Влияние биологических факторов на развитие микроорганизмов

В природе все микроорганизмы существуют не изолированно, а находятся в тесном контакте с окружающей средой и другими живыми организмами. В процессе жизнедеятельности микробы вступают с этими организмами и друг с другом в определенные взаимоотношения. Известно несколько видов таких взаимоотношений: симбиоз, метабиоз, паразитизм, антагонизм.

Тесное сожительство в одной и той же среде двух или нескольких видов микробов, приводящее к обоюдной выгоде, называется симбиозом. Отдельные микробные виды как бы поддерживают жизнедеятельность друг друга. Совместно, при симбиозе микроорганизмы развиваются лучше, чем каждый из них в отдельности. Приспособленность организмов друг к другу иногда становится настолько глубокой, что они утрачивают способность существовать порознь.

Симбиотические взаимоотношения микроорганизмов являются прямым следствием естественного отбора и приспособления одного микроба к условиям жизни другого на протяжении всего их эволюционного развития. В качестве классического примера симбиоза микробов указывают обычно на интересный случай совместного существования в кефирных зернах молочнокислых бактерий - Lactobacterium caucasicus, Streptococcus lactis и молочных дрожжей - Torula lactis и Torula kefir.

Кефирные зерна применяются для получения кефира - полезного и приятного на вкус освежающего диетического напитка. Родиной кефира является Кавказ. Здесь кефирные зерна применялись с незапамятных времен и получили название «зерен пророка» или «пшена пророка». Впервые они были описаны в 1886 г. доктором Джогиным. Совместное существование дрожжей и молочнокислых бактерий не случайно. Дрожжи лучше развиваются в слабокислых средах; к тому же они используют для своей жизнедеятельности продукт обмена молочнокислых бактерий - молочную кислоту. Это благоприятно отражается и на развитии молочнокислых бактерий, так как снижается чрезмерная кислотность среды. Дрожжи, кроме того, обогащают среду витаминами, а из отмирающих дрожжевых клеток в субстрат переходят продукты автолиза - азотистые вещества, необходимые для молочнокислых бактерий. И не только в кефирных зернах, но и в хлебном квасе, в кислом ржаном тесте, крымской бузе, кумысе обнаруживается это тесное сожительство представителей молочнокислых бактерий и дрожжей.

Симбиотические взаимоотношения наблюдаются в природе и между микроорганизмами и другими живыми существами: животными, насекомыми, растениями. В желудке травоядных поселяются целлюлозоразрушающие бактерии, возбуждающие гидролиз клетчатки, что способствует усвоению этого вещества животными. Моль, термиты, тли получают возможность усваивать древесину, шерсть, воск, бумагу, волос и другие подобные материалы только потому, что их кишечник заселен бактериями, осуществляющими ферментативный распад этих сложных органических соединений.

Взаимоотношения, при которых один организм развивается за счет другого, когда совместное сожительство приносит выгоду только одному организму, называется паразитизмом. Паразитические отношения наблюдаются между патогенными микроорганизмами и макроорганизмами (человеком, животными, растениями), у которых эти микробы вызывают заболевания.

Очень интересным проявлением паразитизма является «феномен бактериофагии» (в дословном переводе «пожирание бактерий»). Впервые явление бактериофагии было обнаружено в 1898 г. выдающимся русским ученым-микробиологом Н. Ф. Гамалея. Изучая возбудителей сибирской язвы, он наблюдал их растворение (лизис) в питательном субстрате. Подобное же явление Гамалея заметил у холерного вибриона и стрептококков. Вещество, вызывающее растворение бактерий, Н. Ф. Гамалея назвал бактериолизином. В дальнейшем это явление в 1915 г. описал английский бактериолог Ф. Туорт, а в 1917 г. - французский микробиолог-врач Ф. д’Эрелль. В изучении этого явления особенно велики заслуги д’Эрелля. Он установил, что в жидких испражнениях выздоравливающего от дизентерии человека развивается «свой фаг», пожирающий дизентерийных микробов. Дальнейшие исследования показали, что фаги имеются повсюду, где есть микробы, что для каждого вида микроба имеется свой соответствующий фаг (вирусы, паразитирующие на бактериях). Фаги проходят через бактериальные фильтры, имеют корпускулярное строение шаровидной или овальной формы со жгутиком (отростком, напоминающим хвостик головастика) (рис. 18). Размеры фага колеблются от 80-100 до 900-1000 А.

