Действие факторов внешней среды на микроорганизмы

Основы микробиологии и иммунологии / К.С. Камышева. – Ростов н /Д:
Феникс, 2015. – 381с. С.57-59
Составление таблицы: «Механизмы антимикробного действия химических веществ на микроорганизмы».

1.Жизнь микроорганизмов находится в тесной зависимости от условий окружающей среды, поэтому микроорганизмы должны по­стоянно к ней приспосабливаться.
Как на человека, животных и растения, так и на микроорга­низмы существенное влияние оказывают различные факторы внешней среды.
Их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические.

Результаты действия факторов внешней среды на микроорга­низмы:
1. Благоприятные.
2. Неблагоприятные (бактериостатическое и бактерицидное действие).
3. Изменяющие свойства микроорганизмов.
4. Индифферентные.
Антимикробные факторы окружающей среды используются при стерилизации, дезинфекции, лечении, соблюдении правил асеп­тики и антисептики и др.

1. Физические факторы, влияющие на микроорганизмы
Из физических факторов наибольшее влияние на микроорга­низмы оказывают:
1. Температура.
2. Высушивание (лиофильная сушка).
3. Лучистая энергия (СВЧ-энергия, ультрафиолетовые лучи, ионизирующая радиация).
4. Ультразвук.
5. Давление (атмосферное, гидростатическое, осмотическое).
6. Электричество.
7. Кислотность среды (рН среды).
8. Наличие кислорода.
9. Влажность и вязкость среды обитания.

Температура - один из самых мощных факторов воздействия на микроорганизмы. Они или выживают, или погибают, или при­спосабливаются и растут.
Последствия влияния температуры на бактерии:
1. Способность микроорганизмов к выживанию после длитель­ного нахождения в экстремальных температурных условиях.
2. Способность микроорганизмов к росту в экстремальных тем­пературных условиях.

Жизнедеятельность каждого микроорганизма ограничена оп­ределенными температурными границами.
Эту температурную зависимость обычно выражают тремя точ­ками:
минимальная (min) температура - ниже которой размножение прекращается;
оптимальная (opt) температура - наилучшая температура для роста и развития микроорганизмов;
максимальная (max) температура - температура, при которой рост клеток или замедляется, или прекращается совсем.
Оптимальная температура обычно приравнивается к темпера­туре окружающей среды.

Все микроорганизмы по отношению к температуре условно можно разделить на 3 группы: психрофилы, мезофиллы, термо­филы.
Сапрофиты
Иерсинии
Псевдомонады
Клебсиеллы
Листерии и др.
Оптимальная температура роста и размножения психрофилов

Психрофилы - это холодолюбивые микроорганизмы, растут при низких температурах: min t - 0°С, opt t - от 10-20°С, max t - до 35°С. К таким микроорганизмам относятся обитатели северных морей и водоемов, а также некоторые патогенные бактерии - возбудители иерсиниоза, псевдомоноза, клебсиеллеза, листериоза и др.
К действию низких температур многие микроорганизмы очень устойчивы. Например, листерии, холерный вибрион, некоторые виды синегнойной палочки (Pseudomonas аtrobacter) долго могут храниться во льду, не утратив при этом своей жизнеспособности.

Некоторые микроорганизмы выдерживают температуру до ми­нус 190°С, а споры бактерий могут выдерживать до минус 250°С. Действие низких температур приостанавливает гнилостные и бро­дильные процессы, поэтому в быту мы пользуемся холодильни­ками.
При низких температурах микроорганизмы впадают в состоя­ние анабиоза, при котором замедляются все процессы жизнедея­тельности, протекающие в клетке. Однако, многие из психрофилов способны быстро вызывать микробиальную порчу пищевых про­дуктов и кормов, хранящихся при 0°С.

Мезофилы - это наиболее обширная группа бактерий, в кото­рую входят сапрофиты и почти все патогенные микроорганизмы, так как opt температура для них 37°С (температура тела), min t - 10°С, max t - 50°C.

