Тема № 4. Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы. Физические факторы, химические факторы, биологические факторы

Тема № 3. Физиология микроорганизмов. Химический состав микроорганизмов. Питание микробной клетки. Гетеротрофный и автотрофный типы питания. Конструктивный и энергетический обмен. Рост и размножение микроорганизмов.

Физиология микроорганизмов. Изучает процессы их роста, развития, питания, способы получения энергии для осуществления этих процессов, их взаимодействия с окружающей средой. Знание физиологических процессов микроорганизмов создает научную основу для проведения культивирования (выращивания) и идентификации (распознавания) видов микробов, а также получения биологических и лечебных препаратов (заквасок, витаминов, ферментов, аминокислот, антибиотиков, вакцин и др.).

Понятие об обмене веществ. Основу жизнедеятельности микроорганизмов, как и всех живых существ, составляет обмен веществ (метаболизм) с окружающей средой. Термин метаболизм объединяет два взаимосвязанных, но противоположных процесса- анаболизм и катаболизм.

Анаболизм (питание; ассимиляция; конструктивный или строительный обмен; обмен веществ) сводится к усвоению, т.е. использованию микробами питательных веществ, поступивших из внешней среды, для биосинтеза компонентов собственного тела. Это достигается чаще восстановительными эндотермическими реакциями, для течения которых требуется энергия.

Катаболизм (дыхание, диссимиляция, биологическое окисление) характеризуется расщеплением (окислением) сложных органических веществ до более простых продуктов с освобождением заключенных в них энергии. Эта энергия используется микроорганизмами для синтеза веществ данной клетки.

Метаболизм у микроорганизмов характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ. Например, при благоприятных условиях в течение суток одна клетки бактерий усваивает веществ в 30-40 раз больше величины своей массы, соответственно высока и скорость прироста биомассы микроорганизмов. Основная часть пищи расходуется микроорганизмами в энергетическом обмене, при котором в среду выделяется большое количество продуктов обмена: кислот, спиртов, диоксид углерода, водород и др. Эта особенность микроорганизмов широко используется в практике переработки растительного, животного пищевого и непищевого сырья и обуславливает порчу пищевого сырья.

Химический состав микроорганизмов. Состав веществ тела микроорганизмов мало отличается от состава тела растений и животных.

Для определения потребностей микроорганизмов в питательных веществах необходимо знать их химический состав. Элементарный состав клеток микроорганизмов довольно разнообразен и представлен в процентах от сухого вещества клетки: углерод-50, кислород-20, азот-14, водород-8, фосфор-3, сера, калий, натрий- по 1, кальций, магний, хлор- по 0,5, железо-0,2, все остальные по 0,3. Эти элементы играют различную физиологическую роль. Так углерод, кислород, азот и водород входят в состав всех без искючения живых организмов, их называют органогенами. Эти элементы составляют основу органических веществ; водород и кислород входят в состав воды; кислород необходим для дыхания аэробным микроорганизмам. Важную физиологическую функцию выполняют также фосфор и сера. Фосфор входит в состав важных органических соединений клетки фосфолипидов, АТФ и др. Сера необходима для серосодержащих аминокислот (цистина, цистеина, гомоцистеина, метионина), без которых невозможен синтез белков.

Микробная клетка состоит из воды и сухих веществ. Количество воды для большинства микробов колеблется от 75 до 85% и находится в клетке в свободном и связанном состояниях, что имеет важное значение в жизни микроорганизмов. Так как все вещества поступают в клетку только с водой и с ней же удаляются продукты обмена из клетки. Свободная вода служит дисперсной средой для коллоидов и растворителем различных органических и минеральных соединений. Связанная вода является структурным элементом цитоплазмы и не может быть растворителем. Содержание воды в клетке изменяется в зависимости от условий внешней среды, физиологического состояния клетки, ее возраста и т.п. В спорах бактерий и грибов значительно меньше воды, чем в вегетативных клетках, за счет низкого содержания в них свободной воды. Потеря свободной воды влечет за собой высыхание клетки и изменения в обмене веществ. С потерей связанной воды нарушаются клеточные структуры и наступает гибель клетки.

Сухое вещество клеток микроорганизмов не превышает 15-25% и состоит преимущественно (до85-95%) из органических соединений- белков, углеводов, нуклеиновых кислот, липидов и других соединений.

Белковые вещества являются основными компонентами клетки. Содержание их зависит от вида микроорганизмов, условий выращивания и возраста и составляет в среднем от 40 до 60%. По аминокислотному составу белки микроорганизмов сходны с белками других организмов. Некоторые белки (ферменты) выполняют каталитические функции: осуществляют различные биохимические реакции, постоянно протекающие в микробной клетке).

Многие микроорганизмы могут накапливать большое количество белков в составе своих клеток и их можно рассматривать в качестве продуцентов пищевого и кормового белка. Рентабельность промышленного производства таких «белковых продуктов» определяется быстротой накопления биомассы микроорганизмов и использованием для их выращивания дешевого недефицитного сырья (отходов различных производств).

Углеводы составляют 15-20% сухого вещества и содержатся в микробных клетках в основном в виде полисахаридов. Углеводы входят в состав капсул. Клеточных мембран и цитоплазмы, а также являются запасными веществами в виде включений гранулезы и гликогена.

Нуклеиновые кислоты содержатся в клетках в виде рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. ДНК сосредоточена главным образом в ядре эукариотных клеток и в нуклеодах прокариотных (бактериальных клеток). В молекуле ДНК закодирована вся наследственная информация клетки, «записаны» все особенности будущего организма, выработанные в процессе длительной эволюции и свойственные данному виду. РНК преимущественно сосредоточена в цитоплазме и рибосомах.

Липиды составляют 3-10% сухого вещества, входят в состав клеточных оболочек и надежно защищают клетку от воздействий окружающей среды, а также откладываются в виде запасных гранул. Часть липидов связаны с другими веществами клетки, образуя сложные комплексы (эфиры сложных кислот и углеводов, воска и фосфолипиды). Пигменты и красящие вещества, обуславливают окраску микроорганизмов. Фотосинтезирующие бактерии содержат особые пигменты типа хлорофилла растений- бактериохлорофилл. Фототрофные бактерии и некоторые дрожжи образуют пигменты- каротиноиды, которые участвуют как и бактериохлорофилл в ассимиляции углекислого газа. У некоторых грибов(мицеллиальных и дрожжевых)в значительных количествах образуется желто-розовые и оранжевые каротиноиды, которые являются провитаминами витамина А.

Минеральные вещества составляют 5-15% сухого вещества клетки и представлены сульфатами, фосфатами, карбонатами, хлоридами. Фосфаты могут быть в свободном виде и входить в состав различных соединений (нуклеиновых кислот, АДФ, АТФ). Минеральные соединения играют важную роль в регулировании внутриклеточного давления и коллоидного состояния цитоплазмы. Они влияют на скорость и направление биохимических реакций, являются стимуляторами роста, активаторами ферментов.

Питание микробной клетки. Анаболизммикроорганизмов. Питание-это процесс усвоения микробной клеткой питательных веществ, поступающих из окружающей среды, в результате которго они превращаются в составные части биологических структур клетки или откладываются в ней в виде запасов.

