ГЛАВА IV
ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ И ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА РАЗВИТИЕ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ
Единство организма и среды является общим биологическим законом. Развитие и жизнедеятельность микроорганизмов определяются поэтому, с одной стороны, внутренними их особенностями, а с другой стороны, условиями внешней среды. Чем благоприятнее условия жизни, тем интенсивнее идёт развитие, тем выше темп жизнедеятельности микроорганизма. Развиваясь в определённых условиях среды, микроорганизмы приспосабливаются к ним. Этим объясняется тот факт, что каждая среда характеризуется определённым комплексом микроорганизмов, образующих её микрофлору. Изменяя условия среды, мы можем способствовать или препятствовать развитию микроорганизмов, для чего нам надо изучить взаимодействие микроорганизмов с условиями внешней среды.
По отношению к каждому фактору можно выделить три кардинальные точки, определяющие развитие микроорганизмов — минимум, при котором жизнедеятельность их только начинается, максимум, при котором она уже прекращается, и оптимум, заключенный между первыми двумя точками (примерно посередине), при котором жизнедеятельность микроорганизмов проявляется с наибольшей интенсивностью.
Факторы внешней среды, влияющие на развитие микроорганизмов, делятся на три группы:
- Физические факторы. Сюда относятся: влажность среды, концентрация растворённых веществ, температура, лучистая энергия, давление и механические сотрясения.
- Химические факторы, т. е. химический состав и реакция среды, окислительно-восстановительные условия среды, присутствие ядовитых веществ (антисептиков).
- Биологические факторы — взаимодействие микроорганизмов с другими организмами.
ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
Влияние влажности
Все микроорганизмы нуждаются в воде. Вода входит в состав клеток в количестве 75—85%. С водой поступают в клетку питательные вещества и выделяются вредные продукты обмена веществ. Вода необходима для поддержания тургора и для химических процессов, происходящих в клетке микроорганизмов. Поэтому развитие последних возможно лишь при наличии определённого количества доступной для них воды. С понижением влажности среды в первую очередь тормозится скорость размножения. Ниже определённого уровня влажности размножение микроорганизмов совсем прекращается.
Минимальная влажность для бактерий 20—30%, а для плесеней — около 15%. Однако кардинальные точки влажности колеблются для каждого вида. Будучи высушенными, микроорганизмы остаются ещё долго живыми, хотя и не проявляют жизнедеятельности. Такое состояние организма называется анабиозом. При анабиозе отсутствуют все видимые проявления жизни. Такая приостановка жизненных процессов наблюдается у ряда организмов при определённых условиях существования — при высокой или низкой температуре окружающей среды, недостатке влаги и пр. Однако при наступлении благоприятных условий у находящихся в состоянии анабиоза организмов восстанавливаются нормальные жизненные процессы. Явление анабиоза при высушивании и охлаждении успешно используется в молочной промышленности (кефирные зёрна), в медицине (изготовление сухих живых вакцин) и т. д.
Особо устойчивы к высушиванию споры бактерий и плесеней, которые могут сохранять свою жизнедеятельность в течение десятков лет. Устойчивость бесспоровых бактерий к высушиванию различная. Уксуснокислые и нитрифицирующие бактерии очень требовательны к влаге и при высушивании быстро отмирают. Паратифозные бактерии могут сохраняться в сухом состоянии до двух месяцев, туберкулёзные — до трёх месяцев, а молочнокислые — до десяти лет. На этом и основано применение молочнокислых бактерий в виде сухих заквасок.
На чувствительности микроорганизмов к влаге основано хранение сушёных продуктов. В сухом виде сохраняют муку, крупу, зерно, пищевые концентраты, кондитерские изделия. Высушивание служит способом консервирования пищевых продуктов. Сушат фрукты, овощи, рыбу, мясо, грибы, молоко. Устойчивость сушёных продуктов зависит от относительной влажности воздуха и температуры.
Работой многих учёных установлено, что наименьшая относительная влажность воздуха, при которой возможен рост некоторых плесневых грибов на сушёных продуктах, это 70—75%. При понижении температуры количество водяных паров в воздухе может оказаться выше предела насыщения, и водяные пары могут оседать в виде капелек на продуктах, способствуя развитию микроорганизмов.
Концентрация растворённых веществ в среде
Осмотическое давление в клетке должно всегда несколько превышать осмотическое давление окружающей среды. Если осмотическое давление в среде окажется выше, чем в клетке, то в последней происходит явление плазмолиза, нарушается нормальный обмен веществ, а при длительном и глубоком плазмолизе может наступить гибель микроорганизма.
