4.2. Химические факторы

К химическим факторам, влияющим на жизнедеятельность микроорганизмов, относят химический состав питательной среды, реакцию среды, окислительно-восстановительный потенциал среды и действие ядовитых (антисептических) веществ.

Состав питательной среды является основным показателем развития микроорганизмов. Он определяет ее питательную ценность, реакцию (рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh).

Реакция питательной среды, или концентрация водородных ионов (рН), играет роль фактора, определяющего границы существования живой материи. рН среды воздействует на ионное состояние, а следовательно, и на доступность для организма многих метаболитов и неорганических ионов.

Ионы водорода влияют на электрический заряд коллоидов клеточной стенки. При сдвиге рН в кислую или щелочную сторону изменяется знак заряда поверхности клетки, что приводит к изменению проницаемости клеточной стенки для различных молекул и ионов питательного субстрата и нарушению нормального процесса обмена веществ.

Изменение рН также влияет на степень дисперсности коллоидов цитоплазмы, активность ферментов, интенсивность и направление биохимических реакций. Так, например, дрожжи, развиваясь в кислой среде, образуют в основном этиловый спирт, а в щелочной среде -глицерин.

Большинство организмов живет при рН от 4 до 9, причем их оптимальный рост наблюдается в среде, близкой к нейтральной. Однако, многие микроорганизмы обладают способностью развиваться или выживать при значениях рН, лежащих за пределами этого интервала (от рН1до11).

Ион водорода (Н⁺) представляет собой протон, лишенный электронов. В водных растворах он быстро гидратируется и образует ион гидроксония Н₃О⁺. В кислой среде преобладают ионы гидроксония, а в щелочной - гидроксильные ионы (ОН^‑).

Концентрация гидроксониевой или гидроксильной форм воды играет важную роль в регулировании водно-солевого обмена, ионного состояния питательных веществ, равновесия электрических зарядов на поверхности клетки и коллоидных свойств микроокружения.

При низких значениях рН ионы водорода адсорбируются на частицах вещества и замещают другие катионы. В связи с этим в кислых субстратах возрастает количество ионов Al³⁺, Mn²⁺, Сu²⁺, Мо³⁺ и может достигать таких уровней, которые токсичны для большинства микроорганизмов.

При высоких значениях рН, т.е. в щелочных субстратах, необходимые для микроорганизмов элементы, такие, как Fe²⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и Мn²⁺, осаждаются в виде карбонатов, гидроксидов или фосфатов.

Эти резкие изменения влияют на стабильность и проницаемость клеток, а также на их способность взаимодействовать с необходимыми для них метаболитами.

Микроорганизмы, существующие при экстремальных значениях рН, должны противостоять всем этим неблагоприятным воздействиям.

Изменения рН окружающей среды могут вызвать у многих микроорганизмов компенсаторные ферментативные сдвиги. Например, Escherichia coli реагирует на повышение кислотности среды синтезом декарбоксилаз аминокислот, под действием которых образуются амины, снижающие кислотность среды. Повышение щелочности стимулирует образование дезаминаз аминокислот, что приводит к снижению рН.

Следовательно, устойчивость клеток к высокой кислотности объясняется их структурными и метаболическими особенностями, поддерживающими внутриклеточную рН на уровне, близком к нормальным физиологическим величинам.

В зависимости от отношения клеток микробов к кислотности среды их подразделяют на нейтрофилы, ацидофилы (кислотолюбивые) и алкалофилы (щелочелюбивые). Микроорганизмы, обладающие способностью выживать при значениях рН, лежащих за пределами 4-9, рассматриваются как кислото- и щелочетолерантные.

Оптимальная рН для нейтрофильных микроорганизмов находится в пределах 7,0 (нейтральная зона). Типичными представителями нейтрофилов являются бактерии группы кишечных палочек, стрептококки, бациллы, сальмонеллы и большинство других патогенных бактерий.

