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 (отрШдоП).

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 АР, Mn²⁺, Cu²⁺, 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 Мп²⁺, 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 неитрофилов 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 с рН 9-11.

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-в ос становительно го потенциала, который принято обозначать Eh (rH₂).

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. Окислителыю-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, аммиак и др.), минеральные кислоты (борная, серная, хлористоводородная, азотная и др.), щелочи (гидроксид натрия, гидроксид калия и др.).

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 Ьелков, 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 многщ химических ядовитых веществ, чем вегетативные формы бактерий, 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.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Под биологическими факторами понимают влияние на жизнедеятельность микроорганизмов других видов и групп микробов, а; также животных и растений, составляющих в природных условиях' специфический биоценоз, т. е. совокупность живых организмов,; населяющих участок определенной среды обитания.

Микробы находятся в природе в ассоциациях, между которыми происходит постоянная борьба за существование. В связи с этим различают несколько типов взаимоотношений (симбиоза) между_; организмами: мутуализм, синергизм, комменсализм, паразитизм, метабиоз и антагонизм (антибиоз).

Мутуализм представляет собой сожительство организмов разных видов, приносящее взаимную пользу: они совместно развиваются,; лучше, чем каждый из них в отдельности. Например, молочнокислые бактерии в кефирных грибках продуцируют молочную кислоту и создают^ среду, благоприятную для роста дрожжей, а дрожжи, выделяя витамины группы В, стимулируют развитие молочнокислых бактерий.

Синергизм характеризуется усилением физиологических функций у членов микробной ассоциации. При совместном развитии; молочнокислых стрептококков - активных кислотообразователей Lac. lactis, Lac. cremoris и ароматобразующих лактококков быстро увеличивается кислотность молока, интенсифицируются жизнедеятельность ароматобразующих лактококков и образование ими ароматических веществ.

Комменсализм- тип взаимоотношений между двумя | организмами, при котором один живет за счет другого, не принося ему заметной пользы и не причиняя вреда. Такие взаимоотношения наблюдаются между молочнокислыми бактериями, а также кишечными палочками и организмом человека или животного. При развитии в толстом отделе кишечника бактерии получают от макроорганизма необходимые питательные вещества, не причиняя ему вреда и даже принося известную пользу тем, что подавляют развитие гнилостных и некоторых патогенных бактерий.

Паразитизм представляет собой тип взаимоотношений между

рганизмами, когда один из них (паразит) живет за счет другого (хозяина), причиняя ему вред. Паразитами являются все патогенные микроорганизмы по отношению к восприимчивым видам животных и растений. Абсолютными паразитами являются риккетсии и вирусы, в том _числе и бактериофаги, развивающиеся внутри клеток бактерий и вызывающие их гибель и разрушение.

Метабиоз- такой вид взаимоотношений, когда один организм продолжает процесс, вызванный другим, т. е. в результате жизнедеятельности одних микробов создаются условия для развития других. Так, дрожжи, сбраживая сахар в этиловый спирт, создают условия для развития уксуснокислых бактерий, а образуемая последними уксусная кислота используется плесенями, которые ее окисляют до СО₂ и Н₂О.

Антагонизм (антибиоз) - тип взаимоотношений между микроорганизмами, при котором одни организмы подавляют развитие других. Антагонистическое действие может обусловливаться различными факторами: истощением питательного субстрата вследствие более быстрого развития одного из видов микроорганизмов; изменением физико-химических свойств среды вследствие накопления продуктов жизнедеятельности микробов-антагонистов (например, молочная кислота, подавляющая развитие гнилостных бактерий); выделением в среду микробами-антагонистами антибиотиков.

Антибиотики (от греч. anti - против, bios - жизнь) - вещества биологического (микробного, животного и растительного) происхождения, подавляющие развитие и биохимическую активность чувствительных к ним микробов. По происхождению антибиотики подразделяются на следующие группы: антибиотические вещества, продуцируемые актиномицетами, плесневыми грибами, бактериями, организмом животного или человека; антибиотики растительного, синтетического и полусинтетического происхождения.

Антибиотики актиномицетного происхождения - стрептомицин, тетрациклины, цеомицин, нистатин - обладают широким антибактериальным спектром действия. Они активны в отношении грамположительных бактерий, возбудителей туберкулеза, брюшного тифа, туляремии, бруцеллеза, сальмонеллезов и др.

Наиболее активными продуцентами антибиотиков являются плесневые грибы. Плесень рода Penicillium продуцирует широко используемый пенициллин. Он обладает бактерицидным действием главным образом на грамположительные стафилококки и стрептококки. Плесени рода Aspergillus выделяют антибиотики - фумигации и аспергиллин, a Mucor продуцирует клавицин.

К антибиотикам, продуцируемым бактериями, относят грами-Цидин-С (Вас. brevis), пиоцианин (Ps. aeruginosa), субтилин (Вас. subtilisполимиксин (Вас. polymixa). Молочнокислые бактерии Lbm. рЬщцгцй выделяют антибиотик лактолин, Lac. lactis - низин, Lac. crernoriy дигагококцин и др. Эффективность бактериальных антибиотиков ниж чем антибиотиков грибного и актиномицетного происхождения, однав они способны подавлять развитие возбудителя туберкулеза маслянокислых бактерий, кишечных палочек, стафилококков, а такяй жизнедеятельность других видов и штаммов молочнокислых бактерий»!

К антибиотическим веществам животного происхождещ
относят лизоцим, эритрин и экмолин. Лизоцим содержится в яичном белке
в слезах, слюне, молозиве, молоке. Он убивает и растворяет (лизяруе/и
многие виды бактерий. Эритрин получен из красных кровяных шариков!
(эритроцитов) крови животных, проявляет бактериостатическук!
активность. Экмолин получен из тканей рыб. Он активен в отнощеш
стафилококков и стрептококков. л

Антимикробные вещества высших растений называют!
фитонцидами. Наиболее сильной бактерицидностью обладаю;?
фитонциды лука, чеснока, хрена, горчицы, алоэ, крапивы^
можжевельника, почек березы, листьев черемухи и др. Антимикробно^
действие фитонцидов обусловлено продуктами жизнедеятельности
растительных организмов: эфирных масел, глюкозидов, органических!
кислот, дубильных веществ, смол и др. • j

Полусинтетические антибиотики получают химическим путем., j
Они имеют широкий спектр действия, активны в отношении не только]
грамположительных, но и грамотрицательных микроорганизмов]
(исключение составляет синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa).;
Синтезированы полусинтетические пенициллины (оксациллин, 1
ампициллин, карбенициллин), цефалоспорины (цефалоридин), I
тетрациклины (метациклиногидрохлорид) и др...

К синтетическим антибиотикам относится левомитицин — j
синтетическое вещество, идентичное антибиотику хлорамфениколу,
являющемуся продуктом жизнедеятельности лучистого гриба Streptomy-
ces venezuelae. i

Химическая природа антибиотиков разнообразна. Они | отличаются химической структурой и биологическими свойствами. Антибиотики, выделенные из актиномицетов и грибов, относятся к сложным циклическим соединениям, антибиотические вещества из бактерий являются полипептидами

ОСНОВЫ ГЕНЕТИКИ МИКРООРГАНИЗМОВ

Дата добавления: 2014-01-05