личные / 8_Влияние-физико-химических-факторов-на-микроорганизмы_мед-_2_

Действие физико-химических факторов на микроорганизмы

 Микроорганизмы представляют собой невидимые человеческому глазу существа, которые вездесущи и населяют все экологические ниши и живут там, где

• развиваются животные и растения;

• при высоких (113ºC) и низких (-36ºC) температурах;

• высоких (1400 атм.) давлениях;

• при полном отсутствии кислорода;

• в условиях высокой солености; • при высокой кислотности (pH 0-1);

• при высокой щелочности (pH 11):

• в скальных породах на глубине 6 км;

• на вершинах высоких гор (6-7 км);

• в безводных пустынях, на поверхности зданий, сооружений и памятников;

• споры могут выдерживать условия космического пространства и выживать в течение 20-30 млн. лет.

Активность воды

• В осуществлении метаболизма важную роль играет активность воды aw, равная отношению давления паров раствора к давлению паров чистой воды.

• Активность воды зависит как от самого ее наличия, так и от количества растворенных в ней веществ.

• Одни микроорганизмы не способны расти на твердых средах, а другие, называемые ксерофилами, растут при низких ее значениях. В природе такие местообитания есть в пустынях и горах. К тому же там активность воды может резко меняться в течение суток (в ночное время выпадает роса и активность воды приближается к 1).

Субстраты с разными значениями активности воды и микроорганизмы, обитающие на них

aw	Материал	Микроорганизмы
1,000	Чистая вода	Caulobacter, Spirillum
0,995	Кровь человека	Streptococcus, Escherichia
0,980	Морская вода	Pseudomonas, Vibrio
0,950	Хлеб	Грамположительные палочки
0,900	Ветчина, кленовый сироп	Грамположительные кокки
0,850	Салями	Saccharomyces rouxii
0,800	Фруктовые джемы	Penicillium
0,750	Соленая рыба, соленые озера	Halobacterium, Halococcus
0,700-0,600	Кукурузные хлопья, сухофрукты, конфеты	Xeromyces bisporius, ксерофильные грибы

• Гипотонический раствор – это раствор, осмотическое давление которого ниже, чем осмотическое давление в клетке.

• Гипертонический раствор – это раствор, осмотическое давление которого выше, чем осмотическое давление в клетке.

• Изотонический раствор – это раствор, осмотическое давление которого одинаково с осмотическим давлением в клетке.

• Поскольку микроорганизмы отделены от окружающей среды полупроницаемой мембраной, в

гипотонических растворах вода будет стремиться по градиенту концентраций растворенных веществ внутрь клетки, и нужно приложить определенную силу (осмотическое давление), чтобы предотвратить поступление воды в клетку.

• В гипертонических растворах имеет место обратное явление («отсасывание» воды из клеток), вызывающее плазмолиз.

• Высокие концентрации солей и сахаров давно используются для консервирования пищевых продуктов. В природе высокие концентрации разных солей есть в Мертвом море, соленых озерах, солонцах, содовых озерах, солеварнях.

Микроорганизмы, способные существовать в растворах с высокой концентрацией веществ, называются осмофилами

Наиболее изучены такие микроорганизмы по отношению к концентрации NaCl, их называют галофилами и подразделяют на группы:

• галотолерантные — до 2,0 М NaCl, но могут расти и без соли {Streptococcus);

• слабогалофильные — 0,2 — 0,5 М NaCl;

• среднегалофильные — 0,5 — 2,5 М NaCl (морские бактерии);

• экстремально галофильные — 2,5 — 5,2 М NaCl (до насыщенных растворов, галоархеи).

Показатель кислотности среды (рН)

• Показатель кислотности среды (рН) изменяется от 0 до 14.

• В кислой среде в водных растворах преобладают ионы гидроксония Н30+, в щелочной - гидроксила ОН.

• По отношению к оптимальным для роста значениям рН микроорганизмы подразделяют на

  • ацидофильные (0 — 5,5),

  • нейтрофильные (5,5-8,0),

  • алкалифильные (8,5-11,5).

Большинство бактерий и простейших — нейтрофилы, грибы и водоросли, в целом, предпочитают низкие значения рН, цианобактерии растут при высоких рН.

• Несмотря на экстремальные значения рН в окружающей среде, значение внутриклеточного рН достаточно постоянно.