Большинство микроорганизмов, также как и растения, обладают голофитным способом питания, или внеклеточным (внешним) пищеварением, которое происходит в окружающей среде(субстрате) под действием экзоферментов микроорганизмов.

Существует также голозойный способ питания (внутриклеточное пищеварения), которое происходит под действием эндоферментов. Оно присуще простейшим и некоторым низкоорганизованным организмам и характеризуется заглатыванием(обволакиванием) плотных частиц пищи, перевариванием и превращением их в растворимые соединения(эндоцитоз).

Возможность проникновения веществ извне в клетку обусловлено многими факторами: величиной и структурой их молекул; способностью растворяться в компонентах цитоплазматической мембраны; концентрацией веществ в клетке и в среде. Имеют значение также и свойства клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, являющихся барьерами, через которые должны проникнуть в клетку питательные вещества; имеет значение электрический заряд поверхности клетки и др.

Вещества питательной среды могут поступать в клетку в растворенном состоянии. Нерастворимые сложные органические соединения должны подвергнуться расщеплению на более простые вне клетки, что происходит с помощью экзоферментов микроорганизмов.

Клеточная стенка проницаема и задерживает лишь макромолекулы. Цитоплазматическая мембрана обладает полупроницаемостью и служит осмотическим барьером. Так как проницаемость ее для различных веществ неодинакова. Известно несколько путей проникновения питательных веществ в клетку.

Пассивная диффузия подчиняется законам осмоса. При осмотическом проникновении веществ через полупроницаемую мембрану движущей силой является разность осмотических давлений (концентраций веществ) в растворах по обе стороны мембраны, т.е. между средой и клеткой. При этом концентрация растворенных солей внутри клетки несколько выше (по сравнению с субстратом), а так как вода по закону осмоса стремится в сторону противоположной концентрации, то она поступает в клетку увлекая с собой питательные вещества. Такой пассивный перенос веществ (по градиенту концентрации) протекает до выравнивания концентраций и не требует затраты энергии. При этом внутреннее напряжение клетки (так называемый тургор) является одним из основных условий обеспечивающих нормальное поступления в нее питательных веществ. Для большинства микроорганизмов тургор наиболее выражен при 0,85%-ной концентрации солей в окружающей среде. Эта концентрация называется изотонической.

При гипертонической концентрации, т.е. при повышении ее до 2-3% наступает плазмолиз (обезвоживание)- сжатие, сморщивание цитоплазмы и отслаивание ее от клеточной стенки. При помещении микроорганизмов в гипотонический раствор (например, дистиллированная вода) – вода прямым потоком поступает внутрь клетки. Объем клетки при этом увеличивается, происходит набухание и разрушение оболочки клеток. Это явление получило название плазмоптиза.

Облегченная диффузия. Скорость транспорта веществ в клетку в условиях повышения концентрации субстрата возрастает до определенного предела. При облегченной диффузии кроме градиента концентрации функционируют электрические переносчики, находящиеся в мембране: субстрат соединяется с протоном и белком переносчиком и по электрическому градиенту диффундирует в клетку. Переносчики являются специфичными по отношению к субстрату. Так дрожжевые клетки поглощают сахара путем облегченной диффузии, а у анаэробов этим способом происходит поглощение некоторых соединений и выделение продуктов обмена.

Активный транспорт. Поступление питательных веществ осуществляется против градиента концентраций с затратами энергии со стороны клетки и при участии специфических белков-переносчиков (пермеаз), локализованных в цитоплазматической мембране. Пермеазы сходны с ферментами и обладают субстратной специфичностью- каждая транспортирует определенное вещество. На внешней стороне цитоплазматической мембране пермеаза адсорбирует вещество, вступает с ним во временную связь и диффундирует комплексно через мембрану, отдавая на внутренней стороне ее в цитоплазму. Выход растворенных веществ осуществляется как при участии пермеаз- путем облегченной диффузии, так видимо и путем пассивной диффузии.

Конструктивный обмен. Пища должна содержать такие вещества, которые удовлетворяли бы потребность микроорганизмов в химических элементах и энергии, необходимых для синтеза веществ и структур клетки. В зависимости от того, какие химические элементы поступают из веществ питательной среды их называют источниками углерода, азота, фосфора и др.

Кислород и водород микроорганизмы получают из воды, содержатся они также во многих используемых органических соединениях.

Потребности микроорганизмов в отношении источников углерода и азота весьма разнообразны.

Источники углерода. В зависимости от используемого в конструктивном обмене источника углерода микроорганизмы делят на две группы: автотрофы (питающийся самостоятельно) и гетеротрофы (питающийся другими).

Автотрофы усваивают углерод из диоксида углерода воздуха и в зависимости от вида используемой энергии для фиксации СО₂ их соответственно называют фото- и хемосинтезирующими.

Фотосинтезирующие используют энергию солнечных лучей. Они напоминают зеленые растения, образующие в процессе фотосинтеза углеводы из СО₂ и Н₂О. К этой группе относят цветные бактерии, имеющие в цитоплазме своих клеток пигменты типа хлорофилла. Как, например, пурпурные серные бактерии, сине-зеленые водоросли и др.

Хемоситезирующие используют энергию химических реакций окисления минеральных (неорганических) веществ. К ним относят нитрифицирующие бактерии, бесцветные серобактерии, железобактерии, нитчатые, тионовые, водородные бактерии и др.

Гетеротрофы наиболее многочисленная группа микроорганизмов, которые могут использовать углерод только из готовых органических субстратов животного и растительного происхождения. Микроорганизмы называют сапрофитами (метатрофами), если они используют мертвый органический субстрат. Они разлагают различные органические вещества в природе, вызывают порчу пищевых продуктов или используются в процессах переработки растительного и животного сырья. Многие сапрофиты всеядны, т.е. способны использовать разнообразные органические соединения. Существуют и такие, которые нуждаются в определенных соединениях (например- микробы использующие метан, парафины и др.) Сапрофиты наряду с органическими соединениями используют в небольших количествах и СО₂, который служит дополнительным источником углерода для биосинтеза веществ клетки. Вторая подгруппа гетеротрофов - паразиты (паротрофы) питаются живыми органическими субстратами. Сюда относятся преимущественно болезнетворные микроорганизмы, т.е. паразитирующие в живых организмах. Абсолютными (внутриклеточными) паразитами являются вирусы и риккетсии, которые развиваются в живых клетках человека, животных, растений и микроорганизмов.

В отличие от вирусов и риккетсий многие патогенные микроорганизмы- паразиты могут размножатся на искусственных питательных средах, т.е. по типу питания занимают промежуточное положение между паразитами и сапрофитами (патогенные стафилококки, стрептококки, возбудители бруцеллеза, туберкулеза, сибирской язвы и др. инфекционных болезней).

Источники азота. В зависимости от источника азота все микроорганизмы можно разделить также на две группы: аминоавтотрофы и аминогетеротрофы.

Аминоавтотрофы усваивают азот из неорганических источников. Они представлены двумя подгруппами: азотфиксирующие и нитритно-нитратные микроорганизмы. Азотфиксирующая подгруппа способна усваивать молекулярный азот воздуха (актиномицеты, азотфиксирующие- свободноживущие и симбиотические). Нитритно - нитратные микроорганизмы окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислот и усваивают эти окисленные формы азота.

