Лекция № 3. Микроорганизмы и окружающая среда

Вопросы:

• 1. Распространение микроорганизмов в природе.
• 2. Влияние физических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.
• 3. Влияние химических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.
• 4. Влияние биологических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.
• 1. Источники распространения микроорганизмов. Микроорганизмы широко распространены в природе, они обнаружены в пустынях и вечных льдах, на горных вершинах и в океанах. Главным источником распространения микробов является почва. Благоприятны для развития микроорганизмов растительные и животные остатки, загрязненные воды, пищевые продукты. Благодаря высокой приспособляемости микробы могут жить при температуре от +70−90^оС до — 5−8^оС. На распространение микроорганизмов влияют географические и климатические условия, больше микроорганизмов встречается в местах с теплым и влажным климатом.

Кроме почвы источником распространения является воздух, но как среда обитания он неблагоприятен из-за отсутствия в нем питательных веществ. Микробы попадают в воздух с пылью, чаще всего безвредны (возбудители различных брожений, пигментные микроорганизмы, плесневые и дрожжевые грибы). Большее количество микроорганизмов содержится в воздухе летом, чем зимой. Чем больше плотность населения, тем больше в воздухе микроорганизмов. Воздух является источником заражения микробами продовольственных товаров, технологического сырья, значительное содержание микроорганизмов в воздухе свидетельствует о низком санитарном состоянии помещения. При наличии более 500 — 1000 микробных клеток в 1 м³ воздуха — воздух считается очень грязным.

Вода тоже является естественным местообитанием микробов. В ней микроорганизмы могут находиться и размножаться. В водоёмы микроорганизмы попадают с почвой, пылью, различными органическими остатками. Микрофлора воды носит случайный характер, но есть и постоянные воды. Кроме постоянных безвредных сапрофитов, в воде встречаются патогенные микроорганизмы, возбудители желудочно-кишечных заболеваний человека. Согласно требованиям санитарных норм в воде не должно содержаться патогенных микроорганизмов, ионов токсичных металлов.

Все факторы внешней среды делят на 3 группы: физические, химические, биологические.

• 2 Физические факторы внешней среды:
• 1. Температура. По отношению к температурным условиям микроорганизмы делят на 3 группы:
  • — психрофилы — холодолюбивые формы, температурный оптимум их развития 10^оС, t_min 0C, t_max30C. Для них характерно медленное развитие и небольшая скорость роста, могут развиваться в продуктах, которые хранятся при низких температурах. Наиболее часто встречаются флуоресцирующие бактерии, бактерии из рода Pseudomonas, Chromobacteriym, Flavobacterium; некоторые токсичные формы бактерий Clostridium botulinum. Психрофилы способны развиваться при низких температурах, так как содержат в клетках ферменты, имеющие низкую температуру активации, а также в составе клеточных мембран содержится большое количество ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав липидов. В результате мембраны не замерзают.
  • — мезофилы — их температурный оптимум 30 — 45^оС, t_min 10−15C. В эту группу входят большинство известных микроорганизмов, в том числе болезнетворные.
  • — термофилы — теплолюбивые организмы, развиваются в зоне высоких температур, их делят на облигатные (оптимум 65−70^оС, t_min = 40−42^оС), факультативные (оптимум 45−60^оС, t_min 20С), термотолерантные (t_max 45−50C), экстремальнотермофильные (существуют при t 90^оС).

Возможность существования при высокой температуре объясняется особым составом липидных компонентов мембран, содержащих насыщенные жирные кислоты с разветвленными цепями, а также термостабильностью белков и ферментных и клеточных ультраструктур. Термофильные бактерии широко распространены в природе, обитают в горячих источниках, принимают участие в саморазогревании зерна, некоторые используют в биотехнологии для получения витаминов, ферментов, белков и так далее.

2. Влажность. Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутствии свободной воды. Большое внимание на рост микроорганизмов оказывает концентрация растворенных в воде соединений. Если эта концентрация мала, то раствор называют гипотоническим. При оптимальной концентрации этих веществ создаются условия для лучшего роста микроорганизмов, а увеличение концентрации вещества приводит к задержке роста микроорганизмов в связи с повышением остмотического давления в окружающей среде. Раствор с высоким осмотическим давлением называют гипертоническим.

В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри микробной клетки, микроорганизмы жить не могут, так как вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается и протопласт сжимается. Это явление называется плазмолизом. В среде с очень низким осмотическим давлением вода будет поступать внутрь клетки, оболочка может лопнуть. Это явление называется плазмопсисом.

Высокое осмотическое давление среды не препятствует росту лишь некоторых микроорганизмов, которые называют осмофильными. К ним относятся некоторые дрожжи, которые растут при содержании сахара 70 — 80%, многие плесневые грибы, особенно из рода Aspergillus и Penicillium. Эти грибы растут на едва увлажненных средах. Существуют микроорганизмы, способные жить при очень высоких концентрациях солей. Такие микроорганизмы — галофиты, они представлены двумя группами:

• 1) умеренные галофиты, которые хорошо растут в среде с 10% соли;
• 2) экстремальные галофиты растут в 12 — 15% соли, а некоторые — и в 32% растворе хлорида натрия;

Большинство микроорганизмов не переносят концентрации хлорида натрия свыше 5%. Устойчивость к обезвоживанию у разных бактерий неодинакова. Некоторые микроорганизмы в условиях недостатка воды обволакиваются гидрофильными слизистыми капсулами, которые активно поглощают влагу. При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются, но в высушенных продуктах сохраняется много живых микроорганизмов, хотя развиваться они не могут. При увлажнении высушенных продуктов начинается интенсивное размножение микроорганизмов, что приводит к порче продуктов (рыба, мясо, фрукты).