Фаги лизируют микробные клетки (рис. 19), и, как уже было сказано, эта их способность строго специфична. В основном фаги действуют избирательно на отдельные виды микробов, хотя встречаются и «поливалентные» фаги, действующие на группу родственных видов.

Размножение бактериофага возможно только в живой микробной клетке, находящейся в стадии деления. Как специфический фактор, фаг применяется для лечебных и профилактических целей, для лабораторной диагностики возбудителей соответствующих болезней человека, а также болезней культурных растений.

Очень близко к симбиозу стоит явление метабиоза. Метабиозом называются такие отношения между микроорганизмами, при которых создаются условия последовательного развития одних микробов за счет продуктов жизнедеятельности других. Метабиоз встречается в природе очень часто; так, при порче сахарсодержащих сред (например, плодово-ягодных соков или просто механически поврежденных плодов, ягод, когда сахаристый сок свободно вытекает из поранения) на субстрате последовательно развиваются: дрожжи, превращающие сахар в спирт и углекислый газ, уксуснокислые бактерии, окисляющие спирт до уксусной кислоты, наконец, плесени, превращающие уксусную кислоту в воду и CO2. Создается специфическая цепь микробиологических превращений вещества - глюкозы:

Аналогично молочный сахар молока превращается молочнокислыми бактериями в молочную кислоту, которая служит питательным материалом для молочной плесени Oidium lactis и превращается ею в различные продукты обмена. По существу круговорот веществ в природе обусловлен метабиозом микроорганизмов.

Довольно широко в мире микробов распространено и явление антагонизма (антибиоза), когда совместное существование микробных видов оказывается невозможным. Один вид микроба препятствует росту другого, либо задерживает его развитие, либо вызывает полную гибель. При этом наблюдается не мирная конкуренция из-за субстрата, а ярко выраженная агрессия одного организма по отношению к другому. Явление антагонизма в мире микробов известно со времен Л. Пастера. Многочисленные наблюдения и специальные эксперименты выявили существование антагонизма среди всех групп микробов. Молочнокислые бактерии являются антагонистами по отношению к гнилостным микробам, так как продукт их жизнедеятельности - молочная кислота - вызывает гибель возбудителей гниения. Актиномицеты угнетают развитие земляной палочки (Вас. mycoides) - рис. 20. При совместном их росте на твердых средах вокруг колонии актиномицетов образуется «стерильная зона», где земляная палочка не растет.

Многие актиномицеты не только угнетают, но и лизируют бактерии. Мысль использовать один микробный вид для уничтожения другого возникла во второй половине прошлого столетия. Первым ученым, сознательно применившим микробный антагонизм для практических целей, был наш соотечественник И. И. Мечников.

Неблагоприятное действие микробов-антагонистов на другие микробные виды заключается в том, что микроб-антагонист, преимущественно развиваясь в питательной среде, очень быстро поглощает из нее питательные вещества. Субстрат истощается, становится непригодным для развития остальных особей микробной ассоциации. Возможно также, что в результате биохимической деятельности микроба-антагониста могут резко измениться физико-химические свойства среды - ее pH, ОВ-потенциал, осмотические свойства - или будут выделяться такие продукты метаболизма микроба-антагониста, которые являются ядовитыми для других видов.

Специфические ядовитые вещества, выделяемые микробами-антагонистами во внешнюю среду, получили название антибиотиков. К настоящему времени открыто, выделено и изучено свыше 3 тыс. различных антибиотиков. Действие антибиотиков может быть бактериостатическим (в отношении бактерий) или фунгистатическим (в отношении плесневых грибов), или бактерицидным, или соответственно фунгицидным.