Аминогетеротрофы используют органические источники азота. К ним относятся дезаминирующие, пептонные, протеолитические и паротрофные микроорганизмы. Дезаминирующие микроорганизмы могут усваивать только аминокислоты (некоторые патогенные бактерии). Пептонные бактерии потребляют только органические соединения типа пептонов, так как не способны расщеплять цельную белковую молекулу (молочнокислые, пропионовокислые бактерии, энтерококки, микрококки и кишечные палочки). Протеолитические микроорганизмы или гнилостные в качестве источника азота используют натуральные белки, которые предварительно разлагаются их экзоферментами (гнилостные бактерии, актиномицеты, плесени). Паротрофные микроорганизмы в качестве источника азота используют белковые вещества живого организма (патогенные).

Установить резкую грань между автотрофами и гетеротрофами не всегда удается. Некоторые патогенные микроорганизмы во внешней среде ведут сапрофитный образ жизни, и наоборот, некоторые сапрофиты в зависимости от состояния микроорганизма могут вызвать заболевания.

Минеральные элементы. Микробная клетка нуждается в минеральных веществах. Потребность в них невелика, но без некоторых элементов невозможны рост и развитие микрооргнизмов. Калий активизирует ферментативные процессы, ускоряет течение физиологических процессов. Магний входит в состав хлорофилла у зеленых и пурпурных серобактерий, активизирует карбоксилазу. Пептидазу и другие ферменты. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, принимает активное участие в процессах дыхания (окисления). Сера –один из компонентов белков, входит в состав некоторых аминокислот. Железо необходимо в малых количествах входит в состав дыхательных ферментов, ускоряет процессы окисления. Микроэлементы нужны микробной клетке еще в меньших количествах. Но их недостаток ведет к нарушению нормального роста и развития. Молибден. бор, марганец, кобальт, медь и др. микроэлементы являются компонентами многих ферментов и витаминов. Для получения этих химических элементов в питательные среды для микроорганизмов вводят минеральные соединения.

Факторы роста. Активаторы биологических процессов, по своему действию являются витаминами и витаминоподобными соединениями. Одни микроорганизмы должны получать витамины в готовом виде, а другие синтезируют витамины в количествах значительно превышающих собственные потребности. На этом основан микробиологический путь получения рибофлавина (витамин В₂), каротиноидов (провитамин А), эргостерина (провитамин Д).

Культивирование микробов в условиях лабораторий осуществляется на искусственных питательных средах. Для гетеротрофов среды должны содержать экстракты из продуктов животного и растительного происхождения с добавлением пептона. Пептон универсальный источник азота, являющийся продуктом неполного расщепления белков посредством фермента пепсина в кислой среде. В отличие от животных многие микробы могут использовать самые различные субстраты в качестве продуктов питания. Они растут на бумаге, дереве, коже, резине и т.д. Одни из них для своей жизнедеятельности используют парафиновые углеводороды, нефть, керосин; а другие- элективные (избирательные, селективные) среды, имеющие определенный состав.

Энергетический обмен. Описанные выше процессы конструктивного процесса – синтез веществ клетки из поступивших в нее извне питательных веществ, активный перенос этих веществ через цитоплазматическую мембрану и многие другие процессы жизнедеятельности - протекают с затратой энергии. Источники энергии у микроорганизмов разнообразны.

У фотоавтотрофов источником энергии служит видимый свет. Световая энергия улавливается фотоактивными пигментами клетки в процессе фотосинтеза, трансформируется в химическую энергию и обеспечивает энергетические потребности клетки.

Источником энергии у хемоавтотрофов служит химическая энергия, получаемая при окислении неорганических соединений (аммиак, сероводород и др.).

Хемогетеротрофы получают энергию в процессе окисления органических соединений. Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы хемогетеротрофами. Но одни способны окислять многие органические вещества, а другие - лишь небольшой набор их. Некоторые микроорганизмы могут проявлять большую специфичность к энергетическому материалу.

Поскольку все микроорганизмы: возбудители порчи пищевых продуктов и используемые при переработке пищевого сырья относятся к хемогетеротрофам ниже рассматриваются именно их энергодающие процессы. К ним относят дыхание (1) и брожение(2). Суммарные уравнения выглядят следующим образом:

1.С₆Н₁₂О₆ +6 О₂=6СО₂+6Н₂О+674 ккал,

2.С₆Н₁₂О₆ → 2СН₃СН₂ОН+2СО₂+27 ккал.

Дыхание (биологическое окисление)- сложный процесс окисления различных органических соединений и некоторых минеральных соединений (нитратов и сульфатов). Нитратное дыхание - восстановление нитратов до молекулярного азота происходят по схеме (3). Сульфатное дыхание-восстановление сульфатов до сероводорода, сопровождающееся выделением такого же количества энергии–по схеме (4):

3.5С6Н12О6+24КNО3→24КНСО3+18Н2О+12N2+6СО2+270 ккал.

4. С6Н12O6+3К2S О4 →3К2СО3+3СО2+3Н2О+3Н2S+270 ккал.

В итоге окислительно-восстановительных процессов и брожения образуется тепловая энергия, часть которой используется микробной клеткой, а остальное количество выделяется в окружающую среду. В настоящее время окисление определяют как процесс отнятия водорода (дегидрирование), а восстановление его присоединение. Эти термины применяют к реакциям связанным с переносом протонов и электронов, или только электронов. При окислении вещества происходит потеря электронов, а при восстановлении –их присоединение.

Различают два типа биологического окисления: прямое и непрямое. При прямом окислении органические вещества, такие как молекулярный водород, оксид углерода, метан, сера, аммиак, соли азотистой кислоты, железо и др. окисляются атмосферным кислородом с помощью ферментов оксидаз. При прямом окислении неорганических веществ получают энергию автотрофные почвенные бактерии.

При непрямом окислении происходит отщепление водорода от донора и его присоединение к акцептору. Поэтому непрямое окисление называют дегидрированием. Непрямому окислению путем дегидрирования подвергаются органические вещества при помощи дегидрогеназ. Различают аэробное и анаэробное дегидрирование. При аэробном дегидрировании микроорганизмы используют в качестве конечного акцептора водорода атмосферный кислород. Водород отщепляется от донора с помощью фермента дегидрогеназы и передается акцептору не сразу, а проходит ряд промежуточных этапов.

При аэробном дегидрировании происходит полное и неполное окисление. В случае полного окисления конечными продуктами являются вода и диоксид углерода, происходит высвобождение всей энергии. При неполном окислении освобождается лишь часть энергии. Конечными продуктами неполного аэробного окисления сахара могут быть органические кислоты: лимонная, яблочная. Щавелевая, янтарная и др., которые образуются плесневыми грибами. Также осуществляется аэробное дыхание уксуснокислыми бактериями (5):

5. СН₃СН₂ОН+О₂→СН₃СООН+Н₂О+80 ккал

При анаэробном дегидрировании микробы используют в качестве акцептора водорода не кислород, а азот, серу, углерод и другие соединения, которые образуются при распаде субстрата (пировиноградной кислоты). При этом водород довольно легко соединяется с азотом, серой, углеродом, которые восстанавливаются до аммиака, сероводорода и метана.