Бактерии с мелкими клетками устойчивы к высушиванию, грамположительные более устойчивы, чем грамотрицательные. Хорошо переносят высушивание споры. Применение ПАВ снижает поверхностное натяжение воды и делает растворы токсичными для микроорганизмов, так как происходит изменение физиологических процессов в клетках.

• 3. Давление. Обычно не оказывает существенного влияния на микробные клетки. Умеренное давление 1 10⁷ — 510⁷ Па угнетает рост и размножение микрофлоры.
• 4. Свет — основной фактор роста фотосинтезирующих зеленых и пурпурных бактерий, для большинства других микроорганизмов видимая и невидимая радиация бесполезна, и даже вредна. Бактерицидными являются ультрафиолетовые лучи, используемые для стерилизации воздуха. Их действие основано на повреждении ДНК и мембран клеток. Ионизирующая радиация (рентгеновские лучи, -лучи,-излучение) в низких дозах оказывает мутагенное действие на микроорганизмы, в высоких — летальное. Ионизирующую радиацию используют для стерилизации различных материалов, консервирования пищевых продуктов.
• 3. Химические факторы внешней среды:
• 1. Реакция среды (рН) — один из наиболее важных факторов, определяющих рост и развитие микроорганизмов. Для большинства микроорганизмов оптимальное значение рН 7. Но тем не менее, по отношению к кислотности микроорганизмы делят на группы:

a) Нейтрофилы — их оптимальный диапазон реакции среды рН 4−9. К ним относятся молочнокислые, уксуснокислые, маслянокислые бактерии, Bacillus sultillus, Escherichia coli, Streptococus faecalis. Среди нейтрофилов встречаются представители, обладающие кислотной и щелочной устойчивостью;

b) Алкалофилы, для них предпочтительна щелочная реакция среды (рН 10 и выше);

c) Ацидофилы предпочитают кислую реакцию среды (рН 3 и менее);

Известны также микроорганизмы, развивающиеся при экстремальных значениях рН, многие грибы предпочитают кислую реакцию среды рН 5−6. В процессе жизнедеятельности некоторые микроорганизмы способны подкислять среду или вырабатывать щелочные продукты. Это свойство микроорганизмов, а также отрицательное влияние кислотности на большинство микробов, используют при консервировании пищевых продуктов, приготовлении маринадов, квашении капусты.

• 2. Присутствие молекулярного кислорода в среде. По отношению к молекулярному кислороду микроорганизмы делятся на несколько групп:
• 1) облигатные (строгие) аэробы — нуждаются в кислороде для жизни, без кислорода жить не могут;
• 2) микроаэрофилы — потребляют кислород, но растут при его концентрации меньше, чем в воздухе;
• 3) облигатные анаэробы — для них кислород токсичен;
• 4) факультативные анаэробы — не погибают при контакте с кислородом.

Существуют микроорганизмы, которые в зависимости от условий среды могут иметь либо окислительный, либо бродильный тип обмена. Дрожжи при доступе кислорода окисляют сахар до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях вызывают спиртовое брожение (этиловый спирт + углекислый газ).

• 3. Химические соединения. Разделены на 3 группы:
• 1) антисептики — органические и неорганические вещества, обладающие бактерицидным действием (фенолы, спирты, галогены, перманганат калия). Механизм их действия состоит в ингибировании синтеза белка, РНК или в нарушении координации этих процессов;
• 2) ионы тяжелых металлов — при высокой концентрации обладают бактерицидным эффектом, происходит денатурация и ингибирование синтеза белка;
• 3) антибиотики — вещества, синтезируемые микроорганизмами и обладающие способностью в небольших концентрациях оказывать избирательное токсичное действие на другие микроорганизмы. Известно более 5000 антибиотиков, принадлежащих к различным группам химических соединений. Механизм их противомикробного действия может быть самым разным: нарушение синтеза клеточной стенки, ингибирование синтеза белка, РНК, ДНК. Способностью вырабатывать антибиотики обладают многие микроорганизмы, но больше таких микроорганизмов в группе актиномицетов.
• 4. Биологические факторы внешней среды. Это различные взаимоотношения между живыми существами, которые возникают в природных условиях и обуславливают присутствие разнообразных видов. Взаимоотношения между микроорганизмами могут приносить как пользу, так и вред.

Нейтрализм — взаимоотношения, при которых микроорганизмы, развиваясь, не оказывают друг на друга никакого влияния.

Конкуренция — взаимоотношения между видами, которые соревнуются за питание на одних и тех же субстратах.

Синтрофия — взаимоотношения, когда два или более вида бактерий способны существовать совместно и осуществлять процесс, который ни один из них не в состоянии выполнить самостоятельно.

Симбиоз — тип отношений между микроорганизмами, когда партнеры взаимно приспосабливаются к совместному существованию. Различают несколько типов симбиоза:

• 1) комменсализм — когда один из партнеров возлагает на другого регуляцию взаимоотношений с окружающей средой, но при этом не вступает с ним в тесный контакт;
• 2) мутуализм — оба партнера извлекают пользу от взаимосуществования, при этом ни один из них не может существовать без другого;
• 3) паразитизм — когда симбиоз полезен только одному из партнеров, а другой часто приобретает повреждения различной степени;

Хищничество — взаимоотношение, при котором одна группа микробов использует другую как пищу (вибропиявка).

Антагонизм — тип отношений, когда один микроорганизм задерживает или подавляет рост и развитие другого. Антагонистические отношения в зависимости от эффекта бывают 3-х типов:

• 1) бактериостатический — угнетается размножение бактерий;
• 2) бактерицидный — бактерии убиваются антибиотиками;
• 3) бактериолитический — клетки бактерий убиваются и растворяются;

Аменсализм — оба микроорганизма взаимно угнетают развитие друг друга.