Жизнедеятельность микроогранизмов

Все существующие микроорганизмы живут в непрерывном взаимодействии с внешней средой, в которой они находятся и подвергаются разнообразным влияниям. В одних случаях они могут способствовать лучшему развитию, в других подавлять их жизнедеятельность. Находясь в процессе развития в тесном взаимодействии со средой, микроорганизмы не только могут изменяться под её воздействием, но могут изменять среду в соответствии с особенностями влияния, например микробы в процессе дыхания выделяют продукты обмена, которые в свою очередь изменяют химический состав среды, поэтому меняется реакция среды и содержание различных химических веществ.

Изменчивость и быстрая смена поколений позволяет приспосабливаться к разным условиям жизни, что способствует быстрому закреплению новых признаков.

Для прокариот, как группы в целом характерна способность существовать в гораздо большем диапазоне условий внешней среды, чем для эукариотных организмов. Но есть и те, на которых действия физических и химических факторов губительна. Среди прокариот есть организмы, которые могут расти в подводных вулканических источниках (температура до 300°С), кислой (pH 1 и ниже) и щелочной (pH 11 и выше) среде, при давлении 1000 атм., высоких концентрациях тяжелых металлов,концентрации соли до30%, высоких уровнях радиации. При активности воды в диапазоне от 0,7 до 0,998 и не могут расти в аэрозолях и во льду.

    Естественные среды обитания большей части организмов — вода, почва и воздух. Число микроорганизмов, обитающих на растениях и в организмах животных, значительно меньше. Широкое распространение микроорганизмов связано с лёгкостью их распространения по воздуху и воде; в частности, поверхность и дно пресноводных и солёных водоёмов, а также несколько сантиметров верхнего слоя почвы изобилуют микроорганизмами, разрушающими органические вещества. Меньшее количество микроорганизмов колонизирует поверхность и некоторые внутренние полости животных (например, ЖКТ, верхние отделы дыхательных путей) и растений.

Микроорганизмы развиваются тем интенсивнее, чем благоприятнее условия окружающей среды. Связь микроорганизмов с окружающей средой проявляется в течение всего периода их индивидуального развития и имеет многосторонний характер.

При изменении температуры, концентрации питательных веществ, давления, реакции среды и других факторов нарушается обмен веществ, прекращаются или ограничиваются рост и размножение микроорганизмов.

Все факторы внешней среды, оказывающие большое влияние на развитие микроорганизмов, можно условно разделить на три основные группы: физические, химические и биологические. Из физических факторов наиболее важное значение имеют влажность, концентрация веществ, температура, давление, радиация, свет; из химических — реакция среды, кислород и различные химические соединения; из биологических —антимикробные вещества, биостимуляторы [2].

3.1         Физические факторы

Влажность. В клетках микроорганизмов одни сложные вещества разлагаются, другие образуются из более простых соединений в результате множества биохимических процессов. Все эти реакции могут осуществляться только в воде. В среде, лишенной воды, прекращается питание, так как в сухом виде питательные вещества не могут транспортироваться в клетку. Микроорганизмы характеризуются различной чувствительностью к недостатку воды. Микроорганизмы в высушенном состоянии остаются бездеятельными, так как при отсутствии воды у них прекращаются или предельно замедляются все процессы метаболизма — происходит торможение жизнедеятельности, наступает так называемое состояние анабиоза. При последующем увлажнении таких микроорганизмов все функции жизнедеятельности восстанавливаются. На практике высушиванием пользуются для сохранения производственных и коллекционных культур микроорганизмов, а также многих промышленных биопрепаратов.

Осмотическое давление. Большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеет осмотическое давление среды, которое определяется концентрацией растворенных в ней веществ. При высоких концентрациях веществ в среде создается высокое осмотическое давление, которое может превышать внутриклеточное. В этих условиях внутриклеточная вода выходит наружу, клетки обезвоживаются, нарушается обмен с внешней средой и начинается их плазмолиз.

Большинство бактерий, благодаря наличию ригидной клеточной стенки и регуляторным функциям цитоплазматической мембраны, мало чувствительны к изменениям концентрации солей в пределах от 0,5 I до 3%. Однако имеются микроорганизмы, которые нормально развиваются при высоком осмотическом давлении. Некоторые бактерии способны расти даже в насыщенном растворе хлорида натрия. Такие микроорганизмы называют осмофильными.