Термофилы - теплолюбивые бактерии, развиваются при тем­пературе выше 55°С, min t для них - 40°С, max t – до 100°С. Эти микроорганизмы обитают в основном в горячих источниках. Среди термофилов встречается много споровых форм (В.stearothermo-philus. В.aerothermophilus) и анаэробов.

В уплотненном навозе термофилы бурно развиваются, что со­провождается выделением энергии, при этом температура навоза может достигать 95-98°С.

Температурные диапазоны гибели микроорганизмов
Споры бактерий гораздо устойчивей к высоким температурам, чем вегетативные формы бактерий. Например, споры бацилл си­бирской язвы выдерживают кипячение в течение 2 часов.
Все микроорганизмы, включая и споровые, погибают при тем­пературе 165-170°С в течение 1 часа.
Действие высоких температур на микроорганизмы положено в основу стерилизации.

Высушивание. Для нормальной жизнедеятельности микроор­ганизмов нужна вода. Высушивание приводит к обезвоживанию цитоплазмы и нарушается целостность цитоплазматической мем­браны, что ведет к гибели клетки.
Некоторые микроорганизмы (многие виды кокков) под влия­нием высушивания погибают уже через несколько минут.
Более устойчивыми к высушиванию являются возбудители ту­беркулеза, которые могут сохранять свою жизнеспособность до 9 месяцев, а также капсульные формы бактерий.

Особенно устойчивыми к высушиванию являются споры. На­пример, споры возбудителя сибирской язвы могут сохраняться в почве более 100 лет.
Для хранения микроорганизмов в музеях микробных культур и изготовления сухих вакцинных препаратов из бактерий применя­ется метод лиофильной сушки.
Сущность метода состоит в том, что в аппаратах для лиофиль­ной сушки – лиофилизаторах микроорганизмы сначала заморажи­вают, а потом высушивают при положительной температуре в ус­ловиях вакуума.
При этом цитоплазма бактерий замерзает и пре­вращается в лед, а потом этот лед испаряется и клетка остается жива (переход воды из замороженного состояния в газообразное, минуя жидкую фазу - сублимация).

Замороженные бактерии (I этап лиофильного высушивания)

Образование внеклеточного льда

и внутриклеточного льда при лиофильном высушивании бактерий

Лиофильно высушенные диплококки

При правильном лиофильном высушивании микробные клетки переходят в состояние анабиоза и сохраняют свои биологические свойства в течение нескольких лет.
Если режим лиофильного высушивания не соблюдался (а для разных видов бактерий он различен), то клеточная стенка у бакте­рий разрывается и они гибнут.

Лифильно высушенные живая клетка

Погибшая бактерия

Лучистая энергия. Существуют разные формы лучистой энер­гии, характеризующиеся различными свойствами, силой и харак­тером действия на микроорганизмы.
В природе бактериальные клетки постоянно подвергаются воз­действию солнечной радиации.
Прямые солнечные лучи губительно действуют на микроорга­низмы. Это относится к ультрафиолетовому спектру солнечного света (УФ-лучи).

Действие ультрафиолетовых лучей на живые организмы

Вследствие присущей УФ-лучам высокой химической и биоло­гической активности, они вызывают у микроорганизмов инактива­цию ферментов, коагуляцию белков, разрушают ДНК в результате чего наступает гибель клетки.
При этом обеззараживается только поверхность облученных объектов из-за низкой проникающей спо­собности этих лучей.
Патогенные бактерии более чувствительны к действию УФ-лу­чей, чем сапрофиты, поэтому в бактериологической лаборатории микроорганизмы выращивают и хранят в темноте.

Опыт Бухнера показывает, насколько УФ-лучи губительно дей­ствуют на бактерии: чашку Петри с плотной средой засевают сплошным газоном.
Часть посева накрывают бумагой, и ставят чашку Петри на солнце, а затем через некоторое время (15-30 мин) ее ставят в термостат.
Прорастают только те микроорганизмы, которые находились под бумагой. Поэтому значение солнечного света для обеззараживания ок­ружающей среды очень велико.

