Лекція 4. Вплив фізичних, хімічних та біологічних чинників на мікроорганізми.

1 Вплив фізичних факторів довкілля на мікроорганізми

Температура. Нормальна життєдіяльність мікроорганізмів проходить у певних температурних межах, від яких залежить швидкість їх розмноження, інтенсивність протікання процесів обміну речовин у клітинах. По відношенню до дії температури мікроорганізми поділяють на 3 групи: термофіли, психрофіли і мезофіли.

Термофіли – це найбільш теплолюбні мікроорганізми. Темпера­турний максимум для них складає 70-85 °С, оптимум – 50-60 °С і мінімум – 30 °С. Із гарячих джерел виділено бактерії, що живуть при температурі 105 °С (екстремальні термофіли).

Здатність термофільних мікроорганізмів розвиватися при відносно високих температурах пояснюється низьким вмістом у їхніх клітинах вільної та зв’язаної води, підвищеною кількістю іонів кальцію та калію, стабільністю ферментів при високих температурах, високою механічною стійкістю клітинної мембрани, що містить ліпіди, багаті насиченими жирними кислотами.

Психрофіли – це холодолюбні мікроорганізми, для яких характерні температурний максимум біля 30 °С, оптимум у межах 10-15 °С і мінімум – 0-10 °С. У них ферменти мають низький рівень активації, у клітинних мембранах переважають ненасичені жирні кислоти, внаслідок чого вони залишаються напіврідкими і не замерзають.

Мезофіли найкраще розвиваються при температурі від 20 до 40 °С. Температурний максимум для них складає 40-50 °С, оптимум – 25-35 °С, мінімум – 5-10 °С.

Багато мікроорганізмів можуть проявляти стійкість до тих значень температури, при яких їхній ріст проходити не може. Кардинальні температурні точки одних і тих же мікроорганізмів можуть бути різними залежно від їхнього фізіологічного стану.

Високі температури є згубними для мікроорганізмів, оскільки вони викликають денатурацію білків та руйнування ферментів. Більшість безспорових бактерій гине при 60 °С через 30 хвилин, при 80-100 °С через 1-2 хвилини. Плісеневі гриби і дріжджігинуть при 50-60 °С. Найбільш термостійкими є спори бактерій, особливо термофільних. Вони витримують нагрівання до 100°С і вище впродовж кількох годин (табл.1).

У вологому середовищі спори бактерій гинуть при 120-130 °С, у сухому стані – при 160-170 °С через 1-2 години. Спори більшості плісеневих грибів і дріжджів менш стійкі до нагрівання, порівняно зі спорами бактерій, і гинуть при 65-80 °С. Так, спори деяких плісеней витримують нагрівання до 100 °С. Їхня висока термостійкість обумовлена низьким вмістом у них вільної води, наявністю діпіколінової кислоти і кальцію.

Таблиця 1. -Термостійкість спор бактерій

Назва бактерій	Час відмирання спор при нагріванні до 100°С, хв.
Вас. mycoides	5-10
Вас. subtilis	120-180
Clostridium botulinum	300-350
Вас. mesentericus	15-16

 Згубну дію високих температур на мікроорганізми широко використовують у різних галузях для боротьби з ними (стерилізація, пастеризація, тривале кип’ятіння, автоклавування, фламбування, тиндалізація тощо).

Низькі температури мікроорганізми переносять краще, ніж високі. Деякі бактерії і дріжджі можуть рости при температурі –5 °С, плісеневі гриби при  –8 °С. Бактерії черевного тифу зберігають життєздатність упродовж 2 годин при –252 °С, кишкової палички – 20 годин при –172 °С –190 °С, туберкульозу – 8 днів при –180 °С. Проте більшість мікроорганізмів не здатні розвиватися при температурі нижче нуля. Деякі молочнокислі бактерії вже не ростуть при 10 °С.

Причиною загибелі мікроорганізмів при низьких температурах є порушення обміну речовин у клітинах, інактивація ферментів, підвищення осмотичного тиску середовища в результаті вимерзання з нього води. Зустрічаються мікроорганізми, які при температурі, нижчій за мінімальну, переходять упродовж тривалого часу у стан «прихованого життя». При підвищенні температури вони знову активно розмножуються.

Після розморожування (дефростації) мікроорганізми можуть почати швидко розмножуватися і викликати псування продуктів. Тому заморожені харчові продукти рекомендують розморожувати безпосередньо перед їх вживанням.

Вологість середовища. Життєдіяльність мікроорганізмів здійснюється лише в умовах достатньої вологості. З водою у бактеріальну клітину потрапляють поживні речовини і видаляються продукти життєдіяльності. Вода створює оптимальні умови для розчинення мінеральних солей і для багатьох реакцій обміну, які відбуваються у клітинах. Мікроорганізми можуть розвиватися тільки у субстратах, які містять необхідну кількість вільної води. Для кожного мікроорганізму існує критична межа, нижче якої його розвиток припиняється. При цьому мікроорганізми переходять в анабіотичний стан, а деякі навіть гинуть.

За потребою, у воді мікроорганізми поділяють на гідрофіти – вологолюбні, мезофіти – середньовологолюбні і ксерофіти – сухолюбні.

Променева енергія. Видиме світло (380-800 нм) на більшість мікроорганізмів діє згубно. У деяких плісеневих грибів у темноті добре розвивається міцелій, а спори не утворюються. Світло необхідне тільки фотосинтезуючим мікроорганізмам. Вони поглинають його і перетво­рюють світлову енергію у хімічну, яку використовують для синтезу окремих компонентів клітини.