Кислотолюбивые микробы, растущие при чрезвычайно низком значении рН (3 или менее), встречаются довольно редко. Еще меньше примеров щелочелюбивых организмов, требующих для своего роста рН 10 и выше.

К ацидофильным микроорганизмам относятся уксуснокислые, молочнокислые и другие бактерии, дрожжи, плесени. Представители уксуснокислых бактерий растут в пределах рН от 3 до 5, молочнокислые бактерии развиваются при рН от 3 до 8. Оптимум рН роста дрожжей находится в области 5,5-6. Однако они способны развиваться в более кислой среде - вплоть до рН 2 (Saccharomyces cerevisiae, S. elipsoides, дрожжи рода Rhodotorula).

К самым устойчивым к кислоте организмам относятся плесневые грибы. Многие из них характеризуются ацидотолерантностью и способностью к росту в широких пределах рН. Разные виды родов Aspergillus, Penicillium, Fusarium могут расти при значениях рН, близких к 2, тогда как их верхние границы роста близки к рН 10.

Среди бактерий, устойчивых к щелочной среде, выделяются некоторые виды клубеньковых бактерий рода Rhizobium, активно развивающихся при рН 10-12. Среди бацилл, чрезвычайно устойчивых к щелочной среде, отмечают штаммы Вас. cereus, Вас. circulans, способные к росту при рН 10-11. Энтерококки также толерантны к щелочной реакции среды. Получены штаммы Enterococcus faecalis, растущие в средах срН9-11.

Многие микроорганизмы, развиваясь в питательной среде, выделяя продукты обмена, сильно изменяют реакцию субстрата. Это является одним из факторов, обусловливающих антагонизм между различными группами микробов. Так, молочнокислые бактерии в процессе жизнедеятельности образуют молочную кислоту, которая подавляет развитие большинства гнилостных бактерий, что используется при хранении кисломолочных продуктов, сыров, при консервировании силоса, квашении капусты и других продуктов.

Окислительно-восстановительный потенциал. Транспорт водорода и электронов при биологическом окислении являются процессами эквивалентными. При этом дыхательная цепь может рассматриваться как цепь переноса электронов. Компоненты дыхательной цепи переходят попеременно из окислительного состояния в восстановленное и обратно, т. е. они обладают определенным окислительно-восстановительным потенциалом.

Окислительно-восстановительный потенциал служит количественной мерой способности тех или иных соединений или элементов отдавать электроны. Этот потенциал отсчитывается относительно потенциала молекулярного водорода.

Окислительно-восстановительные условия питательной среды выражаются величиной окислительно-восстановительно го потенциала, который принято обозначать Eh (гН₂).

Окислительно-восстановительный потенциал среды представляет собой взятый с обратным знаком логарифм числа, выражающего давление (в МПа) молекулярного водорода. При давлении Н₂ 0,1 МПа окислительно-восстановительный потенциал среды равен нулю. Величина Eh минимальна при насыщении среды водородом и максимальна при насыщении ее кислородом. Она колеблется соответственно от 0 до 42 единиц.

Присутствие в среде окисляющих веществ (метиленового синего, резазурина, кислот, перманганата калия и др.) повышает значение потенциала, наличие же соединений, обладающих восстановительными свойствами (цистеин, тимоловая кислота), снижает потенциал. Окислительно-восстановительный потенциал также резко уменьшается при отмирании культуры бактерий, лизисе ее бактериофагом, действии на нее лизоцимом. Изменяя окислительно-восстановительный потенциал среды, можно повлиять на интенсивность размножения различных групп микроорганизмов и направленность вызываемых ими биохимических процессов.

Так, облигатные анаэробы развиваются при низком значении Eh (от 0 до 14), факультативные анаэробы - при Eh от 0 до 30, аэробные микроорганизмы - Eh от 11 до 35.

