажденном состоянии при температуре от 2 до 10 °С и в замороженном -виде при температуре от -15 до -25 °С и даже до -45 °С.

Высушивание. Питательные вещества поступают в бактериальную клетку в виде водных растворов, и в таком же виде продукты жизнедеятельности выделяются из клетки. Минимальная предельная влажность среды, при которой еще возможно развитие бактерий, 20-30 %, а плесеней - около 15 %. В связи с этим высушивание, приводящее к обезвоживанию, замедляет жизненные процессы в бактериальной клетке и процесс размножения приостанавливается. Устойчивость микроорганизмов к высушиванию различна и определяется их физико-химическими свойствами. Дизентерийные бактерии отмирают в течение 7 дней после высушивания, стафилококки и микобактерии туберкулеза погибают лишь к девяностому дню. Высушенные культуры молочнокислых бактерий сохраняют жизнеспособность в течение нескольких месяцев. Наиболее устойчивыми к высушиванию являются споры бацилл, которые сохраняют способность к прорастанию при хранении в высушенном состоянии в течение десятков лет.

При необходимости для сохранения микробных культур широко применяют метод лиофилизации (сублимации), т. е. процесс высушивания из замороженного состояния под вакуумом. Этим методом высушивают бактериальные концентраты, закваски, вакцины, антибиотики и другие биопрепараты. Сушка широко используется в качестве метода консервирования молока, молочных и других пищевых продуктов.

Концентрация растворенных веществ и осмотическое давление среды. Внутриклеточное осмотическое давление обусловлено концентрацией растворенных веществ в цитоплазме клетки. Оно у разных микроорганизмов колеблется в широких пределах. Этим объясняется тот факт, что различные микроорганизмы могут обитать в пресной воде и в соленых водах морей, отличающихся различным осмотическим давлением. Высокие концентрации осмотически активных веществ способствуют плазмолизу микробных клеток, в результате чего клетка отдает воду, сморщивается и лизируется, т. е. растворяется. Явление плазмолиза используют как один из методов консервирования пищевых продуктов.

В качестве осмотически деятельных веществ, применяемых для консервирования молочных и других пищевых продуктов, используют поваренную соль и сахар. При концентрации соли в субстрате 20-30 % размножение микроорганизмов почти полностью прекращается. Особенно чувствительны к соли молочнокислые и гнилостные бактерии, развитие которых прекращается при концентрации соли 10 %.

Известны микроорганизмы, которые развиваются в субстратах с высоким осмотическим давлением. Осмофильные микроорганизмы, развивающиеся при высоких концентрациях поваренной соли, называют галофилами (солелюбивыми). Различают экстремально галофильные бактерии и умеренные галофилы. Экстремально галофильные бактерии способны к росту в насыщенном растворе, содержащем концентрацию NaCl около 32 % (нижний предел - 12-15 %). К экстремально галофильным микроорганизмам относят бактерии родов Halobacterium и Halococcus. Среди умеренных галофилов встречаются дрожжи, плесени, стафилококки, микрококки, они растут при 3-10%-ном содержании NaCl.

Между экстремально галофильными бактериями и всеми остальными микроорганизмами существуют значительные генетические различия, поэтому попытки превращения экстремальных галофилов в умеренные и наоборот оказываются неудачными.

Клетки галофилов имеют высокую внутриклеточную концентрацию растворенных веществ, поэтому большая часть ферментов этих организмов активизируется высокими концентрациями солей.

Рибосомы галофилов содержат большое число кислых белков, и для поддержания их стабильности требуются высокие солевые концентрации. В связи с этим экстремальные галофилы нечувствительны к антибиотикам, действующим на рибосомы клеток.

Белки экстремальных галофилов (рибосомные, РНК-полимеразы, цитоплазматические белки и белки клеточной стенки) содержат значительно меньшие количества неполярных аминокислот, чем аналогичные белки мезофильных бактерий.

Снижение количества неполярных аминокислот способствует ослаблению гидрофобных (водоотталкивающих) взаимодействий, которые возможны лишь в присутствии очень высоких концентраций солей, т.е. высокие солевые потребности белков обусловлены наличием в их молекулах очень слабых гидрофобных взаимодействий.

Микроорганизмы, которые могут существовать при невысоком осмотическом давлении и в средах с повышенным содержанием соли или сахара, называют осмотолерантными (от лат. tolerantia — терпеливость). Среди них чаще встречаются плесени и другие микроорганизмы, которые более приспособлены к изменению концентрации растворенных веществ в среде. Консервирующее действие концентрированных растворов соли используется для посола сыров, масла, мясных, рыбных и других продуктов.

Надежное консервирующее действие сахара проявляется при содержании его в субстрате в концентрации не менее 60-70 %. Сахар используется при изготовлении таких продуктов, как варенье, джем, повидло, сгущенное молоко с сахаром, и др. При этом наибольшая часть микроорганизмов сохраняет свою жизнеспособность, но не развивается.

Лучистая энергия. Излучения в окружающей среде подразделяются на неионизирующие и ионизирующие. Оба вида опасны для микроорганизмов. К неионизирующим источникам относится солнечный свет. Ионизирующие излучения существуют в виде природных источников (космические лучи) и искусственной радиации.

Солнечный свет обладает наибольшим потенциалом вредного воздействия на микроорганизмы. Способностью использовать энергию видимого света обладают лишь пигментобразующие формы бактерий. Микроорганизмы, не имеющие пигмента, погибают под действием прямых солнечных лучей, а рассеянный свет постепенно подавляет их развитие.

