Влияние факторов внешней среды на жизнедеятельность микроорганизмов
Существует определенный параллелизм между жизнедеятельностью микроорганизмов и факторами окружающей среды. Чем благоприятнее эти условия для данного микроорганизма, тем интенсивнее он развивается и тем выше темп его жизнедеятельности. Связь микроорганизмов с окружающей средой проявляется в течение всего периода индивидуального развития, причем она имеет многосторонний характер. При ассимиляции питательных веществ микроорганизм растет, развивается и выделяет в окружающую среду определенные продукты обмена. На изменение условий питания он отвечает приспособительной перестройкой своего обмена веществ. При изменении реакции среды, температуры, концентрации питательных веществ, давления, радиации и т. д. нарушается обмен веществ, прекращаются или ограничиваются рост и размножение микроорганизма. Иными словами, происходят все те морфологические и физиологические изменения, которые объединяются в понятие жизнедеятельность.
Обмен веществ у микроорганизмов не сводится только к построению веществ тела, к размножению. Одновременно осуществляются различные процессы, приводящие к улучшению самими микроорганизмами условий внешней среды для дальнейшего размножения. Естественно, ни влажность, ни температура не зависят от микроорганизма. К ним он может только пассивно приспосабливаться. Микроорганизмы могут приспосабливаться к своим потребностям и активно изменять при помощи ферментных систем химические условия. Например подщелачивание среды автоматически активирует ферменты, способные вызывать кислотообразование, интенсивная аэрация вызывает образование защитных восстановительных соединений, снижающих окислительно-восстановительный потенциал rH2.
Все факторы внешней среды, оказывающие большое влияние на развитие микроорганизмов, можно разделить на три основные группы: физические, химические и биологические. Из физических факторов наиболее важное значение имеют влажность, концентрация веществ, температура, радиация, свет; из химических - реакция среды и окислительно-восстановительные условия в ней; из биологических - антимикробные вещества. Необходимо помнить, что существует тесная взаимосвязь между многими факторами окружающей среды и что изменение одного из них часто меняет реакцию микроорганизма на действие других факторов.
Физические факторы
Влажность. В клетках микроорганизмов протекает множество различных биохимических процессов. Одни сложные вещества разлагаются, другие образуются из более простых соединений. Вода же является той необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции. Микробная клетка на 65-85 % состоит из воды, и вся ее жизнедеятельность связана с наличием влаги (табл. 1.1).
Без предварительного растворения в воде многие питательные вещества не могут проникнуть внутрь микробной клетки, и жизнь ее становится невозможной. Большое влияние оказывает наличие влаги на микробные клетки, находящиеся в стадии роста, хотя между ними и в этом отношении наблюдаются значительные различия. Микроскопические грибы могут расти и на твердых питательных субстратах с минимальным содержанием воды. Микроорганизмы в природе находятся в непрерывно изменяющихся условиях, сильно колеблется и содержание влаги. Многие представители хорошо приспособились к высушиванию. Например, некоторые бесспоровые бактерии переносят высушивание и остаются жизнеспособными иногда в течение нескольких лет. Особенно хорошо приспособились к высушиванию споры различных грибов и бактерий. Споры, находящиеся в течение многих лет в сухом месте, при увлажнении начинают прорастать. Однако, как бы стойки ни были вегетативные клетки микроорганизмов к высушиванию, в высушенном состоянии они остаются бездеятельными, так как отсутствие влаги препятствует процессам их питания, а следовательно, росту и размножению. В этом состоянии, что особенно важно, они только сохраняются, хотя их жизнедеятельность заметно приостанавливается.
Концентрация веществ. На рост и жизнедеятельность микроорганизмов большое влияние оказывает концентрация различных веществ. Высокие концентрации любых веществ, в том числе питательных, создают высокое осмотическое давление во внешней среде, превышающее внутреннее осмотическое давление в клетке. Вода при этом выходит наружу, клетки обезвоживаются и начинается плазмолиз. Из-за невозможности поступления в микробную клетку питательных веществ прекращается нормальный обмен с внешней средой. Благодаря тому что цитоплазматическая мембрана имеет высокую избирательную проницаемость, клетки приспосабливаются к изменению осмотического давления в окружающей среде. В этих условиях может иметь место даже накопление в цитоплазме или минеральных солей (если они могут проникать в клетку), или осмотически активных веществ, образующихся в результате гидролиза резервных веществ цитоплазмы.