Бактерицидное действие УФ-лучей используют для стерилиза­ции закрытых помещений: операционных, микробиологических боксов, учебных аудиторий кафедры микробиологии. Для этого применяют бактерицидные лампы ультрафиолетового излучения с длиной волны 200-400 нм.

Настольная,настенная,напольная и потолочные бактерицидные лампы.

На микроорганизмы оказывают влияние и другие виды лучи­стой энергии - это рентгеновское излучение, α-, β- и γ-лучи, кото­рые оказывают губительное действие на микроорганизмы только в больших дозах.
Эти лучи разрушают ДНК клетки. В последние годы радиационным методом стерилизуют изделия для одноразо­вого использования - шприцы, шовный материал, чашки Петри.
Малые дозы излучений, наоборот, могут стимулировать рост микроорганизмов и вызывать у них мутации.

СВЧ-энергия. Вызывая нагрев среды, СВЧ-энергия действует губительно на микроорганизмы, при этом происходит повреждение клетки.
СВЧ-энергия влияет на генетические признаки микроорганиз­мов, на изменение интенсивности деления клетки, активность не­которых ферментов, гемолитические свойства.
Ионизирующая радиация. Характерной особенностью этих из­лучений является их способность вызывать процесс ионизации.

Ультразвук. Неся с собой большой запас энергии, ультразву­ковые волны вызывают ряд физических, химических и биологиче­ских явлений.
С помощью ультразвуковых (УЗ) волн можно вы­звать инактивацию ферментов, витаминов, токсинов, разрушить разнообразные материалы и вещества, многоклеточные и одно­клеточные организмы.

Ультразвуковые волны при частоте колебания 1-1,3 мГц в те­чение 10 мин оказывает бактерицидный эффект на клетки микро­организмов. Ультразвук способствует разрыву клеточных стенок и мембран, повреждению флагеллина у подвижных форм микроор­ганизмов.
Влияние ультразвука основано на механическом разру­шении микроорганизмов в результате возникновения высокого давления внутри клетки, разжижения и вспенивания цитоплазмы или на появлении гидроксильных радикалов и атомарного кисло­рода в водной среде цитоплазмы.

Ультразвук используют для разрушения микроорганизмов с целью получения растворимых антигенов при производстве субъ­единичных вакцин и стерилизации продуктов: молока, фруктовых соков.
Используемые для этих целей приборы, испускающие ультра­звук, называют ультразвуковыми дезинтеграторами (УЗД).

Ультразвуковой дезинтегратор

Высокое давление. К высокому атмосферному или гидроста­тическому давлению бактерии, а особенно споры, очень устой­чивы (барофильные микроорганизмы). В природе встречаются бактерии, которые живут в морях и океанах на глубине 1000-10000 м под давлением от 100 до 900 атм. Эти бактерии являются са­профитными и относятся к археям.
Бактерии переносят давление 1000-3000 атм, а споры бакте­рий - до 20000 атм. При таком высоком давлении снижается ак­тивность бактериальных ферментов и токсинов.

Сочетанное действие повышенных температур и повышенного давления используется в паровых стерилизаторах (автоклавах) для стерилизации паром под давлением.

Важным фактором является внутриклеточное осмотическое давление у различных микроорганизмов.
Влияние осмотического давления на микробную клетку:
1. Плазмолиз (потеря воды и гибель клетки) происходит с мик­роорганизмами, если их помещают в среду с более высоким осмо­тическим давлением.
2. Плазмоптиз (поступление воды в клетку и разрыв клеточной стенки) – происходит с микроорганизмами при перемещении их в среду с низким осмотическим давлением.

Осмотическое давление в клетке регулирует цитоплазматиче­ская мембрана. При высоком осмотическом давлении окружающей среды происходит плазмолиз.
Плазмолиз явление обратимое, и если понизить осмотическое давление окружающего микроорга­низмы раствора, вода поступает внутрь клетки и возникает явле­ние противоположное плазмолизу - плазмоптиз.

Плазмолиз

Плазмоптиз

Микроорганизмы, приспособившиеся к развитию в среде с вы­соким осмотическим давлением, называются осмофильными.
Микроорганизмы, развивающиеся в среде с высокой концен­трацией солей, носят название - галофилов (солелюбивых).
Губительное действие высоких концентраций соли и сахара широко используется для консервирования пищевых продуктов.