Под влиянием солнечных лучей происходят внутриклеточные химические реакции с образованием гидроксильных радикалов и других высокореактивных веществ, действующих губительно на микробную клетку.

Наиболее выраженное летальное действие оказывают на микроорганизмы световые волны, лежащие в ультрафиолетовой области спектра (длина волны менее 400 нм).

Ультрафиолетовые лучи (УФ-лучи) обладают либо бактерицидным, либо мутагенным действием, что обусловлено изменениями в структуре ДНК, повреждением рибонуклеиновых кислот. Из всех микроорганизмов наиболее чувствительными к УФ-лучам являются вегетативные формы бактерий. Споры бацилл в 4-5 раз более устойчивы, чем вегетативные клетки. Очень чувствительны к УФ-лучам патогенные микроорганизмы.

В молочной промышленности применяют ртутно-кварцевые бактерицидные ультрафиолетовые лампы для дезинфекции воздуха микробиологических боксов, холодильных камер и производственных помещений. Их также используют для дезинфекции поверхности оборудования, аппаратуры, тары молочных продуктов, а также молока, которое при этом обогащается витамином D. УФ-лучи обладают слабой проникающей способностью, поэтому их действие проявляется только на поверхности облучаемых объектов.

Космические и рентгеновские лучи представлены ионизирующими излучениями с длиной волны от 0,006 до 10 нм. Они оказывают летальное или мутагенное действие на микроорганизмы. К действию таких лучей наиболее чувствительны ядерные структуры, в частности нуклеиновые кислоты, хотя повреждаются и цитоплазматические структуры клеток. К действию ионизирующих излучений наиболее чувствительны микроорганизмы в присутствии кислорода. Разрушающее действие ионизирующих излучений усиливают также повышенная температура и кислая реакция среды.

Искусственное ионизирующее излучение (α-частицы, β-частицы, γ-лучи) возникает в результате испытаний ядерного оружия, работы атомных электростанций, применения радиоактивных изотопов в научных целях.

Эффект бактерицидного действия радиоактивных излучений обусловливается ионизацией внутриклеточных веществ.

При прохождении ионизирующих излучений через клетку некоторые атомы в результате поглощения энергии испускают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Свободный электрон присоединяется к нейтральному атому, который превращается в отрицательно заряженный ион. Такое изменение электронной структуры атомов приводит к изменению химических связей и разрушению структур молекул.

Микроорганизмы значительно более устойчивы к излучениям, чем высшие животные и растительные организмы. Дрожжи и плесени более устойчивы, чем бактерии. Споры бацилл и клостридий выносливее их вегетативных форм. Искусственные ионизирующие излучения используют для стерилизации лечебных препаратов и пищевых продуктов. Однако следует иметь в виду, что при этом могут ухудшаться вкус и пищевые качества продуктов.

Ультразвук - высокочастотные (20 кГц и более) механические колебания упругой среды, не воспринимаемые ухом человека. Одно колебание в секунду составляет единицу измерения - герц (Гц). Килогерц (кГц) составляет 10³ Гц/с, мегагерц (МГц) - 10⁶ Гц/с.

Ультразвуковые волны с частотой колебания более 20 000 Гц обладают бактерицидными свойствами, так как имеют большую механическую энергию и могут вызывать в озвучиваемой среде ряд механических и электрохимических явлений.

Механизм бактерицидного действия ультразвука объясняется двумя теориями: кавитационной механической и кавитационной электрохимической.

Сущность первой заключается в том, что ультразвуковые волны, распространяясь в упругой среде, вызывают в ней сжатия и разрежения. В момент прохождения ультразвука через жидкость образуются субмикроскопические и микроскопические полости, которые, увеличиваясь в размерах, «втягивают» в себя молекулы газа и парообразную жидкость. В полостях создается огромное давление, достигающее десятков и сотен мегапаскалей, что обусловливает механическое разрушение (дезинтеграцию) цитоплазматических структур и гибель клетки.

Образование и разрыв полостей и изменения, происходящие при этом в среде, называют кавитацией.

Кавитационная электрохимическая теория объясняет ионизацию паров жидкости и присутствующих в ней газов при образовании кавитационного пузырька. При разрыве пузырька происходит электрический разряд, сопровождающийся резким повышением температуры и образованием в кавитационной полости электрического поля высокого напряжения. При этом пары жидкости и высокомолекулярные соединения в кавитационной полости расщепляются на водород и гидроксильную группу с образованием активного кислорода, пероксида водорода, азотистой и азотной кислот, в результате чего происходят инактивация ферментов и коагуляция белков, что обусловливает гибель микробной клетки.

Бактерицидное действие ультразвука зависит от интенсивности звука и кавитации, состава дисперсной среды, а также концентрации микробных клеток. При высокой интенсивности звука распад микробных клеток происходит чрезвычайно быстро. Наличие в составе среды липидов, углеводов и особенно белков, а также увеличение концентрации микробных клеток снижают бактерицидный эффект ультразвука.

Устойчивость микроорганизмов к действию ультразвука зависит от их биологических свойств. Вегетативные клетки бактерий более чувствительны, чем споры, кокковые формы погибают медленнее, чем палочковидные, более крупные клетки микроорганизмов отмирают быстрее, чем мелкие.

Ультразвук применяют для стерилизации пищевых продуктов, дезинфекции предметов, изготовления вакцин, а также при извлечении внутриклеточных ферментов, токсинов, витаминов, нуклеиновых кислот и других компонентов клетки.