• У растительных клеток реакция цитоплазмы слабокислая (5,0 — 6,0), у животных ~ 7,0. У алкали- и ацидофильных микроорганизмов рН цитоплазмы поддерживается на уровне

7,5.

• В процессе развития микроорганизмы могут изменять рН среды, образуя кислые или щелочные продукты.

Температура

• Предел жизнеспособности организма определяется наличием жидкой воды.

• Клетки некоторых микроорганизмов остаются жизнеспособными при минусовых температурах, если к воде добавить антифриз.

• Так как местообитаний, где создаются экстремально низкотемпературные условия не так много, большинство организмов имеет низший температурный предел 0°С.

• Существовать же (переживать) микроорганизмы могут и при -196°С (и даже при -273°С). Поэтому таким глубоким замораживанием часто пользуются для хранения культур под жидким азотом или в лиофилизированном состоянии.

• Низкотемпературные места обитания микроорганизмов

• Высокотемпературные места обитания микроорганизмов

гейзеры

вулканические источники

• горячие источники

«черные курильщики» — выход вулканических горячих газов на разломах земной коры в глубинах океанов, где температура при высоком давлении может достигать +360 °С.

Группы микроорганизмов с разными температурными пределами роста

Группа	Температура роста, °С
	минимальная	оптимальная	максимальная
Психрофилы	-36	<20	25
Мезофилы	15	25...30	40
Термофилы	40...50	65	70... 80
Экстремальные термофилы	50...60	80…110	113

• К психрофильным микроорганизмам относят представителей родов Pseudomonas, Vibrio, Achromobacter, Flavobacterium, Cytophaga, дрожжей, мицелиальных грибов, некоторых групп водорослей (в Антарктике найдена Chlamidomonas nivalis, растущая при -36 °С). У таких микроорганизмов обнаружен особый состав мембран с пониженной точкой замерзания. Они содержат больше ненасыщенных жирных кислот. У психрофилов белки менее стабильны при температуре выше 20°С.

• Многие виды микроорганизмов способны расти при 0°С, хотя их температурный оптимум находится в интервале 20 — 30°С. Эти микроорганизмы называются психротрофными и именно они обычно ответственны за порчу замороженных продуктов.

Организм	Жизнедеятельность до t, °С
Животные
Водные позвоночные	38
Насекомые	50
Растения	50
Эукариотные микроорганизмы
Простейшие	47
Водоросли	56
Cyanidium caldarium	70
Грибы	58
Прокариотные микроорганизмы
Фототрофы	84
Хемолитотрофы	113
Гетеротрофы	100
Pyrodictium occultum	110
Pyrolobus fumarii (нефототрофные археи из «черных курильщиков», где давление достигает 265 атм и вода не закипает до 360 °С)	113

Высшие температурные пределы жизнедеятельности разных групп организмов

• У термофилов найдены высокотемпературные стабильные белки, мембранные липиды содержат больше тугоплавких насыщенных жирных кислот и больший процент гликолипидов, рибосомы более термостабильны.

• В связи с развитием биотехнологии термофильные микроорганизмы представляют особый интерес. Вопервых, при высокотемпературном культивировании уменьшается вероятность заражения, во-вторых, термофилы значительно быстрее растут, причем среди термофилов есть автотрофные микроорганизмы, что позволяет использовать очень простые среды. В-третьих, термофилы — источник термостабильных ферментов. Например, термофильный микроорганизм Thermus aquaticus, выделенный из горячих источников растущий при температуре +70 °С.

• Устойчивость микроорганизмов к низким и высоким температурам ставит вопрос о специальных методах стерилизации и хранения продуктов.

Гидростатическое давление

• Большинство микроорганизмов, живущих на поверхности земли или воды, не подвергается существенным изменениям давления и растет при давлении около 1 атм.

• Но есть места, где давление значительно отличается от атмосферного. Показано, что клетки микроорганизмов могут выдерживать глубокий вакуум (10-10— 10-12 атм.), правда, это не активно жизнеспособные клетки, а споры.

• Для Bacillus cereus и Е. соli обнаружено, что они лучше растут при давлении ниже атмосферного.

