1.4. ВПЛИВ НА МІКРООРГАНІЗМИ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ І БІОЛОГІЧНИХ ЧИННИКІВ
Ріст і розмноження мікроорганізмів відбуваються під постійним впливом умов зовнішнього середовища. Якщо вони оптимальні — закономірно спостерігаються притаманні певному виду фізіологічні процеси, і, навпаки, ріст і розмноження мікроорганізмів можуть гальмуватись, призупинятись у разі впливу на них різних несприятливих чинників. Останні можуть зумовити також загибель мікроорганізму. Чинники, що виявляють вплив на мікроорганізми, можна поділити на фізичні, хімічні та біологічні.
Вплив фізичних чинників. На мікроорганізми чинять вплив температура, вологість, осмотичний тиск, енергія випромінювання, струм, механічне струшування, тиск.
Дія температури. Температура має надзвичайно великий вплив на ріст і розвиток мікроорганізмів. Для кожного виду розрізняють оптимальний, мінімальний та максимальний температурні показники. Оптимальна температура забезпечує прояв фізіологічних процесів у мікроорганізму на належному рівні. Він росте і розмножується (зрозуміло, що за наявності інших необхідних чинників та умов: поживних речовин, рН тощо). Мінімальна температура — це температура, нижче від якої ріст і розмноження мікроорганізмів призупиняються. Максимальна температура є температурною межею, вище за яку ріст і розмноження мікроорганізмів неможливі.
Для різних видів мікроорганізмів ці показники неоднакові. Залежно від температурного оптимуму мікроорганізми поділяють на такі фізіологічні групи: психрофіли, мезофіли та термофіли (табл. 1). Усі мікроорганізми — представники нормальної мікрофлори тваринного організму та більшість патогенних видів є мезофілами. Психрофіли представлені переважно сапрофітами. Вони трапляються на поверхні рослин, у воді та ґрунті. Психрофіли — постійні мешканці північних морів, могильників.
Термофільні мікроорганізми трапляються у теплих мінеральних джерелах, воді й ґрунті, на рослинах та у травному каналі. Завдяки розмноженню термофілів відбувається знешкодження гною (біотермічне знезараження), нагрівання зеленої маси, вологого сіна, зерна. Такі мікроорганізми називають ще термогенними.
Вплив низьких (нижчих за мінімальні) температур на мікроорганізми. За низьких температур сповільнюються, а потім і зовсім припиняються обмінні процеси у мікроорганізмах, у результаті чого припиняється їх ріст і розмноження. Більшість мікроорганізмів добре переносять низькі температури. Так, за температури рідкого кисню (–253 °С) спори багатьох бацил і клостридій не гинуть упродовж кількох діб. За температури –190 °С збудники туберкульозу залишаються життєздатними впродовж 8 діб. Вірус грипу не знижує вірулентних властивостей при –70 °С впродовж року.
Вплив високих температур За температури, вищої за максимальну, обмінні процеси у мікробних клітинах різко знижуються. З підвищенням температури відбуваються незворотні явища, пов’язані з коагуляцією білків, і мікроорганізми втрачають життєздатність. Термостійкість мікроорганізмів залежить від їх виду, фізіологічного стану, середовища, в якому вони знаходяться. Так, спори значно стійкіші до впливу температури порівняно з вегетативними клітинами, мікроорганізми у вологому середовищі чутливіші до нагрівання, ніж у сухому, і т. д. Більшість неспороутворювальних бактерій та бацил і клостридій у вегетативній формі гинуть при 60 – 70 °С, тоді як спори витримують кип’ятіння іноді впродовж кількох годин.
Високі температури використовують у практиці ветеринарної медицини для знезараження хірургічних інструментів, позбавлення від мікроорганізмів живильних середовищ, різних матеріалів та продуктів.
Існує два варіанти застосування високої температури: пастеризація та стерилізація.
Пастеризація — це одноразове прогрівання за температури 63 – 70 °С (експозиція від кількох секунд до 30 хв). Під час пастеризації гинуть лише вегетативні форми бактерій, а спори залишаються життєздатними. Для того щоб вони не проросли, продукт охолоджують.
Стерилізація (знепліднення) — процедура, що забезпечує знищення всіх живих істот у матеріалі (на предметах), які стерилізують. Існують різні методи стерилізації. Найефективнішою є стерилізація в автоклаві, парою під тиском (температура ≈105 – 134 °С) упродовж 20 – 40 хв.
Вплив висушування. У мікроорганізмів, так само, як і в усіх інших живих істот, фізіологічні процеси без води неможливі. У міру висушування в них спочатку гальмуються, а потім призупиняються обмінні процеси і бактерії можуть загинути внаслідок зневоднення цитоплазми, денатурації білків. Більш стійкі до висушування стафілококи порівняно з пастерелами, лептоспірами, збудником сапу. Спори порівняно з вегетативними клітинами переносять висушування значно довше.
