Жизнедеятельность микроогранизмов

3. Повреждения цитоплазматической мембраны:

а)              увеличение проницаемости мембраны, связанное с нарушением работы ионных насосов, расположенных в мембране (холодовой шок). В результате выхода из клетки различных веществ нарушается ионный баланс, что также может привести к гибели;

б)              нарушение целостности мембраны, что связано с изменениями мембранных липидов при их кристаллизации. Такие нарушения целостности мембраны могут сопровождаться выходом из клетки орга- нелл и цитоплазмы.

Более устойчивыми к замораживанию являются мембраны с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот в составе липидов, имеющих более высокую температуру замораживания.

4. Нарушение метаболизма микроорганизмов, связанное с утратой у определенного числа клеток способности усваивать некоторые питательные вещества из обычных для них источников.

Факторы, влияющие на выживаемость клеток при действии низких температур. Как известно, охлаждение живых организмов до низких температур далеко не всегда приводит к их гибели. При этом отличительной особенностью микроорганизмов является способность к выживанию при низкотемпературном замораживании. Значительное превышение суммарной площади поверхности клеток микроорганизмов по сравнению с их объемом позволяет клеткам быстро терять воду при замораживании и, таким образом, противостоять разрушающему воздействию внутриклеточного льда, образующегося при замерзании.

Выделяют следующие факторы, влияющие на выживаемость клеток микроорганизмов при воздействии на них низких температур: вид микроорганизма; возрасти плотность популяции; условия культивирования клеток до замораживания; скорость замораживания и размораживания; продолжительность низкотемпературного воздействия и др.

Вид микроорганизма. В зависимости от реакции на отрицательные температуры микроорганизмы бывают чувствительными, умеренно устойчивыми и нечувствительными. Особенно чувствительны к низким температурам вегетативные клетки мицелиальных грибов и дрожжей. При отрицательной температуре легко погибают грамотрицательные бактерии (в том числе E.coli), бактерии группы Pseudomonas и сальмонеллы. Более устойчивы к низким температурам грамположительные микроорганизмы, особенно почвенные бактерии, приспособленные к перенесению низких температур в естественных условиях обитания. Это споровые формы, индифферентные к замораживанию. Споры бацилл и клостридий не чувствительны к низким температурам, тогда как споры мицелиальных грибов проявляют умеренную устойчивость.

Фаза роста культуры. Наиболее существенно температура влияет на продолжительность лаг-фазы и характер логарифмической фазы роста микроорганизмов. Чем ниже температура, тем продолжительнее лаг-фаза и более пологи участки логарифмической фазы роста. В логарифмической фазе роста популяции микроорганизмов представлены главным образом молодыми клетками, которые более чувствительны к действию различных неблагоприятных для их развития факторов, чем зрелые и покоящиеся. Длительность лаг-фазы зависит от температуры, при которой микроорганизмы находились до этого. Если ранее микроорганизмы развивались при повышенных температурах, то в условиях пониженных температур лаг-фаза удлиняется даже у психрофилов. Если бактерии размножались при низких температурах и находились в активном состоянии, то быстро наступает логарифмическая фаза роста. Микроорганизмы, развиваюшиеся при низких температурах, попадая в условия с более высокой температурой, сразу переходят в логарифмическую фазу.

Скорость охлаждения является одним из наиболее исследованных факторов, поскольку она определяет процесс образования льда в системе и размеры образующихся кристаллов лада.

На первой стадии замораживания клетки подвергаются в основном воздействию холодового шока. При этом в наибольшей степени повреждаются клетки, находящиеся в логарифмической фазе роста, поскольку они более чувствительны к охлаждению.

При быстром замораживании в результате нарушения клеточной проницаемости наблюдается выход из клеток аминокислот, калия, нуклеиновых кислот, а также белков. Быстрое замораживание можно определить как минимальное охлаждение, не позволяющее клеткам заметно сморщиваться. Быстрозамороженные клетки обычно не сморщены, а образуемые кристаллы льда значительно меньше по величине, что уменьшает повреждаемость клеток. При размораживании большинство клеток погибает. При очень медленном охлаждении излишнее пребывание клеток в условиях, заставляющих их сморщиваться, также может повредить их.