Действие электричества на микроорганизмы: токи низкой и высокой частоты приводят к колебаниям молекул всех элементов микробной клетки и равномерному нагреванию всей ее массы.
Важным условием нормальной жизнедеятельности микроорга­низмов является поддержание постоянного значения внутрикле­точного рН - концентрация водородных ионов.

Классификация микроорганизмов по отношению к концентрации водородных ионов в среде (рН):
Для ацидофилов оптимальная для жизни рН -6,0-7,0;
для алка­лофилов - 9,0-10,0;
для нейтралофилов - 7,5.

Значение рН оказывает существенное влияние на синтез того или иного метаболита.
В ряде случаев оптимум для роста культуры и образования продукта неодинаков.
С увеличением температуры культивирова­ния диапозон переносимых значений рН сужается.

Содержание растворенного кислорода (О2) в среде обеспечи­вает метаболические процессы аэробов. Кислород, являясь ак­цептором ионов Н+; замедляет или полностью подавляет развитие анаэробов.
Содержание растворенного диоксида углерода (СО2) в среде необходимо для метаболизма автотрофов, у гетеротрофов может как стимулировать, так и подавлять метаболические процессы.
Вязкость среды определяет диффузию питательных веществ из объема среды к поверхности клетки.

Химические факторы
Известно, что изменение состава и концентрации питательных элементов питательной среды может затормозить, прекратить или стимулировать процессы роста и размножения бактериальной по­пуляции.
Следовательно, химические факторы способны влиять на жизнедеятельность микроорганизмов.
Степень воздействия химического агента на микроорганизм может быть различной.
Она зависит от химического соединения, его концентрации, продолжительности воздействия, а так же от индивидуальных свойств микроорганизма.

Бактериостатическое действие регистрируется в том случае, если химическое вещество подавляет размножение бактерий, а после его удаления процесс размножения восстанавливается.
Бактерицидное действие вызывает необратимую гибель мик­роорганизмов.
Некоторые химические вещества безразличны для бактерий, другие могут стимулировать процессы их развития или являться питанием для бактерий. Например, соль NaCl в малых количест­вах добавляют в питательные среды.
Химические вещества, способные оказывать бактерицидное действие на разные группы микроорганизмов, используют для де­зинфекции.

Дезинфекция (уничтожение инфекции, обеззараживание объ­ектов окружающей среды) – это комплекс мероприятий, направ­ленный на уничтожение возбудителей инфекционных болезней в окружающей среде.
Другими словами, дезинфекция – это уничтожение патогенных микроорганизмов во внешней среде с помощью химических ве­ществ, обладающих антимикробным действием.

К химическим веществам, действующим на микроорганизмы относятся:
1. Окислители.
2. Поверхностно-активные вещества.
3. Галогены.
4. Соли тяжелых металлов.
5. Кислоты.
6. Щелочи.
7. Спирты.
8. Фенолы, крезолы и их производные.
9. Альдегиды (формальдегид, формалин).
10. Красители.

По механизму противомикробного действия все химические вещества подразделяются на 5 классов:
1. Денатурирующие белки – коагулируют и свертывают белки.
2. Омыляющие белки – приводят к набуханию и растворению белков.
3. Окисляющие белки - повреждают сульфгидрильные группы активных белков.
4. Реагирующие с фосфатнокислыми группами нуклеиновых кислот.
5. Поверхностно активные вещества - вызывают повреждения клеточной стенки.

Денатурирующие вещества:
фенол, крезол и их производные - бактерицидное действие связано с повреждением клеточной стенки и денатурацией белков цитоплазмы;
формальдегид - бактерицидное действие обусловлено дегид­ратацией поверхностных слоев и денатурацией белка;
спирты - бактерицидное действие обусловлено способностью отнимать воду и свертывать белки;

соли тяжелых металлов (сулема, мертиолат, соли ртути, се­ребра, цинка, свинца, меди) - положительно заряженные ионы ме­таллов адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактерий и изменяют проницаемость их цитоплазматической мем­браны, при этом изменяется структура дыхательных ферментов и разобщаются процессы окисления и фосфорилирования в мито­хондриях.