Дегидрирование углеводов называют брожением, оно чаще проходит в анаэробных условиях. Конечными продуктами брожения являются органические кислоты, этиловый и бутиловый спирты, ацетон и другие продукты. Таким образом, прямое окисление и дегидрирование приводят к одному результату- окислению субстрата, т.е. отщеплению от субстрата водорода и присоединение его к акцептору (восстановление). Перенос электрона всегда сопровождается освобождением энергии, которая немедленно утилизируется клеткой с помощью особых соединений АТФ и АДФ (аденозинтрифосфата и аденозиндифосфата). В них она накапливается в органических фосфатных (макроэргических) связях и расходуется клеткой по мере необходимости.

По типу дыхания микроорганизмы разделяют на четыре основные группы: облигатные аэробы, облигатные и факультативные- анаэробы и микроаэрофиллы.

Облигатные (строгие) аэробы растут при свободном доступе кислорода воздуха, имеют ферменты, обеспечивающие передачу водорода от донора (электронов субстрата) конечному акцептору кислороду воздуха. Размножаются при наличии в атмосфере до21% кислорода, на питательных средах растут на верхних слоях (уксуснокислые бактерии, возбудитель туберкулеза, пигментные гнилостные бактерии, многие плесени и др. микроорганизмы.

Облигатные анаэробы способны к размножению только в атмосфере, свободной от кислорода, или при его содержании не более 5%. У этих микроорганизмов конечным акцептором водорода является субстрат (азотсодержащие вещества, углеводы и др.). Эти микробы растут на дне пробирке под значительным слоем питательной среды. В эту группу входят маслянокислые и прпионовокислые бактерии, гнилостные клостридии, возбудитель ботулизма бифидобактерии и др. Для некоторых строгих анаэробов кислород является ядом.

Факультативные анаэробы развиваются как при доступе кислорода, так и в его отсутствтвии. Они имеют набор ферментов, обеспечивающих аэробный и анаэробный тип биологического окисления(дыхания). Развиваются по всей толщине питательной среды. Эта многочиленная группа микроорганизмов. К которым относятся молочнокислые бактерии, стафилококки, бактерии группы кишечной палочки, гнилостные бактерии рода Протеус.

Микроаэрофиллы нуждаются в значительно аэробы. Они развиваются при концентрации кислорода в окружающей среде не более 10%, т.е. у них преобладает аэробный тип дыхания (актиномицеты, лептоспиры, возбудители бруцеллеза, некоторые плесневые грибы.

Классификация по типам питания. При классификации по типам питания на первое место ставится вид используемой энергии в соответствии с этим микроорганизмы делят на фототрофы и хемотрофы. Каждую из этих групп в зависимости от окисляемого вещества в свою очередь делят на литотрофы(лито-минерал, камень) и органотротрофы:

1.Фототрофы 2. Хемотрофы

1.1. Фотолитотрофы 2.1. Хемолитотрофы

1.2. Фотоорганотрофы 2.2. Хеморганотрофы.

Рост и размножение микроорганизмов. Сложные процессы метаболизма, происходящие в клетке, отражаются такими явлениями как рост и размножение микроорганизмов. «Рост» означает увеличение массы клеток в результате си6нтеза клеточного материала. Интенсивность роста микроорганизмов можно определить делением их массы на численность особей в единице объема в отдельные промежутки времени. Рост индивидуальной клетки заканчивается размножением.

Под размножением микробов подразумевают способность их к самовоспроизведению, т.е. увеличению количества особей микробной популяции на единицу объема. Микроорганизмы характеризуются высокими темпами размножения: у бактерий -20 мин.; у дрожжей-30 -90 мин.; у мицеллиальных грибов- 5-6 часов. Однако в действительности такого быстрого размножения микробов не происходит, т. к. продолжительность периода размножения зависит от вида микроорганизма, возраста, характера среды, условий культивирования (температура, рН, накопившиеся метаболиты и др.) и т.п.

Размножение микроорганизмов в ограниченном объеме жидкой питательной среды (в пробирке, колбе) происходит в определенной закономерности и представлено на рис. …..

Эта кривая косвенно характеризует также и отмирание клеток параллельно идущее с размножением клеток. На кривой размножения различают четыре основные последовательные фазы роста культуры:

-начальная фаза-лаг-фаза (фаза задержки роста);

-логарифмическая фаза- лог-фаза;

-стационарная фаза;

- фаза отмирания.

Лаг-фаза- период задержки роста микроорганизмов, в течение которого внесенные в питательную среду микробы адаптируются к питательной среде и начинают размножаться с нарастающей скоростью. Продолжительность лаг-фазы составляет 1-4 часа и зависит от видовых особенностей микроорганизмов, количества засеваемого материала, питательных веществ и др. В этой фазе размеры клеток в три-пять раз больше обычных, имеют большую биохимическую и энергетическую активность и отличаются повышенной чувствительностью к различным бактерицидным факторам.

Логарифмическая фаза характеризуется быстрым и постоянным размножением микробов. Количество клеток увеличивается в геометрической прогрессии. В этот период морфологические свойства типичны для данного вида, вся популяция однородна, устойчивость клеток к неблагоприятным факторам возрастает. Продолжительность этой фазы 5-8 часов. Для длительного нахождения микроорганизмов в этой фазе (в так называемой непрерывной культуре) в сосуд непрерывно вводят новые порции питательной среды и одновременно удаляют из него соответствующее количество микробной суспензии вместе с продуктами метаболизма.

Стационарная фаза завершает период роста культуры и продолжается 4-5 часов. Она характеризуется сбалансированным размножением и отмиранием микроорганизмов. Отмирание микроорганизмов происходит в результате истощения питательной среды и накоплением продуктов обмена. В этой стадии наряду с типичными клетками встречаются дегенеративные и инволюционные формы.

Фаза отмирания (старение культуры) характеризуется массовой гибелью клеток, т.е. гибелью с постоянной скоростью через равные промежутки времени. Причиной отмирания клеток является изменение физико-химических свойств среды и лизис клеток под действием собственных ферментов. Микробы могут утрачивать подвижность, способность воспринимать окраску, у споровых видов наряду с отмиранием вегетативных клеток происходит образование спор, меняется биохимическая активность и т.д. Продолжительность фазы может составлять от 7-10 суток до 30.

Описанные закономерности развития популяции будут правильными при выращивании в оптимальных условиях (состав среды, рН, температура).

Рост микроорганизмов в жидкой питательной среде может проявляться помутнением и изменением цвета среды, наличием или отсутствием пристеночного кольца и поверхностной пленки различного характера, наличием или отсутствием осадка.

При размножении на плотных питательных средах микроорганизмов образуют колонии, которые представляют собой видимые скопления особей одного вида и формирующиеся в результате размножения, как правило, одной клетки. Они бывают круглой, розеткообразной, звездчатой, древовидной формы. Могут иметь поверхность гладкую, пушистую, выпуклую, плоскую, куполообразную, вдавленную. Строение края колонии могут быть ровным (С-форма) и шероховатым (Р-форма). Различают колонии по размеру диаметра: мелкие-1-2мм, средние 2-4мм, крупные свыше 4 мм. Колонии отличаются также по консистенции, плотности, прозрачности и цвету.