Оптимальная скорость охлаждения — это скорость, при которой структура внутриклеточного льда близка к аморфной, что приводит к уменьшению повреждаемости клеток и, соответственно, к возрастанию их выживаемости в этой области. Для большинства бактерий оптимальная скорость охлаждения составляет 5—40°С/мин.

Состав среды замораживания может способствовать сохранению микроорганизмов при охлаждении, хранении и размораживании. Кроме того, введение определенных веществ в состав среды облегчает восстановительные процессы в культуре после размораживания.

Вещества, повышающие жизнеспособность клеток в среде, называются криопротекторами. Вероятно, основными способами защиты микроорганизмов являются те, которые оказывают противодействие влиянию избыточного содержания солей или создают более благоприятный режим кристаллизации льда. Криопротекторы должны быть нетоксичными, способными легко проникать через клеточную мембрану и быть растворителями для электролитов. Все эти вещества содержат группы -ОН, -NH, -О, способны участвовать в образовании водородных связей и, прочно связываясь с водой, препятствовать ее замерзанию при 0 °С. К таким веществам можно отнести сахара, некоторые аминокислоты и спирты.

Криопротекторы делятся на два класса: низкомолекулярные, способные проникать в клетку, и высокомолекулярные, оказывающие защитное действие извне.

Большинство криопротекторов проявляет свои защитные свойства лишь при медленном охлаждении, в то время как при высокойскорости охлаждения могут оказаться токсичными для клеток (например, этанол, метанол).

Продолжительность хранения. Выживаемость микроорганизмов в значительной степени зависит от времени пребывания клеток при низких температурах. В процессе отмирания микроорганизмов под влияниемнизких температур число клеток сначала быстро уменьшается, затем следует замедленное разрушения микроорганизмов, и, наконец, остается некоторое число устойчивых к низким температурам клеток, количество которых зависит от условий замораживания и индивидуальной устойчивостью вида. Так, многие бактерии способны сохранять активность при хранении в замороженном виде в течение 3—12 месяцев и более. С увеличением времени пребывания микроорганизмов при низких температурах процент гибели клеток увеличивается по сравнению с их первоначальными значениями.

Условия размораживания (дефростации). Оптимальные температуры размораживания для бактерий колеблются в широком диапазоне: от 5 до 40 °С. Оптимальная температура размораживания во многом зависит от вида и штамма микроорганизмов.

Охлаждение и замораживание пищевых продуктов. Потерю качества и порчу продуктов вызывают главным образом микроорганизмы: мицелиальные грибы, дрожжи, бактерии, находящиеся в воздухе, воде и почве, а также ферменты.

Однако еще задолго до того, как люди узнали причины порчи продуктов, они уже нашли надежные пути их сохранения. Один из таких путей - замораживание. С древнейших времен люди, жившие в странах с холодным климатом, замечали, что их пища зимой сохраняется в свежем виде дольше, чем летом. Во времена Римской империи лед и снег считались столь важными для хозяйства, что их доставляли с Альпийских гор и укладывали в солому или шерстяные одеяла, а затем помещали в пещеры, чтобы сохранить все лето. В основном лед и снег предназначались для охлаждения вина, но их также использовали и для сохранения пищи в свежем виде. И сейчас во многих странах заранее запасаются льдом на лето.