Ультрафіолетові промені (20-400 нм) є найбільш активною частиною сонячного спектру. Вони поглинаються білками та нуклеїновими кислотами мікроорганізмів і викликають у них незворотні зміни, інактивують ферменти. Найбільшу бактерицидну дію на мікроорганізми мають УФ-промені з довжиною хвилі 250-260 нм. Загибель мікроорганізмів може бути також наслідком дії УФ-променів на субстрат, у якому утворюються такі шкідливі речовини, як перекис водню, озон тощо.

 Кулясті бактерії гинуть швидше, ніж паличкоподібні, молоді клітини раніше від старих, вегетативні клітини швидше від спор, патогенні мікроби раніше, ніж сапрофіти. Серед неспороутворюючих бактерій найбільш стійкими до дії УФ-променів є пігментоутворюючі стафілококи і сарцини, у яких пігмент знаходиться у протоплазмі, а найбільш чутливими - бактерії, у яких пігмент виділяється в оточуюче середовище. Щоб знищити неспорові бактерії, необхідно 5 хвилин дії на них УФ-променів, спори і дріжджі – 10‑25 хв, плісеневі гриби – 50-75 хв. При обробці повітря УФ-променями впродовж 6 годин гине до 80 % бактерій і плісеневих грибів. Під впливом УФ-променів з довжиною хвилі 260‑300 нм дуже швидко інактивуються віруси.

Інфрачервоні промені негативно діють на мікроорганізми при обробці ними харчових продуктів, оскільки їхня енергія перетворюється у теплову.

Лазерне випромінювання – це пучок електромагнітних променів у діапазоні від інфрачервоного до ультрафіолетового спектрів. Його одержують за допомогою оптичних квантових генераторів – лазерів. Під впливом цього випромінювання підвищується температура, відбувається коагуляція білка і розпад клітин. Руйнівна дія лазерних променів на мікроорганізми залежить від сили випромінювання, довжини хвилі, тривалості імпульсів, властивостей середовища і опромінюваного об’єкту. За даними А.А. Кудряшової, спори мікроорганізмів більш стійкі до лазерного випромінювання, ніж вегетативні клітини.

Радіоактивне випромінювання. До них відносять α-промені (високошвидкісні ядра гелію), β-промені або катодні промені (високошвидкісні електрони) і γ‑промені (короткохвильові рентгенівські промені), що відрізняються один від одного природою і властивостями, зокрема, здатністю проникати через різні речовини. Під впливом радіоактивного випромінювання у мікроорганізмів порушується обмін речовин у клітинах, руйнуються молекулярні структури і ферменти. Ефективність дії залежить від дози опромінення. Дуже малі дози радіоактивних променів і короткочасна їх дія прискорюють ріст мікроорганізмів, активізують їх життєдіяльність, тобто, мають стимулюючий ефект.

Ультразвук – це звукові хвилі з частотою понад 20000 коливань за секунду (20 КГц), які не може сприймати людина. Ультразвукові хвилі характеризуються великим запасом механічної енергії, проникністю через тверді й газоподібні середовища, викликаючи у них при цьому ряд фізичних, електрохімічних і біохімічних явищ. При дії ультразвуку на мікроорганізми спостерігається розрив клітини або клітинної мембрани, відрив джгутиків у паличкоподібних форм. Природа згубної дії ультразвукових хвиль на мікроорганізми повністю ще не вивчена. Встановлено, що під впливом ультразвукових хвиль у цитоплазмі мікробної клітини утворюється кавітаційна порожнина (пухирець), заповнена парами рідини. У момент закриття кавітаційного пухирця виникає сильна ударна хвиля, яка майже миттєво пошкоджує мікроорганізми. Крім цього, виникнення кавітації супроводжується різким підвищенням температури.

Ультразвук використовують переважно для стерилізації питної води, рідких харчових продуктів, таких як молоко, соки, вино, пиво, а також з метою виділення з клітин мікробних ферментів, вітамінів, токсинів, окремих структур (ДНК, РНК, ядер, рибосом, мітохондрій та ін.).

Метод стерилізації за допомогою ультразвукових хвиль на практиці застосовують обмежено з техніко-економічних причин та через зниження якості деяких продуктів.

Механічна дія. Механічне часте і тривале струшування згубно діє на більшість мікроорганізмів. Незначні поштовхи часом стимулюють їх ріст. Найбільш чутливими до механічної дії є ґрунтові бактерії, наприклад, капустяна паличка Вас. megatherium, стійкими – рухливі бактерії і віруси. Заморожені бактерії під впливом механічного струшування руйнуються швидше. У природних умовах самоочищення гірських і швидкоплинних рік, струмків та інших водоймищ частково відбувається внаслідок механічного руйнування клітин мікроорганізмів сильними потоками води. Це явище підтверджується в лабораторних умовах. Так, якщо струшувати колбу з водою, у якій є мікроби, то через деякий час спостерігається механічне руйнування клітин. При наявності у колбі піску, подрібненого скла чи скляних кульок мікроби гинуть швидше.

Механічну дію на мікроорганізми використовують для отримання деяких складових частин мікробних клітин, а саме: білків, ферментів та ін.

Невагомість. Досліджено, що невагомість сповільнює ріст мікроорганізмів. На орбітальній станції «Салют-6» бактерії сінної палички Вас. subtilis на однаковому середовищі і за однакової температури розвивалися на 30 % повільніше, ніж на Землі. Є думка, що земне тяжіння забезпечує перемішування клітин і покращує умови метаболізму, чого немає у космосі.