Различные виды микроорганизмов образуют специфические колонии на плотных питательных средах и дают характерный рост на жидких средах. Особенности роста микробов на питательных средах называют культуральными свойствами.

Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы. Микроорганизмы находятся в непрерывном взаимодействии с внешней средой и подвергаются разнообразным ее влияниям. В одних случаях они могут способствовать лучшему развитию микробов, в других- подавлять их жизнедеятельность. Следует помнить, что изменчивость и быстрая смена поколений микробов позволяет им приспособляться к самым разнообразным условиям жизни, быстро закреплять приобретенные признаки и передавать их по наследству. Но микробы не только сами могут изменяться под воздействием внешней среды, но могут изменять и среду в соответствии со своими особенностями. Поглощая в процессе питания и дыхания различные вещества. Микроорганизмы выделяют в окружающую среду продукты обмена, которые изменяют ее химический состав, ее реакцию и соотношение в ней различных веществ.

Поэтому, изучая микробиологические процессы. Мы должны учитывать два момента: во- первых,- какие изменения вызывают микроорганизмы в окружающей среде; во- вторых какое влияние оказывает внешняя среда на развитие микроорганизмов.

Зная факторы, способствующие развитию микробов и подавляющие их, мы можем регулировать деятельность микробов по нашему усмотрению (стимулировать развитие полезных и вести борьбу с вредными).

Все факторы внешней среды, оказывающие влияние на микроорганизмы, делят на три группы:

- физические (температура, влажность, осмотическое давление, различные формы лучистой энергии, ультразвук, механическое воздействие, токи высокой частоты);

-химические (реакция питательной среды, окислительно- восстановитель-ный потенциал, влияние антисептических веществ);

-биологические факторы (взаимоотношения микроорганизмов с другими организмами).

Физические факторы. Температура. Температура внешней среды является мощным фактором воздействия на организмы, который определяет не только интенсивность их развития, но и вообще возможность развития. Принято различать три основные температурные точки, имеющие значение для развития микробов: температурный оптимум, минимум и максимум.

Температурный оптимум- температура, при которой данный вид микробов наиболее хорошо развивается, т.е. температура соответствующая физиологическим требованиям соответствующего микроорганизма. При температурном минимуме или максимуме развитие микробов еще возможно, но уже ограничено. При температуре выше максимума микробы обычно погибают. При температуре ниже минимума они переходят в состояние анабиоза, а при повышении температуры могут возвращаться к активной жизни.

По отношению к температурному фактору микроорганизмы делят на три группы –психрофилы (холодолюбивые), мезофилы (развивающиеся при средних температурах) и термофилы (теплолюбивые) Такое деление производят на основе оптимальной температуры развития. Примерные границы температур для различных групп представлены в таблице 1.

Таблица 1 Температуры для различных рупп микроорганизмов, °С

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

Вышеуказанные температурные границы приведены для размножения микроорганизмов. Для других процессов жизнедеятельности (спорообразование, образование токсинов, пигментов и др.) значение температур для тех же групп микроорганизмов могут быть иными.

Психрофилами - называют микроорганизмы, область температур роста которых лежит в пределах от 0 (или ниже) до 20 °С, хотя оптимум составляет 15°С. Психрофильные микроогранизмы являются обитателями холодных источников. Глубоких озер и океанов, хорошо развиваются на продуктах при холодильном хранении. Наиболее сильной устойчивостью к низким температурам обладают плесневые грибы и гнилостные бактерии (-3-9°С).

Мезофилы живут при средних температурах. Самая распространенная группа микроорганизмов (бактерии, плесневые грибы, дрожжи). Мезофиллами являются все патогенные и условно-патогенные микроорганизмы и большинство сапрофитных.

Термофилы развиваются при высоких температурах. Они в большом количестве встречаются в почве, сточных водах и в навозе, в гейзерах, песках пустынь. Они участвуют в ряде биологических процессов: при самосогревании влажного сена и хлопка, силосовании кормов, вызывают порчу пастеризованных и стерилизованных продуктов. Знание отношения разных видов микробов к воздействию температур позволяет культивировать их в лабораториях на искусственных питательных средах. При этом учитывают значения оптимальных для каждого вида микробных клеток температурных режимов (в термостатах).

Отношение микроорганизмов к различным температурам стали использовать для сохранения различных пищевых продуктов. При этом используют как низкие, так и повышенные температуры. На основе этого применяют несколько технологических приемов обработки и хранения продуктов. Низкие температуры- хранение в охлажденном состоянии и замороженном. При хранении в охлажденном состоянии используют температуру 0 -+4°С, что позволяет продлить срок хранения, но если субстрат (продукт) достать из холодильника и оставить при комнатной температуре – он быстро испортится за счет развития тех микроорганизмов, что находились в нем до охлаждения. При хранении продуктов в замороженном состоянии используют температуру -12 - 30°С. Несмотря на то, что при таких температурах микроорганизмы не размножаются и активная деятельность их приостанавливается, многие из них неопределенно долгое время остаются жизнеспособными, переходя в анабиотическое состояние. При хранении продуктов в охлажденном и замороженном состоянии большое значение имеет относительная влажность воздуха, скорость охлаждения и замораживания, исходная степень обсеменения психрофильными микроорганизмами. Замораживание не оказывает стерилизующего действия и могут выжить многие виды сапрофитов и болезнетворные формы микроорганизмов. Поэтому размороженные продукты могут быстро подвергаться порче. Размораживать замороженные продукты следует непосредственно перед употреблением.

В пищевой промышленности применяют два способа воздействия высоких температур: пастеризация и стерилизация.

Пастеризация – это нагревание продукта чаще при температуре 63-80°С в течение 20-40 мин. Иногда пастеризацию проводят кратковременно в течение нескольких секунд при температуре 90-100 °С. При стерилизации погибают не все микроорганизмы. Некоторые термоустойчивые бактерии и споры грибов остаются жизнеспособными. Поэтому пастеризованные продукты следует немедленно охлаждать до не выше 10°С и хранить на холоде (на льду и в холодильнике), чтобы задержать прорастание спор и развитие сохранившихся клеток. Пастеризуют молоко и молочные продукты, пиво, соки, рыбную икру, пресервы и некоторые другие продукты.

Стерилизация -это температура 112-120°С в течение 20-60 мин. в специальных приборах- автоклавах (перегретым паром под давлением) или при 160-180°С в течение 1-2 часа в сушильных шкафах (сухим жаром).

Влажность. Микроорганизмы могут развиваться только в субстратах, имеющих свободную воду в количестве не менее определенного уровня. С понижением влажности субстрата интенсивность размножения микробов замедляется, а при удалении из субстратов ниже необходимого уровня вообще прекращается. Потребность во влаге у различных микроорганизмов колеблется в широких пределах. По величине минимальной потребности во влаге для роста различают следующие группы: гидрофиты (влаголюбивые), мезофиты (средневлаголюбивые), ксерофиты (сухолюбивые). Гидрофитами являются большинство бактерий, а мицелиальные грибы и дрожжи мезофиты, но имеются среди них и гидрофиты.