Омыляющие белки – щелочи, гашеная известь.
Окисляющие белки (хлор, бром, йодосодержащие, перекись водорода, перманганат калия) - выделяют активный атомарный кислород, вызывая цепную реакцию свободнорадикального пере­кисного окисления липидов, что ведет к деструкции мембран и белков микроорганизмов.

Поверхностно-активные вещества (жирные кислоты, мыла, моющие средства, детергенты) - изменяют энергетическое соот­ношение поверхности микробной клетки (заряд с отрицательного меняется на положительный), что нарушает проницаемость и ос­мотическое равновесие.

Галогены (хлорсодержащие: хлорная известь, хлорамин Б, ди­хлор-1, сульфохлорантин, хлорцин и др.; йодосодержащие: спир­товый раствор йода, йодинол, йодоформ, раствор Люголя и др.) – разрушают ферментативные структуры бактериальной клетки,
уг­нетают гидролитическую (гидролазы) и дегидрогеназную активность бактерий, инактивируют такие ферменты, как амилазы и протеазы, денату­рируют белки цитоплазмы, а также выделяют атомарный кисло­род,
оказывающий окисляющее действие на микроорганизмы.

Красители (бриллиантовый зеленый, риванол, трипофлавин, метиленовая синь) - обладают сродством к фосфорно-кислым группам нуклеиновых кислот и нарушают процесс деления бактерий.
Многие красители используются в составе антисептиков.

Бактерицидный эффект кислот (салициловая, борная) и ще­лочей (едкий натр) на микроорганизмы обуславливается:
дегидратацией микроорганизмов;
изменением рН среды;
гидролизом коллоидных систем;
образованием кислотных и щелочных альбуминатов.

Новое поколение дезинфицирующих средств – четвертичные аммонийные соединения (ЧАС) и их соли.
Одним из наиболее эффективных дезинфицирующих средств на сегодняшний день является Велтолен - жидкий концентрат на основе уникальной отечественной, запатентованной субстанции «Велтон» (клатрат ЧАС с карбамидом).
Велтолен оказывает бактерицидное, фунгицидное, спорули­цидное и вирулицидное действие в невысоких концентрациях, безвреден для животных и человека, экологически безопасен.

Активность различных дезинфицирующих веществ не одина­кова и зависит от времени экспозиции, концентрации, темпера­туры дезинфицирующих растворов и окружающей среды.
Дезинфекция с помощью химических веществ в качестве со­ставляющей входит в совокупность мер, направленных на уничто­жение микроорганизмов не только в окружающей среде, но и в макроорганизме, например, в ране и является основой асептики и антисептики.

Асептика - это комплекс профилактических мероприятий, на­правленных на предупреждение попадания микроорганизмов в рану или организм человека и животного.
Антисептика - это комплекс мероприятий, направленных на уничтожение микроорганизмов в ране или в организме в целом, на предупреждение и ликвидацию воспалительного процесса.

Антисептики - это противомикробные вещества, которые ис­пользуются для обеззараживания биологических поверхностей.
К антисептическим химическим веществам относятся краси­тели (метиленовый синий, бриллиантовый зеленый) - обладают денатурирующим и литическим эффектом, и производные 8-окси-хинолина (хинозол, нитроксалин, хинолон) и нитрофурана (фура­цилин, фуразолидон), которые нарушают биосинтетические и ферментативные процессы в бактериальной клетке.

Неблагоприятное воздействие различных факторов внешней среды на микроорганизмы используют для борьбы с ними при разработке методов и способов стерилизации и дезинфекции.
Методы воздействия на микроорганизмы по виду использованного фактора можно разделить на физические и химические, по характеру воздействия- на неизбирательные (обеззараживание- дезинфекция, стерилизация) и избирательные (химиотерапевтические).