Холод является самым распространенным и надежным способом консервирования, так как позволяет практически полностью сохранить все первоначальные свойства продукта. Хранение продуктов при низких температурах значительно снижает активность ферментов и микробиологических процессов, что делает возможным хранение продуктов в течение длительного времени.Для роста и развития микроорганизмов оптимальными являются температура 25-40 "С и рН среды 6,8-7,4. Чем ниже температура хранения, тем труднее развиваться микроорганизмам. Однако развитие микроорганизмов при температурах выше — 10°С возможно, и биохимические процессы, как бы они ни были замедлены, могут привести к снижению качества продукта и в конечном счете — к порче. Так, при длительном хранении мяса при температуре до -8 °С могут развиваться некоторые виды плесени. Этим объясняется переход к более низким температурам хранения (-18...—20°С), полностью исключающим возможность развития микроорганизмов. При замораживании вода переходит в лед, и микроорганизмы лишаются питательной среды, в результате чего 90-99 % из них погибают. После размораживания выжившие микроорганизмы восстанавливают свою активность. Жизнеспособность ферментов при замораживании замедляется, но полностью не утрачивается, поэтому пищевые продукты в морозильных камерах все же постепенно портятся.

Обработка холодом. Охлаждение и замораживание пищевых продуктов называют обработкой холодом. Если в центре продукта температура равна 0...+4°С, продукт считается охлажденным, если же в центре продукта температура равна —8 °С и ниже — замороженным.

Различают три вида хранения пищевых продуктов:

1. кратковременное хранение охлажденных продуктов на торговых предприятиях;

2. хранение охлажденных продуктов в холодильниках;

3. длительное низкотемпературное хранение замороженных пищевых продуктов.

В первых двух случаях продукты хранятся при температурах выше температуры замерзания, а при низкотемпературном хранении продукт замораживается и хранится обычно при температуре — 18. ..-20 0С. Некоторые продукты, например, жирную рыбу, хранят при более низкой температуре (—25...—30°С).

Размораживание замороженных или охлажденных продуктов быстро приводит к их порче за счет развития способных к росту клеток и спор микроорганизмов. Поэтому выбор температуры хранения зависит от типа продукта и длительности его хранения. Чем ближе температура хранения к точке начала замерзания, тем сильнее замедляется развитие микроорганизмов.

Размораживание. Процесс размораживания можно разделить на три периода:период нагревания продукта от температуры в морозильной камере до температуры плавления кристаллов льда в материале;

1. период перехода кристаллов льда в продукте в жидкое состояние (т.е. период собственно размораживания);

2. период нагревания продукта до температуры потребления.

При размораживании сконденсированная на поверхности продуктов влага является благоприятной средой для развития микроорганизмов, вызывающих порчу продуктов. Поэтому размораживание должно быть либо возможно коротким, либо выполняться в плюсовой камере [3].

Заключение

Микроорганизмы населяют всю биосферу, едва ли можно найти такие ее участки, где была бы жизнь, но не было бы бактерий. Вместе с тем в условиях, которые определяются как экстремальные, нередко обитают только бактерии, например, пери экстремальных значениях температуры, солености, рН. Огромному разнообразию условий, представляемых биосферой бактериям, соответствует разнообразие их свойств и адаптаций. Обладая огромной численностью популяций и выработанными эволюцией механизмами изменчивости и диффузии генетических детерминаций, большинство бактериальных видов находится в состоянии постоянного адаптационного движения в соответствии с постоянно изменяющимися условиями среды, будь то организмы или элементы неживой природы.

Не смотря на относительную простоту организации бактериальной клетки и ее незначительный объем, она обладает весьма сложными и совершенными механизмами молекулярных адаптаций, существование которых еще относительно недавно нельзя было даже предположить.

Важным фактором эволюции микроорганизмов сейчас становится бурное развитие биотехнологий и генной инженерии. Исследование экологии промышленно важных микроорганизмов в условиях производств становится насущной необходимостью [1].

Список литературы

1. Голубев В.Н., Жиганов В.Н. Пищевая биотехнология. - М.: ДеЛи принт, 2001. - 123 с.

2. Гореликова Г.А. Основы современной пищевой биотехнологии: учебное пособие. - Кемерово, 2004. - 100с.

3. Никитина Е.В., Киямова С.Н., Решетник О.А. Микробиология: Учебник. - Спб.: ГИОРД, 2008. - 368 с.: ил.

4. Яковлев В.И. Биотехнология микробного синтеза: Учебное пособие. - Спб.: СпбГТИ(ТУ), 2005. - 294с.