Для развития микроорганизмов имеет значение не абсолютная величина, а доступность содержащейся в субстрате воды, которую в настоящее время принято обозначать термином водная активность или а _w. Водная активность показывает отношение давления водяных паров раствора (субстрата) Р и чистого растворителя (воды) Р_о при одной и той же температуре: а _w = Р/Р_о.

Водная активность выражается величинами от 0 до 1 и характеризует относительную влажность субстрата. Рост микроорганизмов наблюдается при значениях а _w от 0,99 до 0,65-0,61. Оптимальное значение для многих от 0,99-0,98 примерно в этих пределах находится водная активность скоропортящихся пищевых продуктов (мяса, рыба, плоды, овощи).

Бактерии развиваются при водной активности субстрата 0,94-0,90. Дрожжи-0,88-0,85, мицелиальные грибы-0,8. Но некоторые виды бактерий, дрожжей, мицелиальных грибов могут расти при водной активности -0, 75-0,62 (хотя и медленно).

Таким образом, продукты, у которых водная активность менее 0,7 могут длительно сохраняться без микробной порчи. С точки зрения увеличения срока хранения скоропортящихся продуктов перспективно искусственное снижение в них водной активности. Возможно снижение а _w при добавлении специфических веществ, способных связывать воду.

Давно применяется хранение различных пищевых продуктов в сухом виде. В высушенном состоянии многие микробы сохраняют жизнеспособность в течение длительного времени. Устойчивы к высушиванию многие дрожжи и особенно споры бактерий и мицеллиальных грибов (сохраняют способность к прорастанию десятки лет). Патогенные микробы (стафилококки, микрококки, брюшно-тифозные бактерии) могут сохраняться в сухом субстрате неделями и месяцами.

Для сохранения сухих продуктов без порчи большое значение имеют относительная влажность и температура в складских помещениях. Продукты обладают гигроскопичностью (могут отдавать влагу или поглощать ее). Между влажностью воздуха и влажностью продукта устанавливается определенное подвижное равновесие. При одной и той же относительной влажности воздуха различные продукты могут иметь разную равновесную влажность. Большинство бактерий способно развиваться в субстратах при равновесной относительной влажности воздуха в пределах не ниже 95-90%. Для дрожжей минимум в субстрате соответствует 90-85% относительной влажности воздуха, для большинства мицеллиальных грибов-80%, а для некоторых ксерофитных видов пределом является относительная влажность воздуха- 75-65%

Таким образом, возможность развития микроорганизмов в продуктах в связи с их влажностью можно учитывать как по величине водной активности продукта, так и по относительной влажности воздуха. Значение а_w умноженное на 100, соответствует относительной влажности воздуха выраженной в процентах, когда система продукт- воздух находится в равновесии.

Относительная влажность воздуха изменяется от температуры: с понижением температуры воздуха уменьшается его влагоудерживающая способность и наоборот. Поэтому при снижении температуры в процессе хранения это приводит к увлажнению поверхности продукта, что способствует развитию находящихся на нем микробов. При хранении и перевозке высушенных продуктов необходимо принимать меры для предупреждения изменения их влажности.

При сублимационной сушке (высушивание под высоким вакуумом в замороженном состоянии) качество и пищевая ценность продуктов сохраняются значительно лучше, но микроорганизмы хорошо переносят такое высушивание и сохраняются жизнеспособными. Поэтому к таким продуктам следует строгие санитарно-гигиенические требования.

Концентрация растворенных веществ и осмотическое давление. Внутриклеточное осмотическое давление обусловлено концентрацией растворенных веществ в цитоплазме клетки. У разных микроорганизмов оно колеблется в широких пределах и этим объясняется тот факт, что различные микроорганизмы могут обитать в пресной воде и соленых водах морей. Высокие концентрации осмотически активных веществ способствуют плазмолизу микробных клеток. В качестве осмотически деятельных веществ, применяемых для консервирования пищевых продуктов, используют поваренную соль и сахар.

Большинство бактерий мало чувствительны к концентрации NаСL в пределах 0,5-2%, но 3%-ное ее содержание в среде неблагоприятно для многих микроорганизмов. Размножение многих гнилостных бактерий подавляется при концентрации поваренной соли 3-4%, а при 7-10% оно прекращается. Палочковидные гнилостные бактерии менее стойки чем кокки. Развитие некоторых возбудителей пищевых отравлений (ботулинуса, сальмонелл) приостанавливается при 6-10% соли, но некоторые из них могут долго сохранять жизнеспособность даже при 20%. Микроорганизмы, нормально развивающиеся при высоких концентрациях поваренной соли (20% и выше) называют галлофилами (солелюбивыми).

Концентрация соли, влияющая на развитие микроорганизмов, зависит от других условий среды (рН, температура). Развитие дрожжей в соленых продуктах подавляется в кислой среде при содержании соли 14%, а в нейтральной только при 20%. При понижении температуры подавляющее действие соли усиливается. При температуре 0°С и 8% соли угнетается рост мицеллиальных грибов, а при 20°С необходимо 12% соли для такого же эффекта. Имеются сведения об усилении действия поваренной соли в присутствии нитратов и нитритов.

Подавляющее воздействие соли на рост микроорганизмов объясняется не только повышением осмотического давления. Поваренная соль оказывает токсическое действие на микроорганизмы: подавляются процессы дыхания, нарушаются функции клеточных мембран и др.

Поскольку многие микроорганизмы в плазмолизированном состоянии длительное время не погибают, а лишь приостанавливается их активная деятельность, к перерабатываемому сырью необходимо предъявлять строгие санитарно-гигиенические требования. Порча соленых товаров (мясо, рыба и др.) часто возможна под влиянием галофильных и солеустойчивых микроорганизмов. Например, покраснение крепко соленой рыбы - «фуксин», вызываемой галофильной бактерией обладающей красным пигментом. Для задержки развития микроорганизмов соленые товары необходимо хранить при низких температурах.

Возможны различные виды порчи (плесневение, забраживание меда, джема, варенья, фруктовых сиропов и других сахаросодержащих продуктов под воздействием осмофильных плесеней и дрожжей. Порчу продуктов, прошедших тепловую обработку, вызывают осмофильные температуровыносливые дрожжи, но порча может явиться и результатом вторичного инфицирования продуктов микробами извне. Поэтому для предотвращения такого вида порчи необходимо разливать продукт в горячем виде в стерильную тару, герметично укупоривать ее и хранить при пониженной температуре.

Лучистая энергия. Различные формы лучистой энергии оказывают на микроорганизмы разнообразное физическое, химическое и биологическое действие. Биологическое действие излучения зависит от длины волны, чем оно короче, тем в нем больше заключено энергии, тем сильнее воздействие на организм. В основе действия лежат физические и химические изменения, происходящие в клетках микроорганизмов и в окружающей среде. Изменение могут быть вызваны только поглощенными лучами. Следовательно, для эффективности действия излучения большое значение имеет проникающая способность лучей.