Методы воздействия на микроорганизмы:
1.Физические методы.
1.Термическая обработка- прокаливание, кипячение, пастеризация, автоклавирование.
2.Облучение- ультрафиолетовое, гамма- и рентгеновское, микроволновое.
3.Фильтрование (оптимально- бактериологические фильтры с диаметром пор около 200 нм).

2. Биологические факторы
К биологическим факторам, негативно воздействующим на микроорганизмы, можно отнести:
1. микроорганизмы-антагонисты;
2. антибиотики;
3. пробиотики;
4. бактериофаги;
5. защитные факторы организма (клеточные и гуморальные).

Во внешней среде и в организме человека и животных обитает огромное количество разных видов микроорганизмов, которые по- разному взаимодействуют между собой.
Основные виды взаимоотношений микроорганизмов:
Антагонизм.
Метабиоз.
Комменсализм.
Мутуализм.
Сателлизм.
Синергизм.
Хищничество.
Нейтрализм.

Антагонизм - подавление одних видов микроорганизмов дру­гими (конкуренция, паразитизм, антибиоз).
Конкуренция - один микробный вид обладает большей приспо­собляемостью к условиям среды и при интенсивном размножении вызывает истощение питательной среды, тем самым препятствует росту других микроорганизмов (конкуренция за источник питания).
Паразитизм - пользу от сожительства получает лишь паразит, нанося вред хозяину (гибель хозяина).

Наиболее резко антагонизм проявляется у актиномицетов, бак­терий и грибов: кишечная палочка подавляет возбудителя сибир­ской язвы, синегнойная палочка активно подавляет возбудителя чумы, актиномицеты угнетают рост дрожжевых клеток.
Чаще всего антагонисты действуют на конкурентов продуктами обмена веществ, в том числе антибиотиками, либо вытесняют их вследствие более интенсивного размножения или преимущест­венного потребления пищи.

Антибиоз - способность одного вида микроорганизма выде­лять токсические вещества, угнетающие жизнедеятельность дру­гих видов (антибиотики).
Под влиянием бактерий-антагонистов:
микроорганизмы перестают расти и размножаться;
клетки микроорганизмов лизируются (растворяются);
тормозятся или останавливаются биохимические процессы внутри клеток, например дыхание, синтез аминокислот.

Метабиоз - один из микроорганизмов использует продукт жиз­недеятельности другого и создает условия для его развития.
Например, почвенные бактерии аммонификаторы ферменти­руют питательный субстрат с образованием аммиака, который ус­ваивают нитрификаторы, в результате чего бурно размножаются.

Комменсализм - сосуществование двух разных микроорганиз­мов, полезное для одного из них (комменсала) и безразличное для другого (хозяина).
Например, сенная палочка, попав в пищеварительный тракт животного, вырабатывает полезные для жизнедеятельности лак­тобактерий вещества, в то время, как лактобактерии не оказывают на сенную палочку никакого действия.
Среди эпифитной и нормальной микрофлоры организма чело­века, растений и животных комменсализм широко распространен.
Провести строгое различие между комменсализмом и симбио­зом порой нелегко, т.к. эти взаимоотношения микроорганизмов очень сходны.

Мутуализм - взаимодействие между двумя видами микроорга­низмов, приносящие обоюдную пользу, т. е. в популяции каждого из этих видов бактерии растут, выживают и размножаются с боль­шим успехом, чем в присутствии других видов микроорганизмов.
Такое сожительство создает благоприятные условия для обоих партнеров (взаимовыгодный симбиоз-мутуализм).
Преимущества мутуализма могут быть разные. Чаще всего они заключаются в том, что по крайней мере один из партнеров ис­пользует другого в качестве пищевого ресурса, тогда как другой получает защиту от бактерий-антагонистов или благоприятные для роста и размножения условия.

Сателлизм - стимуляция роста и размножения одного микроор­ганизма продуктами жизнедеятельности другого.
Синергизм - усиление физиологических функций и свойств при совместном выращивании.
Хищничество – нападение одного вида бактерии на другой с целью использование другого вида в качестве пищи.
Нейтрализм – микроорганизмы не оказывают друг на друга ни­какого влия­ния.