В последнем случае можно говорить даже об определенной способности к осморегуляции.
Концентрация питательного вещества должна быть оптимальной, т. е. достаточной для обеспечения максимального роста. Для различных веществ оптимальные концентрации различны. Так, минеральные соли, содержащие Р, S, Са, Mg, Zn, Na и другие элементы, требуются в небольших количествах. Концентрации минеральных солей, необходимые для нормального роста различных микроорганизмов, приведены в табл. 1.2. Концентрация в среде источников углерода (углеводы, кислоты, спирты, углеводороды и др.), которые чаще всего одновременно являются и источниками энергии, т. е. окисляемыми или сбраживаемыми веществами, может изменяться от десятых долей процента до 15-20%. Абсолютное содержание источника углерода для обеспечения нормальной жизнедеятельности микроорганизма и получения необходимого количества метаболита рассчитывают, используя экспериментально установленные экономические коэффициенты выхода.
Температура. Жизнь и размножение микроорганизмов зависят от многих физических факторов. Наиболее существенным фактором является прежде всего температура окружающей среды. Как и все факторы внешней среды, температурная зависимость характеризуется тремя кардинальными точками (минимум, оптимум, максимум), которые различны для отдельных микроорганизмов (табл. 1.3). Все микроорганизмы по их отношению к температуре делят на три основные группы: психрофилы, мезофилы и термофилы (рис. 1.6).
Температурный оптимум психрофилов находится в пределах 0-15 °С. Сюда относятся преимущественно представители микрофлоры северных морей. Для психрофилов характерна небольшая скорость роста. Ко второй группе относится большинство используемых в промышленности бактериальных и грибных культур микроорганизмов, температурный оптимум развития которых находится в пределах 25-37 °С. К термофильным микроорганизмам относятся формы, температурный оптимум которых 50-60 °С, крайние пределы 30-70 °С. Термофильные микроорганизмы представляют особый интерес для промышленного использования, так как культивирование их при высоких температурах создает селективные условия и позволяет снизить требования к стерильности процесса.
Высокие и низкие температуры неодинаково влияют на микроорганизмы. Наиболее губительны для них высокие температуры, вызывающие коагуляцию белков клетки и нарушение активности ферментов. При повышении температурного максимума жизнедеятельность микроорганизмов резко снижается. Так, гибель бесспоровых бактерий при температуре 60 °С наступает через 30 мин, при 70 °С - через 10-15 мин, а при 80-100° - через 1 мин. Изменение температуры в сторону минимума сказывается менее резко, чем повышение в сторону максимума. Например, количество биомассы Asp. niger снижается в десятки, сотни раз при повышении температуры от минимума 35 °С на 7°С, в то время как при понижении температуры на 15 °С от оптимума количество биомассы уменьшается только в 8-10 раз. На губительном влиянии высоких температур основаны приемы уничтожения микробов - пастеризация и стерилизация. При пастеризации погибают вегетативные клетки, но остаются жизнеспособными споры. При стерилизации происходит полное уничтожение всех жизнеспособных клеток и их спор. Низкие температуры хорошо переносятся микроорганизмами. Некоторые бактерии могут переносить температуру -190°С (температура жидкого воздуха) и даже температуру жидкого водорода -252 °С. При замораживании наибольшую опасность представляет не сама низкая температура, а мелкие кристаллы льда, образующиеся внутри клетки, которые могут ее повредить механически.
Свет. На развитие микроорганизмов большое влияние оказывают солнечный свет и другие формы лучистой энергии. Наиболее сильным действием обладает коротковолновая ультрафиолетовая часть спектра (200-300 нм) с ярко выраженным фотохимическим эффектом. Большой активностью обладают также рентгеновские лучи (ионизирующее излучение с длиной волны 0,005-1 нм), y-лучи (коротковолновые рентгеновские лучи), а-, B-частицы, нейтроны. Действие всех этих форм лучистой энергии на микроорганизмы зависит от дозы, а также от физиолого-биохимического состояния микроорганизма. Есть все основания полагать, что действие различного рода излучений связано в первую очередь с изменением структуры ДНК. Во многих случаях спектр действия УФ-лучей соответствует спектру их поглощения нуклеиновыми кислотами. При изучении механизма действия УФ-лучей на молекулярном уровне было обнаружено, что при денатурации ДНК, облученной высокими дозами УФ-лучей (порядка 1*10-2 Дж), возникают разрывы между нуклеотидами, а также образование поперечных сшивок между комплементарными нитями молекулы ДНК.