Некоторые бактерии способны регулировать внутриклеточное осмотическое давление, приспосабливаясь к повышенным внешним давлениям путём накопления минеральных солей или осмотически активных веществ, которые получаются за счёт гидролиза запасных питательных веществ протоплазмы. В результате этого у почвенных бактерий величина внутриклеточного осмотического давления может достигать 50—80 атмосфер, а у плесневых грибов даже до 200 атмосфер.
В природе микроорганизмы живут в растворах с различной концентрацией веществ, а следовательно, и с различным осмотическим давлением. В пресной воде осмотическое давление составляет всего десятые доли атмосферы, в морской воде — около 25 атмосфер, а в солёных озёрах — до 200 атмосфер. В зависимости от осмотического давления среды внутриклеточное осмотическое давление может оказаться различным даже у представителей одного вида микробов. Например, Вас. mycoides, взятого из почв различных районов Советского Союза, внутриклеточное осмотическое давление колеблется от 2 до 16 атмосфер.
Микроорганизмы, способные развиваться в средах с высоким осмотическим давлением, называются осмофильными. Если они приспособлены к высоким концентрациям поваренной соли, их называют галофилами. Сюда относятся микроорганизмы соляных озёр, солёных продуктов. Осмофилы развиваются в высокосахаристых продуктах, таких как мёд, варенье, бекмес (Zygosaccharomyces).
На чувствительности микроорганизмов к повышенным концентрациям веществ в растворах основано консервирование пищевых продуктов при помощи соли и сахара. Различные концентрации поваренной соли по-разному влияют на микроорганизмы. Концентрация в 1—3% тормозит размножение многих микроорганизмов, а при 20—25% размножение вовсе прекращается. Особенно чувствительны к повышенным концентрациям поваренной соли молочнокислые и гнилостные бактерии, развитие которых прекращается при концентрации около 10%. Еще менее устойчивы к этой соли возбудители пищевых отравлений (Вас. botulinus) и паратифозные бактерии, рост которых приостанавливается при 6—9% соли.
Отмирание микроорганизмов вследствие повышенной концентрации вещества в растворе является результатом голодания и может протекать с различной скоростью в зависимости от других факторов, в частности от реакции среды. Так, например, для прекращения развития дрожжей в кислой среде достаточно 14% хлористого натрия, а в нейтральной среде необходимо 20% этой соли. Осмофильные микроорганизмы могут оказаться вредителями, вызывая порчу солёных продуктов и высокосахаристых жидкостей.
Температура среды
Важнейшим фактором, определяющим возможность развития микроорганизмов, является температура. Для каждого микроорганизма различают три кардинальные (главные) точки температуры: минимальную, оптимальную и максимальную. Однако существует возможность некоторого смещения этих точек путём длительного культивирования микроорганизмов в определённых условиях, например при низких температурах. Максимальный предел температуры и оптимальная зона могут варьировать также в зависимости от реакции среды. В кислых средах интервал, в котором возможно развитие, меньше, чем в нейтральных.
По своему отношению к температуре все микроорганизмы делятся на три группы:
1. Психрофилы, или холодолюбивые микроорганизмы, приспособленные к относительно низким температурам. Их минимальная температура — от нуля до минус семи градусов, оптимальная 10°, максимальная 30°. Сюда относятся обитатели северных морей, почвы полярной зоны, ледников. Низкие температуры большинство бактерий переносит настолько легко, что в замороженном виде они сохраняют жизнеспособность долгие годы. Благодаря этому удаётся, например, оживить микрофлору слизистой оболочки хобота мамонта, пролежавшего во льду десятки тысяч лет. Имеются данные по замораживанию даже до —253° (температура жидкого водорода), которое не убивает бактерий. Значительно хуже влияет на жизнеспособность микробов резкая смена температур — замерзание после оттаивания.
- Термофилы, или теплолюбивые микроорганизмы, развивающиеся при относительно высоких температурах. Их минимум 30°, оптимум 50°, максимум 70—80° Термофилы — это обитатели горячих источников и самонагревающихся материалов (сена, зерна, навоза).
- Мезофилы — средние между первыми двумя группами. Их минимум около нуля, оптимум 25—35°, максимум 40—50° Сюда относится большинство грибов, бактерий, дрожжей. Повышение температуры выше максимальной и понижение её ниже минимальной по-разному влияет на микроорганизмы. Высокие температуры оказывают губительное действие, что объясняется свёртыванием белков протоплазмы и нарушением активности ферментов. Скорость отмирания микробов зависит как от температуры, так и от влажности.