Гидростатическое давление. Микроорганизмы не одинаково чувствительны к гидростатическому давлению. Встречаются бактерии, которые выдерживают огромное давление до 100...140 МПа, а есть виды, сохраняющие жизнеспособность в глубоком вакууме.

В большинстве случаев микроорганизмы как в природе, так и в искусственных условиях, находятся при нормальном атмосферном давлении.

Температура. Большой интерес представляет отношение микроорганизмов к температуре окружающей среды, так как она определяет не только интенсивность развития того или иного организма, но и саму возможность его существования.

Жизнедеятельность каждого организма имеет определенные температурные границы. В зависимости от отношения к температуре все микроорганизмы делятся на три основные группы: психрофилы, мезофиты и термофилы. Температурный оптимум психрофилов находится в пределах 15...20°С, мезофилов 25...37°С, термофилов 50...60°С. Для большинства известных микроорганизмов максимальная температура, при которой они могут существовать, не превышает 50°С.

На губительном влиянии высоких температур основаны приемы уничтожения микробов — пастеризация и стерилизация. Пастеризация (по имени Луи Пастера) заключается в нагревании жидкости, содержащей микроорганизмы, до 60.. .90°С в течение нескольких минут, в результате чего погибают вегетативные клетки, но остаются жизнеспособные споры. При стерилизации происходит полное уничтожение всех жизнеспособных клеток и их спор.

Отрицательное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов оказывает и низкая температура. Низкая температура чаще всего вызывает бактериостатический эффект, проявляющийся в прекращении роста и размножения бактерий.

Свет. На развитие микроорганизмов оказывают влияние солнечный свет и другие формы лучистой энергии. Видимый свет (длина волны 300... 1000 нм) оказывает благоприятное действие на развитие только небольшой группы микроорганизмов. К ним относятся бактерии, которые содержат хлорофилл и используют световую энергию для фотосинтеза. Все остальные бактерии лучше развиваются в полной темноте.

Наибольшим действием на микроорганизмы обладают невидимые коротковолновые ультрафиолетовые лучи (длины волны 10.. .300 нм). Действие их может быть либо летальным (смертельным), либо мутагенным, т. е. вызывающим наследственные изменения.

Ионизирующая радиация (длина волны менее 10 нм) как и ультрафиолетовые лучи вызывает либо летальный, либо мутагенный эффект. Однако есть микроорганизмы, которые выдерживают высокие дозы ультрафиолетового и ионизирующего излучения. Некоторые из них выделены из атомных реакторов [4].

3.2 Химические факторы

Реакция среды. Большое влияние на развитие микроорганизмов оказывает такой химический фактор, как кислотность или щелочность среды, который характеризуется концентрацией водородных или гидроксидных ионов, образующихся при электролитической диссоциации ряда соединений в водном растворе.

Химические реакции, связанные с биологическими процессами, часто оказываются крайне чувствительными к концентрации ионов водорода в среде, выражаемой водородным показателем, который обозначается через рН (десятичный логарифм концентрации ионов Н+, взятый с обратным знаком).

Каждый штамм микроорганизмов имеет свою оптимальную зону рН, в пределах которой он может развиваться. Бактериальные микроорганизмы хорошо развиваются в нейтральной среде, т. е. при рН от 6,5 до 7,5. У мицелиальных и одноклеточных грибов и некоторых видов дрожжей оптимум рН находится в кислой зоне — от 4 до 6. Реакция среды оказывает влияние на жизнедеятельность клеток, на образование и активность ферментов. Существенна роль рН в механизме поступления питательных веществ в клетку.

Кислород. Микроорганизмы различаются по потребности в кислороде. Еще Пастер заметил, что одни микроорганизмы нуждаются в постоянном притоке кислорода, другие могут жить при полном его отсутствии. Микроорганизмы, развитие которых зависит от присутствия кислорода, называются аэробами, развивающиеся же независимо от присутствия кислорода — анаэробами. Однако среди микроорганизмов имеются и такие, которые способны расти как при наличии, так и при отсутствии кислорода.

Микроорганизмы по отношению к кислороду делят на четыре группы: облигатные (обязательные) аэробы, облигатные анаэробы, факультативные (необязательные) анаэробы, микроаэрофилы.