Бактерії значно легше витримують висушування за наявності білка (у молоці, кров’яній сироватці тощо).
Висушування застосовують з метою консервування продуктів тваринного чи рослинного походження. Розроблено методику так званого ліофільного висушування (ліофілізація), суть якої полягає в тому, що вологу відбирають у попередньо заморожених істот (за допомогою вакууму). Висушені ліофілізацією бактерії за звичайних умов зберігаються тривалий час.
Вплив осмотичного тиску. Осмотичний тиск середовища пов’язаний з концентрацією розчинених у воді речовин. Бактерії пристосувались до існування за нормального осмотичного показника, якому відповідає наявність мінеральних речовин, еквівалентна вмісту 0,9 % кухонної солі.
Підвищення концентрації розчинних речовин призводить до підвищення (гіпертонічний розчин), а зниження — до зменшення (гіпотонічний розчин) осмотичного тиску. Багато видів бактерій дуже чутливі до підвищення осмотичного тиску. Наявність підвищених концентрацій солей у навколишньому просторі призводить до зневоднення цитоплазми мікробної клітини, вона припиняє розмножуватись і може загинути. За наявності у середовищі понад 1 – 2 % кухонної солі в клітинах різко гальмуються фізіологічні процеси, а при 6 – 8 % — у більшості мікроорганізмів повністю припиняється розмноження.
Поряд з осмочутливими трапляються осмотолерантні види бактерій, які можуть існувати за наявності підвищеної концентрації солей у середовищі, що їх оточує (вміст солі та цукру до 8 – 10%) і тривалий час не гинути навіть за концентрації їх близько 20 %. Існують також мікроорганізми, котрі активно розмножуються лише за наявності підвищеної концентрації солей (осмофільні бактерії). До них належать мікроорганізми, що мешкають у солоних морях і озерах.
Вплив атмосферного тиску, механічного струшування та ультразвуку. Мікроорганізми надзвичайно стійкі до високого атмосферного тиску. Так, глибоководні мікроорганізми живуть і розмножуються в умовах, коли атмосферний тиск сягає 300 МПа. Проте вони чутливі до інтенсивного механічного струшування. Завдяки руху води в природних джерелах вона значною мірою звільняється від мікроорганізмів.
Використовуючи ультразвук, за якого частота коливання хвиль перевищує 20 тис. Гц, можна простерилізувати воду чи будь-який інший субстрат. Під впливом ультразвуку в цитоплазмі клітин утворюється кавітаційна порожнина (пухирець), заповнений парою рідини, де надзвичайно високий атмосферний тиск, що зумовлює руйнування цитоплазматичних структур і загибель мікробної клітини. Стійкість бактерій до ультразвуку різна. Виявилось, що чим дрібніші бактерії, тим вони менш чутливі до ультразвуку. Нині ультразвук використовують для руйнування клітин під час виготовлення вакцин, вивільнення ферментів, токсинів, нуклеїнових кислот та ін.
Електромагнітне випромінювання надвисокої частоти (НВЧ) зумовлює загибель мікроорганізмів. Клітини гинуть у результаті селективного виділення теплоти безпосередньо в мікробній клітині, завдяки так званій тепломеханічній дії.
Променева енергія — це енергія, що поширюється в просторі у вигляді електромагнітних хвиль. Найбільший вплив на мікроорганізми виявляють світлова енергія (сонячне випромінювання) та йо-нізуюче випромінювання (рентгенівське, гамма-випромінювання, альфа- й бета-частинки).
Сонячного світла потребують лише фотобактерії, на інші воно виявляє згубну дію. Пряме сонячне світло чинить бактерицидну дію. Більшість видів мікроорганізмів гине під його впливом упродовж кількох годин. Бактерицидна дія зумовлена ультрафіолетовим та короткохвильовим синім випромінюванням. Найбільш виразною бактерицидною активністю характеризується ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 200 – 300 нм.
Рентгенівське випромінювання у малих дозах стимулює розвиток і розмноження мікроорганізмів, у великій — вбиває їх. Проте трапляються мікроорганізми, надзвичайно стійкі до йонізуючої радіації. Серед них є такі, що розвиваються в умовах ядерних реакторів.
Продукти розпаду ядер — альфа, бета- і гамма-частинки також впливають на мікроорганізми. Згубна дія їх пов’язана з тим, що вони здатні проникати у клітини та йонізувати їх вміст, у результаті чого руйнуються молекулярні структури. Дуже малі дози цих випромінювань стимулюють ріст і розмноження бактерій, великі — навпаки, вбивають їх. Загалом мікроорганізми порівняно з людиною й тваринами значно резистентніші до йонізуючої радіації. Смертельна для мікроорганізмів доза у сотні тисяч разів перевищує смертельну дозу для людини. Бактерицидну дію ядерного випромінювання використовують для стерилізації біологічних препаратів та харчових продуктів.