Устойчивость микроорганизмов к повышенным температурам очень различна. Бесспоровые бактерии при нагревании до 60—70° отмирают в течение 15—30 минут, а при 80—100°— в течение 0,5—3 минут. Дрожжи и плесени ещё более чувствительны к высоким температурам и погибают довольно быстро при 50—60° Более устойчивыми оказываются споры бактерий, которые выдерживают нагревание при 100° в течение нескольких часов. Споры бактерий погибают во влажной среде при температуре 120° через 20—30 минут, а в сухом состоянии при 160—170° — через 1—2 часа.
Споры дрожжей и плесеней менее устойчивы к нагреванию и погибают при 65—80°. Однако некоторые осмофильные дрожжи, а также споры некоторых плесеней выдерживают нагревание до 100° Высокая устойчивость спор бактерий к нагреванию объясняется, по-видимому, малым содержанием в них свободной воды, т. к. скорость свёртывания белка зависит от наличия в нём воды. Чем больше белок обезвожен, тем выше температура его коагуляции.
На губительном для микробов действии высоких температур основаны пастеризация и стерилизация.
Пастеризацией, или частичной стерилизацией, называется уничтожение вегетативных клеток микробов путём нагревания продукта при температуре ниже 100° Продолжительность нагревания зависит от температуры, вида продукта, ёмкости тары. Пастеризацию проводят при температуре 63—80° в течение 10—30 минут. Иногда нагревание производят до 90— 100° в течение нескольких секунд. При пастеризации споры бактерий, и некоторые термофильные бактерии не погибают. Поэтому пастеризованные продукты следует хранить на холоду, чтобы задержать развитие спор. Преимуществом пастеризации является то, что при температурах ниже 100° не разрушаются некоторые ценные составные части продукта, например витамины. Пастеризацию применяют для сохранения молока, вина, икры, фруктовых и виноградных соков и пр.
Стерилизацией называется полное уничтожение микроорганизмов действием высоких температур. Различают влажную и сухую стерилизацию. Влажную стерилизацию проводят в автоклаве при 100—120° в течение 20—40 минут, а сухую — в сушильном шкафу при 160—170° в течение 1—2 часов.
Иногда проводят дробную стерилизацию путём трёхкратного нагревания продукта последовательно через сутки при температуре около 100° в течение 20 минут. Этот приём называется тиндализацией. Стерилизация применяется в производстве баночных консервов, в медицине, а также в лабораторной практике при изготовлении питательных сред для культур микробов.
В отличие от высоких температур, которые убивают микробов, температуры, лежащие ниже минимальной, не действуют губительно на микроорганизмы, а приводят их в состояние анабиоза, т. е. приостанавливают их жизнедеятельность. Устойчивость микроорганизмов к низким температурам очень разнообразна. Некоторые дрожжи и бактерии способны ещё размножаться при температуре —5°, если в субстрате сохраняется капельножидкая вода.
Плесени Botrytis cinerea и Penicillium glaucum продолжают расти даже при —8°. Однако большинство микроорганизмов не способно развиваться при температуре ниже нуля.
Для грибов температурный минимум лежит между +1 и +5°, а патогенные бактерии не способны развиваться ниже + 10° Некоторые бактерии способны переносить очень низкие температуры. Так, имеются данные, что кишечная и брюшнотифозная палочки выдерживают охлаждение до минус 172— 190° в течение нескольких дней. Ещё более устойчивы споры бактерий, которые сохраняют свою жизнеспособность после десятичасового охлаждения при минус 252° Некоторые плесени и дрожжи остаются живыми после охлаждения до минус 190° в течение нескольких дней.
На прекращении жизнедеятельности микроорганизмов при низких температурах основано холодное хранение скоропортящихся продуктов — мяса, рыбы и пр. Различают два способа холодного хранения продуктов: в охлаждённом состоянии при температуре от плюс 10 до минус 2 и в замороженном виде — при минус 15—25°.
Лучистая энергия
Различными видами лучистой энергии являются — видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи, радиоактивные излучения. Свет необходим только фотосинтезирующим микроорганизмам и некоторым плесеням в период спорообразования. Все остальные микроорганизмы в свете не нуждаются. Рассеянный свет тормозит развитие микроорганизмов, а прямой солнечный свет убивает их. Особенно чувствительны к действию света патогенные бактерии. Об этом свидетельствует народная поговорка: «Куда не заглядывает солнце, туда часто заглядывает врач». Губительное действие света является, по-видимому, следствием окислительных процессов, вызываемых светом в протоплазме клеток.
