Определяющим фактором развития микроорганизмов является химический состав среды. Различные химические вещества, находящиеся в среде, служат питательным материалом, а также определяют реакцию среды, её окислительно-восстановительный потенциал. Среди химических веществ среды могут быть, наконец, и ядовитые вещества, убивающие микроорганизмы.
Реакция среды
Реакция среды (кислая, нейтральная или щелочная) определяется концентрацией водородных и гидроксильных ионов и выражается обычно через pH (отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов в граммах на литр, взятый с обратным знаком). В зависимости от реакции среды изменяется электрический заряд поверхности клетки, от чего зависит проницаемость клеток для отдельных ионов.
От величины pH зависит и активность отдельных ферментов, что влияет на характер биохимического процесса. Так, например, дрожжи в кислой среде образуют в основном этиловый спирт и небольшие количества глицерина. В щелочной среде они образуют большое количество глицерина, тогда как выход спирта значительно снижается.
Развитие каждого микроорганизма возможно только в строго определённых пределах pH среды.
Грибы и дрожжи предпочитают кислую реакцию среды, а бактерии — нейтральную или слабощелочную. К более широкому диапазону pH приспособлены плесени (1,2—11,0) Отдельные виды бактерий приспособились, однако, переносить значительные концентрации кислот. Их называют ацидофилами. Сюда относятся бактерии, вырабатывающие уксусную и молочную кислоты. Для некоторых бактерий кислая среда губительна. Особенно чувствительны к кислой среде гнилостные бактерии, причём вегетативные клетки значительно менее устойчивы, чем споры.
На чувствительности гнилостных бактерий к кислой реакции основаны методы консервирования пищевых продуктов путём маринования и квашения. При мариновании кислую реакцию создают при помощи уксусной кислоты. При квашении кислая реакция создаётся в результате деятельности молочнокислых бактерий, образующих молочную кислоту.
Однако и маринованные, и квашенные продукты следует хранить в герметически укупоренном виде, иначе кислоты разлагаются плесенями и дикими дрожжами, в результате чего создаются условия для развития гнилостных бактерий.
Некоторые микроорганизмы способны регулировать реакцию среды, вырабатывая вещества, которые создают необходимую величину pH. Так, например, дрожжи требуют кислой реакции среды. Если же реакция среды будет нейтральная, то дрожжи вырабатывают уксусную кислоту, снижающую величину pH до соответствующего уровня, после чего начинается нормальный процесс спиртового брожения.
Окислительно-восстановительные условия среды
По современным взглядам аэробный и анаэробный типы дыхания определяются не только наличием или отсутствием свободного кислорода, но и общими окислительно-восстановительными условиями среды, зависящими от соотношения в ней окислительных и восстановительных веществ. Окислительно-восстановительные условия выражаются символом rН2 (отрицательный десятичный логарифм величины давления молекулярного водорода в растворе в атмосферах, взятый с обратным знаком). Численное выражение гН2 получается из уравнения:
где Е — окислительно-восстановительная способность любой системы по отношению к водородному электроду, т. е. разность потенциалов этих систем, выраженная в вольтах.
При равновесии окислительных и восстановительных процессов в среде rН2 = 28. Значения ниже 28 указывают на восстановительные свойства среды, а выше 28 — на окислительную способность среды.
Изучение зависимости жизнедеятельности бактерий от rН2 среды показало, что значения rН2, в пределах которых возможны процессы развития, лежат для анаэробных бактерии в границах 0—14, для факультативно-анаэробных 0—20 н для аэробных 14—35.
Снижая окислительно-восстановительный потенциал, можно заставить анаэробов развиваться в аэробных условиях и, наоборот, повышая потенциал, можно культивировать аэробов в анаэробных условиях. Так, например, уксуснокислое брожение может протекать в отсутствии кислорода воздуха при высоком окислительно-восстановительном потенциале.