Ароматобразующие молочнокислые бактерии при Eh, близком к 0, образуют молочную кислоту, а при Eh, равном 6-8, наряду с молочной кислотой образуют и ароматические вещества.

Так как окислительно-восстановительные процессы связаны с переносом электронов, то окислительно-восстановительный потенциал можно выразить в вольтах. Для его измерения составляют гальваническую цепь и величину потенциала определяют при помощи потенциометра.

Влияние антисептических веществ на микробную клетку может проявляться в виде бактериостатического или бактерицидного действия. При бактериостатическом воздействии химические вещества обусловливают прекращение размножения бактерий.

Бактерицидным действием называют способность различных химических или других факторов вызывать гибель бактерий. Временное прекращение или замедление размножения бактерий называется бактериостазом. Одни и те же химические препараты могут оказывать как бактериостатическое, так и бактерицидное действие, что зависит от концентрации вещества, экспозиции его воздействия, условий применения и т. п.

Из неорганических соединений сильными ядами для микробов являются соли тяжелых металлов (свинца, меди, цинка, серебра, золота, ртути), различные окислители (хлор, хлорная известь, хлорамин, йод, бром, перманганат калия, пероксид водорода, озон, диоксид углерода).

Среди органических соединений губительное воздействие на микроорганизмы оказывают органические кислоты - молочная, салициловая, масляная, уксусная, бензойная и др., диэтиловый эфир, спирты жирного и ароматического ряда - этиловый, бутиловый, амиловый, пропиловый и др., эфирные масла, смолы, дубильные вещества, органические красители, а также формалин, фенол, крезол и их производные.

В очень малых дозах почти все химические яды (кроме солей тяжелых металлов) сначала обладают бактериостатическим действием, а затем вызывают гибель микробных клеток (бактерицидное действие).

Ионы серебра и золота обладают олигодинамическим действием (от греч. oligos - малый и dynamic - действие, сила). В ничтожно малых концентрациях, не поддающихся химическому обнаружению, они губительно действуют на микробные клетки. На олигодинамическом действии ионов серебра основан метод дезинфекции воды с помощью фильтров из посеребренного песка. Посуда из серебра при контакте с водой сообщает ей бактерицидные свойства, этим объясняется длительное хранение «святой» воды.

Химические вещества, бактерицидно действующие на микроорганизмы в небольших концентрациях, называют антисептическими или дезинфицирующими.

Механизм бактерицидного действия антисептических веществ заключается в том, что в результате взаимодействия химического яда с веществами цитоплазмы в ней происходят необратимые изменения, нарушающие нормальное течение процессов жизнедеятельности и приводящие к гибели клетки.

Соли тяжелых металлов вызывают коагуляцию белков клетки. Олигодинамическое действие серебра и других тяжелых металлов заключается в том, что положительно заряженные ионы металлов адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактерий и изменяют проницаемость их цитоплазматической мембраны. При этом нарушаются процессы питания и размножения микроорганизмов.

Окислители действуют на сульфгидрильные группы активных белков, влияют на другие группы (феноловые, тиоэтиловые, индольные и аминные).

Неорганические кислоты и щелочи гидролизуют белки клетки. Диоксид углерода, сероводород, цианистые соединения инактивируют ферменты клетки.

Органические спирты, диэтиловый эфир, ацетон разрушают полипептидную оболочку клетки. Формалин (40%-ный раствор формальдегида) присоединяется к аминогруппам белков и вызывает их денатурацию.

Споры обладают большей устойчивостью к действию многих химических ядовитых веществ, чем вегетативные формы бактерий. Из неспорообразующих микробов ко многим химическим ядам менее чувствительны стафилококки и возбудитель туберкулеза.

Антисептические вещества в молочной промышленности используют в качестве дезинфицирующих и моющих средств. Чаще применяют хлорную известь, хлорамин, гипохлорит натрия, карбонат натрия, сульфанол, тринатрийфосфат и др.