Солнечный свет обладает наибольшим потенциалом вредного воздействия на микроорганизмы. Способность использовать энергию солнечного света лишь пигментобразующие формы бактерий. Микроорганизмы, не имеющие пигмента, погибают под действием прямых солнечных лучей. Рассеянный солнечный свет подавляет их развитие постепенно. Однако, развитие многих мицеллиальных грибов при постоянном отсутствии света протекает ненормально, хорошо развивается только мицелий, а спорообразование только тормозится. Под влиянием солнечных лучей происходит внутриклеточные химические реакции с образованием гидроксильных радикалов и других высокореактивных веществ. Действующих губительно на микробную клетку.

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

Ультрафиолетовые лучи (УФ - лучи) обладают или бактерицидным или мутагенным действием. Это вызывается изменениями в структуре ДНК. Из всех микроорганизмов наиболее чувствительны к УФ - лучам вегетативные формы бактерий, а споры бацилл в 4-5 раз более устойчивы. Очень чувствительны к УФ- лучам патогенные микроорганизмы.

Эффективность воздействия УФ - лучей зависит от дозы облучения, длительности и свойств облучаемого субстрата (рН, степень обсеменения микробами и температура). Очень малые дозы облучения действуют даже стимулирующее на отдельные функции микроорганизмов. Более высокие могут вызвать изменение наследственных свойств. Это используется на практике для получения различных штаммов микроорганизмов с высокой способностью продуцировать антибиотики, ферменты и др. БАВ. Дальнейшее увеличение дозы приводит к гибели.

В настоящее время УФ-лучи довольно широко применяют для дезинфекции воздуха микробиологических боксов, холодильных камер и производственных помещений. Искусственным источником ультрафиолетового излучения служат аргонно-ртутные лампы низкого давления, называемые бактерицидными (БУФ-15, 30, 60). При обработке УФ-лучами в течение 6 часов уничтожается до 80% бактерий и мицелиальных грибов находящихся в воздухе. Такие лучи могут быть использованы для предотвращения инфекции извне, при розливе, фасовке и упаковке пищевых продуктов, лечебных препаратов, а также для обеззараживания тары упаковочных материалов, оборудования, посуды (на предприятиях общественного питания).

Стерилизация пищевых продуктов с помощью УФ-лучей затруднена вследствие их невысокой проникающей способности. Действие их проявляется только на поверхности или в очень тонком слое. Предлагается УФ-лучи для стерилизации плодовых соков и вин (в тонком слое). При таком «холодном» способе стерилизации вино поучается лучшего качества и сохранятся без порчи дольше чем пастеризованное.

Для некоторых продуктов, таких как сливочное масло, молоко, стерилизация УФ-лучами неприемлема. В результате такой обработки ухудшаются вкусовые и пищевые свойства таких продуктов. В последнее время УФ-лучи используют для дезинфекции питьевой воды.

Космические и рентгеновские лучи представлены ионизирующими излучениями с длиной волны от 0,006 до10 нм. Они оказывают мутагенное или летальное действие. К действию таких лучей наиболее чувствительны ядерные структуры, хотя повреждаются цитоплазматические структуры клеток.

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

Эффект бактерицидного действия радиоактивных излучений обуславливается 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 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. Чувствительны к облучению Кишечная палочка, Протей, многие бактерии рода Псевдомонас (распространенные возбудители порчи сырья и мясных и рыбных продуктов). Микрококки отличаются повышенной устойчивостью. Высока радиоустойчивость вирусов, у некоторых она превосходит устойчивость бактериальных спор. При одной и той же поглощенной дозе радиопоражаемость микроорганизмов одного и того же вида изменяется в зависимости от возраста клеток, состава среды, температуры, дозы и длительности облучения. Установлено, что микроорганизмы способны восстанавливать лучевые повреждения, что определяется видовыми особенностями микроорганизмов и их физиологическим состоянием. Искусственные ионизирующие излучения используют для стерилизации лечебных препаратов и некоторых пищевых продуктов (но при этом могут ухудшаться вкус и пищевые качества). Их используют для задержки прорастания картофеля и овощей, зерна и зернопродуктов, сухофруктов. А также для ускорения или замедления созревания плодов и в других целях. Наиболее приемлемы для этих целей гамма лучи. Обладающие наиболее высокой проникающей способностью и не вызывающие при облучении появления в продукте «наведенной» радиации.

Радиоволны. Короткие электромагнитные волны длиной от 10 до 50 м, ультракороткие длиной от10м до мм обладают стерилизующим эффектом. При прохождении коротких ультракоротких радиоволн через среду возникают переменные токи высокой частоты (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ). В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Характер нагревания в СВЧ поле отличается от характера нагрева от обычных нагреваний и обладает рядом преимуществ. Объект нагревается быстро и равномерно по всей массе. Например, воду в стакане можно довести до кипения в течение двух –трех секунд. Рыба (1кг) варится до готовности в течение двух мин., мясо (1кг)-2,5 мин., курица 6-8 мин.. Нагрев может происходить избирательно, отдельные части облучаемого объекта нагреваются в разной степени и зависят от их электрофизических свойств.

Благодаря специфическим особенностям перспективно применение этого способа нагревания для пастеризации и стерилизации пищевых продуктов (например, в плодово-ягодных консервах). По сравнению с обычной паровой стерилизацией в автоклавах время нагревания СВЧ- энергией до одной и той же температуры сокращается во много раз. Поэтому полнее сохраняются вкусовые и питательные свойства. Эффект воздействия на его микрофлору практически одинаков.

Сверхвысокочастотную электромагнитную обработку пищевых продуктов все шире применяют в общественном питании (для варки, сушки, выпечки, при разогревании др.).

Давление и механическое сотрясение. Микроорганизмы не испытывают значительных изменений под влиянием даже очень больших давлений, но есть группы микроорганизмов, которые развиваются только при избыточных давлениях. Их называют барофильными (в глубинах морей и океанов). К механическим сотрясениям они чувствительны, если они сильные и длительные. Так самоочищение бурных рек происходит в результате гибели микроорганизмов под воздействием сильных толчков воды.

Ультразвук. Ультразвуком называют механические колебания с частотами более 20000 колебаний в секунду (20 кГЦ). Колебания такой частоты находятся за пределами слышимости человека. Ультра звуковые волны могут распространяться в твердых, жидких и газовых средах. Обладают большой механичесокй энергией и вызывают ряд физических, химических и биологических явлений. Механизм бактерицидного действия ультразвука объясняется двумя теориями: кавитацонно-механической и кавитационной электрохимической. По первой теории считают, что ультразвуковые волны, распространяясь в упругой среде, вызывают в ней попеременные сжатия и разряжения. В клетке создаются огромные давления, достигающие десятков и сотней мПа, что вызывает механическое разрушение цитоплазматических структур и гибель клетки (кавитация).

Кавитационная электрохимическая теория объясняет ионизацию паров жидкостей 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. перекиси водорода, азотистой и азотной кислот, в результате чего происходят инактивации ферментов и коагуляция белков. Все это обуславливает гибель микробной клетки.

Эффективность действия УЗ при одной и той же интенсивности и частоте колебаний зависит от продолжительности воздействия. Химичесокого состава облучаемой среды. Ее вязкости, температуры, рН и исходной степени обсемененности микроорганизмами. Чем больше микроорганизмов, тем продолжительнее должно быть воздействие для получения стерилизующего эффекта.