Вплив хімічних речовин. На ріст і розмноження мікроорганізмів постійний вплив чинять різні хімічні чинники, основними з яких є рН середовища та різноманітні речовини з антимікробною дією.
Показник рН середовища. Співвідношення йонів Н+ та ОН– у середовищі істотно впливає на ріст і розмноження мікроорганізмів. Оптимальним для більшості бактерій є нейтральне або слабколужне середовище (рН = 7,0 – 7,4). Більшість грибів добре росте в межах рН = 1,0 – 11,0. Йони Гідрогену змінюють електропотенціал колоїдів клітинної оболонки мікроорганізму, що призводить до порушення в ньому нормального обміну речовин. Тому в процесі культивування мікроорганізмів готують штучні живильні середовища з потрібним показником рН, який для різних видів має конкретне значення.
Хімічні речовини з антимікробною дією. Існує значна кількість неорганічних і органічних речовин, які негативно впливають на мікроорганізми. За механізмом дії на мікроорганізми хімічні речовини прийнято поділяти на поверхнево-активні речовини, барвники, феноли, солі важких металів, окисники та групу формальдегіду.
Поверхнево-активні речовини спричинюють порушення функції клітинної стінки й цитоплазматичної мембрани. До них належать детергенти, жирні кислоти і мила.
Солі важких металів (срібло, цинк, мідь та ін.) спричинюють коагуляцію білків мікробної клітини. Вони можуть діяти й у надзвичайно малих концентраціях — олігодинамічна дія. У цьому випадку позитивно заряджені йони металу адсорбуються на негативно зарядженій поверхні бактерії, змінюючи проникність цитоплазматичної її мембрани, що призводить до порушень живлення і розмноження мікроорганізму.
Окисники діють переважно на сульфгідрильні групи активних білків.
Формалін (40%-й розчин формальдегіду) приєднується до аміногруп білків і зумовлює їх денатурацію. Органічні спирти, діетиловий ефір, ацетон руйнують поліпептидну оболонку мікробної клітини. Луги та неорганічні кислоти гідролізують білки клітини. Ціанисті сполуки, діоксид карбону і сірководень інактивують клітинні ферменти.
Хімічні речовини широко використовують з метою дезінфекції приміщень, знешкодження матеріалів, що містять різні патогени.
Для того щоб та чи інша речовина згубно подіяла на мікроорганізми, слід дотримуватись попередньо розроблених методик (інструкцій) щодо їх застосування. Важливими обставинами, що впливають на характер дії речовин, є концентрація, експозиція, температура розчину. Слід мати на увазі, що різні види бактерій (вірусів, грибів) характеризуються вибірковою чутливістю до різних хімічних речовин. Спори значно резистентніші до них порівняно з вегетативними клітинами. Важливо також пам’ятати, що тривале застосування одного й того самого препарату з метою дезінфекції у певному приміщенні може призводити до селекції резистентних форм. У цьому випадку доводиться замінювати речовину або підвищувати її концентрацію та експозицію.
Вплив біологічних чинників. На ріст і розмноження мікроорганізмів можуть впливати біологічні чинники. До них належать: мікроорганізми, макроорганізми, бактеріофаги, антибіотики.
Мікроорганізми. Мікроби є складовою так званого біоценозу — сукупності живих істот, що мешкають у певному середовищі з приблизно однотипними умовами. При цьому між різними видами мікроорганізмів, між мікро- та макроорганізмами спостерігаються певні взаємовідносини, що можуть мати різний характер. Так, взаємини поміж мікроорганізмами та макроорганізмом можуть виявлятись у вигляді симбіозу, коменсалізму, паразитизму, метабіозу та антагонізму.
Антибіотики — це хімічні речовини біологічного походження, що характеризуються бактеріостатичною чи бактерицидною дією на мікроорганізми. Залежно від продуцента розрізняють антибіотики мікробного походження (стрептоміцин, тетрациклін, неоміцин та ін.), антибіотики тваринного походження (лізоцим, екмолін) і антибіотики рослинного походження (іманін, рафанін та ін.). Розроблені також напівсинтетичні препарати антибіотиків.
Розрізняють антибіотики з вузьким і широким спектром дії. Перші впливають на обмежену кількість збудників (наприклад, лише на грампозитивні бактерії), решта — на широке їх коло (на грампозитивні й грамнегативні бактерії).
В основі механізму дії антибіотиків лежить здатність їх вражати певні ферментні системи, що призводить до порушення обміну речовин. Ці порушення можуть бути фатальними для мікробної клітини, і вона загине (бактерицидна дія антибіотика), або ж призупиниться її ріст і розмноження (бактеріостатична дія). Слід знати, що чутливість до антибіотика може бути пов’язана з видовою й штамо-вою належністю мікроорганізму, пам’ятати, що може розвинутися звикання їх до певних антибіотиків, особливо у разі, коли порушуються правила його застосування (не витримується доза, тривалість дії тощо).
До змісту