В зависимости от окислительно-восстановительного потенциала один и тот же микроорганизм способен вырабатывать разные продукты. Например, Aspergillus niger при rН2 выше 15 вырабатывает воду и углекислый газ, а при rН; ниже 15 — лимонную кислоту. При rН2=12—13 он, кроме лимонной кислоты, вырабатывает еще щавелевую и гликолевую кислоты и этиловый спирт. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы изменяют окислительно-восстановительные условия среды своими продуктами обмена веществ.
Ядовитые вещества
Развитие микроорганизмов всегда происходит в присутствии сложной смеси различных минеральных и органических веществ. Одни из них являются материалом для дыхания и питания, другие — стимуляторами, третьи — ядами. Например, при развитии в виноградном сусле дрожжей сахар служит для них источником энергии (брожение), калий и магний идут на построение клетки, сернистая кислота является ядом.
Ядовитость тех или иных веществ для микроорганизмов основана на необратимых реакциях между этими веществами и протоплазмой, в результате чего нарушается коллоидальное состояние последней. Соли тяжёлых металлов, спирты и фенолы вызывают свёртывание белков. Кислоты и щёлочи вызывают гидролитическое расщепление белков. Сильные окислители окисляют белок. Альдегиды образуют с белками прочные соединения. В результате всех этих необратимых процессов наступает смерть микроорганизма. Бактерицидное действие ядовитых веществ зависит от их концентрации, продолжительности воздействия, а также от внешних факторов — температуры, химического состава среды и её реакции.
В очень малых дозах многие ядовитые вещества являются активаторами, усиливая размножение и жизнедеятельность микроорганизмов. С увеличением дозы ядовитость вещества возрастает.
Из неорганических веществ сильными ядами являются соли тяжёлых металлов, особенно ртути, серебра (сулема, ляпис). Ядовитое действие этих веществ сказывается уже при незначительной концентрации — 1:100000. Концентрация в 1:1000 убивает бактерии в течение нескольких минут. Губительное действие ионов тяжёлых металлов сказывается даже при ничтожном их количестве, не поддающемся определению. Так, например, известно, что в воде, находящейся в контакте с серебряной пластинкой, микроорганизмы погибают, хотя не удаётся обнаружить даже следов растворившегося металла. Это специфическое действие называется олигодинамическим (от греческих слов oligos — малый и dynamis — сила).
Использование олигодинамического свойства серебра для дезинфекции питьевой воды не оказалось эффективным. Однако препараты серебра находят применение в медицине, а посеребренные предметы — в технике (например, посеребренные сетки обеспложивающих фильтров).
Бактерицидным действием обладают многие окислители — марганцево-кислый калий, озон, хлор, перекись водорода, йод. Хлор и озон используются для дезинфекции питьевой воды, остальные — в медицине и технологии. Так, например, препараты, содержащие хлор, применяются в виноделии для обеззараживания бочек (антиформин).
Из минеральных кислот ядовитыми для микробов являются сернистая, борная, фтористоводородная кислоты. Ядовитым действием обладают также окись углерода, углекислый газ, сернистый ангидрид, сероводород, соединения циана и родана. Ядовитость сероводорода, окиси углерода, цианистых и роданистых соединений весьма велика. Они легко связывают металлы (железо, медь и др.), входящие в состав окислительных ферментов, и этим инактивируют дыхательные ферменты, прекращая жизнедеятельность клетки.
Сернистый газ и соли сернистой кислоты, кроме влияния на окислительные процессы, могут вступать во взаимодействие с карбонильными группами некоторых соединений (например, с альдегидными группами у гидролитических ферментов), нарушая этим их работу.
Углекислый газ в небольших количествах (но значительно больших, чем в атмосфере) необходим для нормального развития микроорганизмов, являясь, по-видимому, фактором роста. При концентрациях углекислого газа около 20%, по данным В. С. Загорянского, интенсивность развития плесеней — возбудителей порчи пищевых продуктов — снижается на 50—80%. При концентрации СО2 около 50% роста плесеней не наблюдалось.
Опыты Ф. М. Чистякова показали, что угнетающее действие углекислого газа на гнилостные бактерии сказывается только при его концентрации около 50% и что большинство бактерий совершенно не растёт в атмосфере углекислого газа. Опытами Я. Я. Никитинского и его учеников, а также и других исследователей установлено, что углекислый газ может быть использован для хранения скоропортящихся продуктов, особенно в сочетании с охлаждением.