Бактериостатическое действие проявляется в подавлении одной какой-либо жизненной функции микроба-сожителя (например, размножения), но микроб остается в латентном состоянии. При бактерицидном действии происходит полная гибель микроба-сожителя или даже его лизис. В настоящее время многие антибиотики используются в качестве лечебных препаратов: пенициллин, стрептомицин, грамицидин С (советский), террамицин, тетрациклин, ауреомицин, экмолин и др.

Способность синтезировать антибиотики наблюдается у обширного количества видов бактерий, актиномицетов, грибов, а также в некоторых тканях высших растений и животных.

Действие антибиотиков специфично. Каждый антибиотик обладает своим «антимикробным спектром действия», т.е. угнетает развитие или лизирует лишь микробов определенных видов. Те из антибиотиков, которые проявляют бактерицидное (фунгицидное) действие, по существу являются биологическими антисептиками. Механизм действия антибиотиков, по-видимому, сходен с механизмом действия химических антисептиков. До конца этот вопрос не изучен, так как он очень сложен, поскольку сферой действия антибиотиков является живая клетка.

Наблюдаются случаи привыкания патогенных микробов к антибиотикам, а в связи с этим и усиление их вирулентности (повышение способности возбуждать заболевание). Обычно очень высокая активность антибиотиков может резко снизиться под действием нагревания, воздействия кислот, щелочей, радиоактивных или ультрафиолетовых лучей. Эффективность действия антибиотика меняется в зависимости от его концентрации и от продолжительности воздействия.

Выявилась очень интересная особенность пенициллина и ауреомицина - способность стимулировать рост растительных и животных организмов. Если, например, добавлять небольшие количества этих антибиотиков в корм молодняка птицы и сельскохозяйственных животных, то значительно увеличивается суточный привес, животные и птицы очень быстро растут, снижается их смертность.

Однако на организм человека антибиотики могут оказывать некоторое побочное нежелательное влияние: при слишком длительном применении антибиотиков или приеме их в больших дозах наблюдаются отравления, возможно появление на коже сыпи, возникновение рвоты и пр., а вследствие привыкания микробов к антибиотику возможны даже рецидивы заболевания.

Все вопросы, связанные с изучением химической природы антибиотиков, выявлением их химической структуры и структуры активно действующих химических групп, вопросы очистки от загрязнений (балластных веществ), изыскание новых лекарственных средств и форм остаются весьма актуальными и подробно изучаются в научно-исследовательских учреждениях.

Очень интересными оказались бактерицидные вещества, получаемые из растений. Лечебный эффект некоторых растительных настоев, смол, соков, эфирных масел с давних времен использовался в народной медицине. В 1928-1930 гг. советским ученым Б. П. Токиным с сотрудниками были исследованы бактерицидные свойства более чем у 200 различных растений. В результате было установлено, что особенно сильными бактерицидными свойствами обладают лук, чеснок, хрен, горчица, алоэ, крапива, можжевельник, редька, дикий пион, береза, черная смородина, листья черемухи. Бактерицидные вещества, выделяемые растениями, получили название фитонцидов (от греческого phyton - растение).

Фитонциды оказывают сильное угнетающее действие на многих микробов. Общим недостатком фитонцидов является их малая стойкость, а у некоторых еще и ядовитость (например, у фитонцидов лука и чеснока). Химия и биохимия фитонцидов пока еще изучены недостаточно, так как фитонцидные свойства были обнаружены у чрезвычайно разнообразных по химической природе веществ (ароматических, красящих, дубильных и пр.).

Наличие фитонцидов в растительном сырье имеет большое значение для консервирования. Богаты фитонцидами многие овощи и фрукты: лук, чеснок, морковь, свекла, томаты, сладкий стручковый перец, белокочанная и краснокочанная капуста, картофель, спаржа, цитрусовые плоды, рябина, многие яркоокрашенные плоды и ягоды, кукуруза (молодые зерна), различные пряности. Меньше фитонцидов содержат укроп и баклажаны. К тому же у них действие фитонцидов проявляется при нагревании до 40-55 °С. Не содержат фитонцидов кабачки, патиссоны, цветная капуста.