Наиболее активными лучами солнечного спектра являются ультрафиолетовые. Они обусловливают в первую очередь бактерицидное действие света. Ультрафиолетовые лучи вызывают коагуляцию белков, инактивацию ферментов, разрушают клетки растений и животных. Бактерицидное действие этих лучей связано также с их воздействием на субстрат. Эффективность облучения ультрафиолетовыми лучами определяется их дозой, зависящей от мощности источника лучей, oт расстояния до него и от продолжительности облучения.
Из всех микроорганизмов наименее устойчивы к ультрафиолетовым лучам бактерии. Устойчивость спор бактерий при этом в 4—5 раз больше, чем вегетативных клеток. Споры плесеней также устойчивее, чем мицелий. Ультрафиолетовые лучи применяются теперь для дезинфекции воздуха холодильников, лечебных и производственных помещений. На винодельческих предприятиях эти лучи должны будут, видимо, скоро заменить окуривание серой, разрушающее железные предметы. Ультрафиолетовые лучи используются также для дезинфекции питьевой воды. Их можно применять и для стерилизации пищевых продуктов. Недостатком этих лучей является то, что они плохо проникают в толщу продукта, обеззараживая его только на поверхности, а также ухудшают качество некоторых продуктов. Ультрафиолетовое облучение в сочетании с охлаждением является хорошим средством для удлинения сроков хранения скоропортящихся продуктов.
Лучи Рентгена обладают очень малой длиной волны и высокой проницающей способностью. В очень малых дозах они являются активаторами, повышая интенсивность жизненных процессов. С увеличением дозы облучения проявляется угнетающее действие; дальнейшее повышение дозы приводит к гибели микроорганизмов. Устойчивость микроорганизмов к рентгеновским лучам разная. Так, грибы и дрожжи более устойчивы, чем бактерии. В общем устойчивость микробов к этим лучам большая, чем у высших организмов.
Радиоактивные излучения
Радиоактивный распад сопровождается выделением трёх видов лучей — альфа, бета и гамма. Более активными являются альфа- и бета-лучи, тогда как гамма-лучи почти не оказывают никакого действия на микробов. Как и рентгеновские лучи, радиоактивные излучения в небольших дозах являются активаторами. Увеличение дозы тормозит размножение микроорганизмов, но рост их продолжается. В результате этого у дрожжей вырастают гигантские клетки, в несколько раз превышающие нормальный размер. В больших дозах радиоактивные излучения смертельны для микроорганизмов. Однако по сравнению с высшими организмами микробы в сотни и тысячи раз устойчивее к радиоактивным излучениям.
Радиоволны большой длины на микроорганизмы не оказывают никакого влияния. Зато ультракороткие радиоволны обладают губительным действием. В результате их прохождения в среде возникают высокочастотные переменные токи, обусловливающие быстрый нагрев среды и в результате гибель микроорганизмов. Для этого могут быть использованы волны высокой и ультравысокой частот (ВЧ и УВЧ). Они могут применяться для стерилизации плодоовощных консервов, но только в стеклянной таре, т. к. через металл они не проходят. Преимущество такой обработки заключается в том, что срок нагревания сокращается до 1—3 минут.
Ультразвук
Ультразвуком называются механические колебания с частотами выше 20 000 в секунду. Хотя ультразвуковые волны по своей физической природе не отличаются от обычных звуковых волн, они несут большую энергию, вызывая ряд физических, химических и биологических явлений. Ультразвуковые волны инактивируют ферменты, токсины, вирусы, мгновенно разрушают целостность клеток, вызывая разрыв клеточных оболочек. Возможно использование ультразвуковых воли и для дезинфекции питьевой воды.
Влияние давления и механических сотрясений
Микроорганизмы мало чувствительны к высоким давлениям. Большинство микробов живёт в средах со сравнительно небольшим давлением — одна-две атмосферы. Однако бактерии обнаружены и в океане на глубине 9 километров, где давление достигает 900 атмосфер. Опыты учёных показали, что микроорганизмы легко выносят повышенное давление до 3 тыс. атмосфер. Только давления порядка 6—7 тыс. атмосфер губительно влияют на большинство микроорганизмов. Споры же бактерий переносят давление до 20 тыс. атмосфер. Поэтому для уничтожения микробов высокие давления мало пригодны. Более эффективным оказывается давление отдельных газов — углекислого газа, окиси азота и др.
Слабые сотрясения благоприятно действуют на микроорганизмы. Сильные и частые сотрясения губительны для них. Этим частично объясняется процесс самоочищения рек. Однако и к этому фактору микроорганизмы приспосабливаются. Бактерии, развивающиеся в проточной воде, поэтому более устойчивы к механическим сотрясениям.