Из органических веществ сильными ядами являются фенол (карболовая кислота), формалин, спирты (этиловый, пропиловый, бутиловый, амиловый). Природа их действия заключается в том, что они легко проникают в протоплазму, вызывают отравление и тем самым нарушают её нормальную работу. Ароматическое соединение — фенол — широко используется в микробиологической практике. Вегетативные клетки бактерий гибнут от 3—5% раствора фенола. Большая ядовитость формалина (40% формальдегида) объясняется тем, что он вступает во взаимодействие с аминными группами аминокислот, нарушая физиологическую деятельность клетки.
Бактерицидным действием обладают некоторые органические кислоты — уксусная, масляная, бензойная, салициловая, а также эфирные масла, смолы, дубильные вещества, фитонциды. Фенолы, образующиеся при неполном сгорании органических веществ, содержащиеся в дыме, придают копчёным продуктам стойкость против микробов.
Значительной ядовитостью обладают и продукты жизнедеятельности самих микробов. Губительное действие этих продуктов может сказываться как на те микробы, которые их вырабатывают, так и на другие. Так, например, спирт, вырабатываемый винными дрожжами, не только тормозит развитие последних, но препятствует и развитию ряда других микробов (уксуснокислых бактерий, плесеней и пр.), при этом даже в более сильной степени, чем для дрожжей. Молочнокислые бактерии погибают при определённой концентрации молочной кислоты и т. д.
Некоторые вещества, например вырабатываемый плесенью пенициллин, являются ядовитыми для ряда других микробов.
Однако микроорганизмы могут адаптироваться (приспосабливаться) к тому или иному ядовитому веществу. Так, дрожжи выдерживают значительные концентрации сернистого ангидрида и сернистой кислоты, тогда как большинство других микробов, находящихся в виноградном сусле, не обладает этим свойством, которое выработалось у дрожжей постепенно. На этом и основана сульфитация сусел перед сбраживанием. Путём селекции эта устойчивость микроорганизмов к ядовитым веществам может быть еще более увеличена (см. § 5).
Ядовитые вещества, применяемые для уничтожения микробов, называются антисептиками, или дезинфектантами, а химический способ уничтожения микроорганизмов называется дезинфекцией. Антисептики используются в медицине и ветеринарии для борьбы с болезнетворными микробами. Они добавляются также в клей, масляные краски (соли меди и цинка, салициловая и борная кислота), чтобы предотвратить развитие микроорганизмов. Ими пропитывается древесина, рыболовные сети, брезент (соли меди, цинка, соединения фтора и пр.). Для консервирования пищевых продуктов допускаются только слабодействующие вещества и в малых дозах. Их называют консервантами.
Все консерванты могут быть разделены на три группы:
- Безвредные (пищевые) консерванты — сахар, соль.
- Слабодействующие консерванты: бура, уротропин, бензойная, салициловая, уксусная, сорбиновая кислоты, соли салициловой и бензойной кислот.
В ряде стран применение салициловой кислоты как консерванта пищевых продуктов не разрешается.
- Летучие консерванты — сернистый ангидрид и сернистая кислота, которые могут быть легко удалены из продукта.
Бензойная кислота в количестве 0,05% и бензойнокислый натрий 0,1% применяются для консервирования мяса, молока, икры, яблочного пюре. Уротропин в концентрации 0,1% идёт для консервирования икры. Сернистая кислота и её соли широко применяются для консервирования фруктовых соков, свежих плодов, ягод и овощей, а также в виноделии. На действии антисептиков основано копчение мясных и рыбных продуктов, которые пропитываются летучими веществами дыма — смолами, фенолами, формальдегидом. Консервирующее действие при этом усиливается подсушиванием продукта с поверхности. Однако копчёные продукты длительное время хранить нельзя, т. к. консервирующие вещества дыма плохо проникают в глубь продукта, обеззараживая его только с поверхности.