Облигатные аэробы развиваются только за счет энергии, получаемой при окислении веществ кислородом. Поэтому их жизнь полностью зависит от наличия кислорода. Облигатные анаэробы в окислительных реакциях в качестве акцепторов водорода используют нитраты, сульфаты или другие окисленные соединения. Факультативные анаэробы могут жить как при наличии, так и при отсутствии кислорода. Микроаэрофилы составляют группу микроорганизмов, которые развиваются при низких концентрациях кислорода.

Многие из облигатных анаэробов не выносят присутствия даже незначительных количеств молекулярного кислорода в среде и быстро погибают. Такие микроорганизмы называют строгими анаэробами (.Bacteroides, Fusobacterium, Methanobacterium). Есть среди них виды, умеренно илидостаточно высокотолерантные к кислороду (например, маслянокислые бактерии Clostridium tetani, С. perfringes, С. acetobutilicum).

3.3 Антимикробные вещества

Многие вещества химической и биологической природы даже в минимальных концентрациях оказывают на микроорганизмы отрицательное действие. Их назвали антимикробными веществами. К ним относятся вещества как неорганической (соли ртути, серебра, свинца), так и органической природы (этиловый спирт, фенол, формальдегид).

Наиболее специфичными антимикробными веществами являются антибиотики, которые даже в небольших концентрациях угнетают рост и активность микробов. Проникая внутрь клетки, эти вещества нарушают ее физиологическую деятельность в результате взаимодействия с белками цитоплазмы и цитоплазматической мембраны, растворения липидов и т. д.

Некоторые антимикробные вещества получили широкое практическое применение для подавления роста патогенных (болезнетворных) микробов. Они называются дезинфицирующими веществами [4].

3.4 Влияние замораживания на клетку микроорганизмов

Как известно, охлаждение живых организмов до низких температур далеко не всегда приводит к их гибели. Проблема биологического действия низких температур с давних пор привлекает к себе внимание человечества. К одним из первых относятся наблюдения голландского натуралиста А. Ван Левенгука. Замораживая под микроскопом каплю воды, он заметил, что находящиеся в ней бактерии сохраняли свою активность до тех пор, пока вся вода не превращалась в лед; после оттаивания некоторые из этих бактерий восстанавливали жизнедеятельность.

Английский ученый Роберт Бойль установил, что низкие температуры предотвращают гниение умершего организма. После кратковременного замораживания некоторые животные восстанавливали свою физиологическую активность. Длительное воздействие замораживания всегда оказывалось смертельным.

Все это позволило сделать вывод о том, что низкие температуры не только губительно действуют на живые организмы, но и обратимо затормаживают жизненные процессы.

Воздействие низких температур вызывает различные повреждения клеток микроорганизмов, в том числе летальные. Общего объяснения причин гибели клеток при замораживании до сих пор не найдено в силу недостаточно полного изучения этого вопроса. Кроме того, при различных условиях замораживания могут иметь место различные механизмы повреждения клеток.

В настоящее время существует несколько гипотез возможного механизма повреждений клеток при замораживании:

1. Механическое повреждение клеток, вызванное образованием льда. При медленном охлаждении лед образуется снаружи клеток (внеклеточный лед), что приводит к осмотическому обезвоживанию (дегидратации) и сморщиванию клеток. При более быстром охлаждении начинает образовываться внутриклеточный лед: чем быстрее падает температура, тем больше его количество и мельче кристаллы. Чем крупнее образующиеся кристаллы льда, тем большие повреждения может получить клетка. При сверхвысоких скоростях охлаждения (например, при погружении в жидкий азот) образуется аморфный лед. Аморфная структура внутриклеточного льда повреждает клетки в минимальной степени. Это объясняет резкое увеличение выживаемости клеток при замораживании жидким азотом.

2. Воздействие на клетки микроорганизмов возрастающей концентрации растворенных веществ при вымерзании воды из раствора. Когда раствор становится гипертоническим по отношению к клетке, на нее воздействует осмотический стресс, изменение кислотности, вязкости и других свойств среды.

Наиболее повреждаемой является область температур -10...-40 °С, в которой проявляются оба указанных механизма повреждения клеток.