При рациональной переработке плодов и овощей, особенно после измельчения, даже в обычных температурных условиях, ускоряется переход спор микробов в вегетативные клетки. Еще быстрее этот процесс идет при температуре 35-45 °С. Развивающиеся вегетативные клетки микробов, попадая под действие фитонцидов сырья, погибают. Это дает возможность смягчить режим стерилизации консервов, изготовляемых из сырья, богатого фитонцидами.

В последнее время в СССР и за рубежом (в частности, в США) проводятся исследования по применению антибиотиков для консервирования пищевых продуктов. Опытами наших ученых - Ю. А. Раввич-Шерба, Т. Б. Дубровой и других - было установлено, что наиболее приемлемыми для консервирования антибиотиками могут считаться ауреомицин и террамицин. Но использовать их нужно только при холодильном хранении сырых продуктов. Даже небольшие дозы антибиотиков, введенные в пищевые продукты, направляемые на холодильное хранение, увеличивают сроки такого хранения почти вдвое. Хорошие результаты получаются при использовании антибиотиков для хранения мяса, рыбы, битой птицы и пр.

Против использования антибиотиков при изготовлении баночных консервов имеются веские возражения. Прежде всего при систематическом, многократном введении антибиотиков вместе с пищей в организме человека в силу привыкания могут возникнуть очень устойчивые виды патогенных микробов, антибиотик в этом случае потеряет свое лечебное значение. Кроме того, систематическое угнетение нормальной микрофлоры кишечника антибиотиком может повлечь за собой серьезные расстройства в пищеварении.

И, наконец, на самом консервном предприятии также в результате привыкания микробов к антибиотику (ведь большинство антибиотиков все же обладает бактериостатическим, а не бактерицидным действием) появятся устойчивые формы возбудителей порчи продуктов; антибиотик потеряет свое значение и как консервант.

Эти возражения и обусловливают очень осторожное применение в СССР антибиотиков для консервирования, строгое регламентирование вводимых доз и введение их только в сырые продукты, сохраняемые в холодильниках, чтобы в процессе дальнейшей кулинарной обработки теплом антибиотик был разрушен.

Опыты, проводимые в США, были несколько иного направления. В США испытывался в основном антибиотик субтилин. Его вводили в некоторые овощные консервы (например, в гороховое пюре) и в говяжий фарш в количестве 0,0005-0,002%. Испытывались также грамицидин, метилграмицидин, бацитрацин, ауреомицин. Предполагалось, что внесение антибиотика в продукт перед стерилизацией даст возможность смягчить режим теплового нагрева, что антибиотик будет действовать как некоторый специфический фактор, снижающий термостойкость микробов и их спор. В случае положительных результатов это сулило бы большой экономический эффект - резко снизились бы затраты на топливо, электроэнергию и прочие издержки производства, так как уменьшилось бы время выдержки консервов в автоклавах, а качество консервов улучшилось, так как устранялось бы отрицательное действие избыточного нагревания.

Но должного положительного эффекта в опытах получено не было. Не только термостойкие бациллы и споры Clostridium botulinum не были уничтожены, но даже против сапрофитов - возбудителей порчи продуктов - и некоторых гнилостных анаэробов введенные относительно высокие дозы субтилина в сочетании с примененным тепловым режимом оказались недостаточными. Впрочем, и при более высоких температурах - 115,5-132,2°С - с добавлением субтилина в количестве 0,0014% термостойкость спор Clostridium botulinum уменьшилась не намного: составила лишь 63% от обычной.

Эти опыты свидетельствуют о том, что пониженная тепловая обработка, комбинированная с введением антибиотиков, пока не может быть надежным способом консервирования пищевых продуктов, тем более что антибиотики небезопасны для человека и в физиологическом отношении.