Устойчивость микроорганизмов к действию ультразвука зависит от их биологических свойств. Вегетативные клетки более чувствительны чем споры, кокковые формы погибают медленнее чем палочковидные. Более крупные клетки микроорганизмы отмирают быстрее, чем мелкие. Ультразвук применяют для стерилизации пищевых продуктов (молоко, фруктовые соки, вина). Изготовления вакцин, мойки и стерилизации стеклянной тары, а также при извлечении внутриклеточных ферментов. Токсинов. Витаминов, нуклеиновых кислот и других компонентов клетки. Ведутся исследования по применению УЗ энергии для стерилизации питьевой воды.

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

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

Реакция питательной среды (концентрация водородных ионов рН) играет роль фактора, определяющего границы существования живой материи. Кислотность среды воздействует на ионное состояние, а поэтому на доступность для организма многих химических веществ.

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 ее проницаемости 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 в кислой среде (рН 4,5-5,0)образуют в основном этиловый спирт (спиртовое брожение), а в щелочной среде (рН8,2) –глицерин (глицериновое брожение).

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

Кислотолюбивые микроорганизмы, растущие при очень низком значении рН встречаются редко. К ацидофильным относятся уксуснокислые, молочнокислые, некоторые дрожжи и плесени. Уксуснокислые бактерии растут в пределах рН от 3 до 5, молочнокислые развиваются при рН от 3 до 8. Оптимум рН роста дрожжей находится в области 4,5- 6. Однако, некоторые из них способны развиваться в более кислой среде рН2. другие - в щелочной 8,5.

К самым устойчивым к кислой среде относятся плесневые грибы, многие из них характеризуются ацидотолерантностью и способностью роста в широких пределах рН (от 2 до11).

Оптимальна рН для нейтральнофильных микроорганизмов находится в пределах 7,0. Типичными представителями нейтрофилов являются бактерии группы кишечных палочек (БГКП), стрептококки, бациллы, сальмонеллы и большинство других патогенных микроорганизмов.

К алкалофилам относят некоторые виды бактерий и мицеллиальных грибов. Клубеньковые бактерии рода Ризобиум (Rhizobium) активено развиваются при рН 10-12. Бациллюс цереус (Bacillus cereus) и Бациллус циркулянс (Bacillus circulans) способны развиваться при рН 10-11. Энтерококки также толерантны к щелочной среде.

Многие микроорганизмы, развиваясь в питательной среде выделяют продукты обмена изменяющие реакцию субстрата, это является одним из факторов, обусловливающих антогонизм между различными группами микробов. Так, молочнокислые бактерии в процессе жизнедеятельности образуют молочную кислоту, которая подавляет развитие большинства гнилостных бактерий. Это используется при хранении кисломолочных продуктов, сыров, при консервировании силоса, квашении капусты и других продуктов. Зная отношение различных микроорганизмов к реакции среды и регулируя ее рН, можно подавлять или стимулировать их развитие.

Окислительно-восстановительный потенциал служит количественной мерой способности некоторых соединений или элементов отдавать электроны. Окислительно-восстановительные условия питательной среды выражаются величиной окислительно-восстановительного потенциала, который принято обозначать Еh (rH₂). Окислительно-восстановительный (ОВ) потенциал среды представляет собой отрицательный логарифм числа, выражающего давление (в МПа) молекулярного водорода. При давлении Н₂ 0,1 МПа ОВ потенциал среды равен 0. Величина Еh минимальна при насыщении среды водородом и максимальна при насыщении ее кислородом. Она измеряется от 0 до 41 единиц. При равновесии окислительно-восстановительных процессов в среде rH₂ равен 28. Присутствие в среде окисляющих веществ (метиленового синего, резазурина, кислот, перманганата калия и др.) повышает значение потенциала. Значение же соединений, обладающих восстановительными свойствами (цистеин, тимоловая кислота), снижает потенциал. ОВ потенциал также резко уменьшается при отмирании микроорганизмов, лизисе их фагом и действии на культуры лизоцимом. Изменяя ОВ потенциал среды, можно повлиять на интенсивность размножения различных групп микроорганизмов и направленность вызываемых ими биохимических процессов.

По отношению к окислительно-восстановительным условиям среды микроорганизмы разделяют на четыре основные группы: облигатные аэробы, облигатные и факультативные - анаэробы и микроаэрофилы. Облигатные анаэробы развиваются при низком значении Еh (0-14), факультативные анаэробы при Еh (0-30), аэробные микроорганизмы Еh (11-35), микроаэрофилы- Еh (10-20).

Действие ядовитых химических веществ. Влияние антисептических веществ на микробную клетку может проявляться различным действием. Одни подавляют жизнедеятельность или задерживают развитие чувствительных к ним микробов. Такое действие называют бактериостатическим (в отношении бактерий) ил фунгистатическим (в отношении мицеллиальных грибов). Другие вещества вызывают гибель микроорганизмов, оказывая на них соответственно бактерицидное или фунгицидное действие. В очень малых дозах многие химические яды оказывают даже благоприятное действие, стимулируя размножение или биохимическую деятельность микробов. В каждом конкретном случае доминирующий эффект зависит от химической природы этого антимикробного агента.

Эффективность действия химических веществ на микроорганизмы зависят от природы вещества, концентрации, биологических особенностей микроорганизмов, продолжительности воздействия, температуры, состава и рН среды. Чувствительность микроорганизмов к одному и тому же антисептику неодинакова.

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, азон, диоксид углерода, аммиак и др.), минеральные кислоты (борная, серная, хлористоводородная, азотная и др.), щелочи (гидроксид натрия, гидроксид калия и др.).

Среди органических соединений губительное воздействие оказывают органические кислоты (молочная, салициловая, масляная, уксусная, бензойная и др.), используемы в качестве консервантов в пищевой и парфюмерно-косметической промышленностях. Консервант должен обладать определенными липофильными свойствами для того, чтобы проникать через гидрофобную клеточную оболочку или разрушать ее. В то же время, для антимикробного действия консерванту требуется хорошая растворимость в воде, так как развитие микроорганизмов происходит исключительно в водной фазе и поэтому консервант должен находиться именно в ней.

Эффективность конкретного консерванта неодинакова в отношении плесневых грибов, дрожжей и бактерий, то есть он не может быть эффективен против всего спектра возможных микроорганизмов вызывающих порчу пищевых продуктов. Некоторые консерванты (бензойная, сорбиновая кислота и их соли) малоэффективны против многих бактерий, так как в области оптимальных для антибактериального действия значений рН (часто рН 6,5-7,5). В свою очередь в средах с низким значением рН благоприятных для применения данных консервантов такие виды бактерий не развиваются. Кроме того, к дезинфицирующим веществам этой группы относятся также диэтиловый эфир, спирты жирного и ароматического ряда (этиловый, бутиловый, амиловый, пропиловый и др.), эфирные масла, смолы, дубильные вещества, органические красители, формалин, фенол, крезол и их производные..

Ионы серебра и золота обладают олигодинамическим действием. В очень малых количествах, не поддающихся химическому обнаружения, они губительно действуют на микробные клетки. На этом основан метод дезинфекции воды с помощью серебряных фильтров. 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

Дата добавления: 2013-12-13