• Повышенное давление, кроме искусственных систем типа автоклавов, в природе наблюдается в глубоких нефтяных скважинах (как правило, с высоким содержанием серы)

• Повышенное давление наблюдается в глубинных зонах океанов, которые обычно также характеризуются низкими температурами и малым содержанием питательных веществ.

• В океанах зона, куда еще проникает свет, расположена на глубине до 300 м. На глубине до 1000 м сосредоточена основная биологическая активность (99 %), а в остальных 75 % водной толщи наблюдается всего 1 % биологической активности.

По отношению к высокому давлению микроорганизмы подразделяются на:

• 1) пъезочувствительные

(барочувствительные) — организмы (обычно с газовыми вакуолями), которые при повышении давления перестают расти;

• 2) пъезотолерантные (баротолерантные), выдерживающие до 400 атм., но способные расти и при обычном давлении;

• 3) пъезофильные (барофильные), нуждающиеся для роста в повышенном давлении.

• Умеренные барофилы выдерживают давление до 850 атм, а экстремальные — свыше 1 000 атм.

• Работа с такими микроорганизмами требует осторожности при взятии и доставке проб в лабораторию и очень дорогостоящего оборудования. При этом необходимо решить две проблемы — сохранить облигатно барофильных представителей при подъеме с глубины при соответствующем изменении давления и не заразить глубинные пробы микроорганизмами из вышележащих слоев воды.

• Микроорганизмы обнаружены в самом глубоком месте Мирового океана —

Марианской впадине при давлении -1016 атм.

• Самое высокое искусственно созданное давление, при котором еще сохраняются микроорганизмы, — 1400 атм. Дальнейшее его повышение ведет к деструкции органических молекул.

• Ярким примером сочетания экстремальных значений нескольких факторов является уникальное сообщество, основанное на хемолитоавтотрофии, так называемые «черные курильщики». Это разломы на дне океанов, из которых выходят очень горячие вулканические газы и вода. Там большое количество сероводорода, градиент температур от 360 до 6°С, давление до 265 атм. и нет света. «Черные курильщики» получили свое название из-за клубящегося черного осадка, образующегося в химических реакциях.

• В таких местообитаниях представлено несколько физиологических групп микроорганизмов. (серуокисляющие, нитрификаторы, метаногены, гомоацетогены, водородокисляющие и др.)

Электромагнитные излучения

• ионизирующее излучение (гамма- и рентгеновские лучи с λ < 200 нм),

• ультрафиолетовое излучение, 200 – 380 нм

  

• видимая область, 380 – 780 нм • инфракрасное излучение, 780 -1 мм

• радиоволны.

Характер действия излучения

1) оказывающие физиологическое действие; Оказывают ближний ультрафиолет,

видимый свет и инфракрасные лучи (350 — 400 — 800— 1100 нм).

Фотосинтез — процесс конверсии солнечной энергии в химическую.

Разные фототрофные микроорганизмы поглощают свет различной длины волны.

Существуют фотозависимые синтезы и у нефотосинтезирующих микроорганизмов (например, образование каротиноидов у микобактерий).

3) оказывающие летальное и мутагенное

действие; Ультрафиолет в зависимости от длины волны и дозы может вызывать как летальный, так и мутагенный эффект. При этом наблюдается повреждение прежде всего молекул ДНК (особенно при λ = 260 нм). Ультрафиолет с λ= 325 — 400 нм также вреден для микроорганизмов, поскольку происходит разрушение триптофана и образуются его токсичные фотопродукты, которые действуют как химические мутагены.

Ионизирующее излучение представлено очень короткими волнами с высокой энергией. Низкие уровни такого излучения могут вызывать у микроорганизмов мутации, а высокие почти всегда приводят к гибели. Следствием ионизирующего облучения являются разрывы водородных связей, окисление двойных связей, разрушение кольцевых структур, полимеризация некоторых молекул. Но главная причина гибели, конечно, деструкция ДНК.

Микроорганизмы весьма существенно различаются по устойчивости к радиации. Есть микроорганизмы, выделенные из облученных продуктов и из воды атомных реакторов.

Deinococcus radiodurans

— грамположительный, экстремофильный кокк

Микроорганизмы распространены повсеместно, поэтому они подвергаются воздействию различных физикохимических факторов, что приводит к необходимости выработки соответствующих защитных механизмов.

Некоторые микроорганизмы способны существовать в условиях широкого спектра различных факторов.

Спасибо за внимание !