Действие рентгеновских лучей также связано с ДНК. Наблюдения показали, что рентгеновские лучи, а также некоторые продукты, возникающие под их действием (Н+ и ОН-, радикалы, перекиси), разрушают ДНК.
Следует отметить, что на влиянии различного рода излучений на микроорганизмы основаны приемы стерилизации воды и некоторых других продуктов.
Давление. Микроорганизмы устойчивы к давлению в 500 и даже 1000 кПа, что, по-видимому, связано с малой чувствительностью белков к его денатурирующему влиянию. Для большинства микроорганизмов давление 100 МПа приводит к летальному исходу.
Химические факторы
Концентрация ионов водорода. Большое влияние на развитие микроорганизмов оказывает такой химический фактор внешней среды, как концентрация ионов водорода или pH. Каждый микроорганизм имеет свой максимум и минимум pH, в пределах которых он может развиваться (табл. 1.4).
Как свидетельствуют данные таблицы, есть и некоторые общие закономерности. Бактериальные микроорганизмы хорошо развиваются при pH, близком к нейтральному - от 6,5 до 7,5. У микроскопических грибов и различных видов дрожжей оптимум pH в кислой зоне - от 4 до 6. Концентрация водородных ионов в среде оказывает большое влияние на развитие микроорганизмов и на их физиологическую активность. Это положение можно подтвердить ходом процесса брожения. Например, при спиртовом брожении, протекающем при pH 4, образуются диоксид углерода и этиловый спирт. При сдвиге pH в щелочную сторону (до 7,5) брожение также происходит, но в этом случае кроме диоксида углерода и спирта образуется еще и уксусная кислота.
Окислительно-восстановительный потенциал. Выражают через rH2. Если pH выражает степень кислотности и щелочности, то rH2 - степень аэробности. И. Л. Работнова (1958) показала, что в водном растворе, насыщенном кислородом, rH2 = 41, а в условиях насыщения водородом - rH2 = 0. Шкала от 0 до 41 характеризует любую степень аэробности. По отношению к этому фактору внешней среды все микроорганизмы подразделяются на следующие основные группы: аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Аэробы содержат в своих клетках систему дыхательных ферментов и в качестве акцепторов водорода при окислительно-восстановительных процессах используют молекулярный кислород. Для аэробных микроорганизмов, например для дрожжей, rH2= 10 / 30 (рис. 1.7, а). Анаэробы получают энергию без участия кислорода воздуха за счет сопряженного окисления - восстановления веществ субстрата. Эти микроорганизмы жизнедеятельны при rH2 не выше 20. Рис. 1.7, б свидетельствует, что размножаются анаэробы только при крайне низких значениях rH2 - не выше 3-5. Для представителей этой группы микроорганизмов молекулярный кислород не только не нужен, но в ряде случаев и ядовит.
Микроорганизмы, для которых кислород не обязателен, так как они живут за счет сопряженного окисления-восстановления без вовлечения кислорода, называются факультативными анаэробами. Они живут в широком диапазоне rH2 - от 0 до 30. Кислород для них не ядовит или слабо ядовит.
Биологические факторы (антимикробные вещества)
Различные вещества, находящиеся в окружающей среде, могут служить источником питания микроорганизмов и способствовать росту и развитию, а могут и ингибировать рост микробной клетки, не оказывая на нее летального действия. Наиболее известными антимикробными веществами являются антибиотики, которые даже в небольших концентрациях угнетают рост и активность микробов. Антибиотики образуют главным образом актиномицеты, а также некоторые грибы и бактерии. Механизм действия антибиотиков состоит в том, что одни из них нарушают процессы деления бактериальной клетки, другие изменяют отдельные процессы метаболизма, мешают использованию витаминов, конкурируют с отдельными ферментами, нарушают процессы дыхания, способствуют образованию перекисей, лизису клеток, оказывают депрессирующее действие на поверхностное натяжение и т. д.