Влияние химических факторов на микроорганизмы микробиология кратко

Обновлено: 07.07.2024

К химическим факторам, влияющим на жизнедеятельность микробов, относят: химический состав питательной среды, реакцию среды, окислительно-восстановительный потенциал среды и действие ядовитых (антисептических) веществ.

Состав питательной среды является основным показателем микроорганизмов. Он определяет ее питательную ценность, реакцию (рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Еh).

Реакция питательной среды (концентрация водородных ионов рН) играет роль фактора, определяющего границы существования живой материи. Кислотность среды воздействует на ионное состояние, а поэтому на доступность для организма многих химических веществ.

Ионы водорода влияют на электрический заряд коллоидов клеточной стенки. При сдвиге рН в кислую или щелочную сторону изменяется знак заряда поверхности клетки, что приводит к изменению ее проницаемости для различных молекул и ионов питательного субстрата и нарушению нормального процесса обмена веществ. Изменение рН также влияет на степень дисперсности коллоидов цитоплазмы, активность ферментов, интенсивность и направление биохимических реакций. Так, например, дрожжи в кислой среде (рН 4,5-5,0) образуют в основном этиловый спирт (спиртовое брожение), а в щелочной среде (рН 8,2) – глицерин (глицериновое брожение).

В зависимости от отношения микрооргаизмов к кислотности среды их подразделяют на ацидофилы (кислотолюбивые), нейтрофилы (нейтральная зона) и алкалофилы (щелочелюбивые). Микроорганизмы, обладающие способностью выживать при значениях рН за пределами 4-9, рассматриваются как кислото - и щелочетолерантные.

Кислотолюбивые микроорганизмы, растущие при очень низком значении рН, встречаются редко. К ацидофильным относятся уксуснокислые, молочнокислые, некоторые дрожжи и плесени. Уксуснокислые бактерии растут в пределах рН от 3 до 5, молочнокислые развиваются при рН от 3 до 8. Оптимум рН роста дрожжей находится в области 4,5 - 6. Однако некоторые из них способны развиваться в более кислой среде – рН 2, другие - в щелочной - 8,5.

К самым устойчивым к кислой среде относятся плесневые грибы, многие из них характеризуются ацидотолерантностью и способностью роста в широких пределах рН (от 2 до11).

Оптимальная рН для нейтральнофильных микроорганизмов находится в пределах 7,0. Типичными представителями нейтрофилов являются бактерии группы кишечных палочек (БГКП), стрептококки, бациллы, сальмонеллы и большинство других патогенных микроорганизмов.

К алкалофилам относят некоторые виды бактерий и мицелиальных грибов. Клубеньковые бактерии рода Ризобиум (Rhizobium) активно развиваются при рН 10-12. Бациллюс цереус (Bacillus cereus) и Бациллус циркулянс (Bacillus circulans) способны развиваться при рН 10-11. Энтерококки также толерантны к щелочной среде.

Многие микроорганизмы, развиваясь в питательной среде, выделяют продукты обмена, изменяющие реакцию субстрата, это является одним из факторов, обусловливающих антогонизм между различными группами микробов. Так, молочнокислые бактерии в процессе жизнедеятельности образуют молочную кислоту, которая подавляет развитие большинства гнилостных бактерий. Это используется при хранении кисломолочных продуктов, сыров, при консервировании силоса, квашении капусты и других продуктов. Зная отношение различных микроорганизмов к реакции среды и регулируя ее рН, можно подавлять или стимулировать их развитие.

Окислительно-восстановительный потенциал служит количественной мерой способности некоторых соединений или элементов отдавать электроны. Этот отсчитывается относительно потенциала молекулярного водорода. Окислительно-восстановительные условия питательной среды выражаются величиной окислительно-восстановительного потенциала, который принято обозначать Еh (rH2). Окислительно-восстановительный (ОВ) потенциал среды представляет собой отрицательный логарифм числа, выражающего давление (в МПа) молекулярного водорода при давлении Н2 0,1 МПа. ОВ потенциал среды равен 0. Величина Еh минимальна при насыщении среды водородом и максимальна при насыщении ее кислородом. Она измеряется от 0 до 41 единиц. При равновесии окислительно-восстановительных процессов в среде rH2 равен 28. Присутствие в среде окисляющих веществ (метиленового синего, резазурина, кислот, перманганата калия и др.) повышает значение потенциала. Значение же соединений, обладающих восстановительными свойствами (цистеин, тимоловая кислота), снижает потенциал. ОВ потенциал также резко уменьшается при отмирании микроорганизмов, лизисе их фагом и действии на культуры лизоцимом. Изменяя ОВ потенциал среды, можно повлиять на интенсивность размножения различных групп микроорганизмов и направленность вызываемых ими биохимических процессов.

По отношению к окислительно-восстановительным условиям среды микроорганизмы разделяют на четыре основные группы: облигатные аэробы, облигатные и факультативные - анаэробы и микроаэрофилы. Облигатные анаэробы развиваются при низком значении Еh (0-14), факультативные анаэробы при Еh (0-30), аэробные микроорганизмы Еh (11-35), микроаэрофилы- Еh (10-20).

Влияние антисептических веществ на микробную клетку может проявляться различным действием. Одни подавляют жизнедеятельность или задерживают развитие чувствительных к ним микробов. Такое действие называют бактериостатическим (в отношении бактерий) или фунгистатическим (в отношении мицелиальных грибов). Другие вещества вызывают гибель микроорганизмов, оказывая на них соответственно бактерицидное или фунгицидное действие. В очень малых дозах многие химические яды оказывают даже благоприятное действие, стимулируя размножение или биохимическую деятельность микробов. В каждом конкретном случае доминирующий эффект зависит от химической природы этого антимикробного агента.

Эффективность действия химических веществ на микроорганизмы зависят от природы вещества, концентрации, биологических особенностей микроорганизмов, продолжительности воздействия, температуры, состава и рН среды. Чувствительность микроорганизмов к одному и тому же антисептику неодинакова.

Из неорганических соединений сильными ядами для микробов являются: соли тяжелых металлов (свинца, меди, цинка, серебра, золота, ртути),

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

различные окислители (хлор, хлорная известь, хлорамин, йод, бром, перманганат калия, пероксид водорода, озон, диоксид углерода, аммиак и др.),

минеральные кислоты (борная, серная, хлористоводородная, азотная и др.),

щелочи (гидроксид натрия, гидроксид калия и др.).

Среди органических соединений губительное воздействие оказывают органические кислоты (молочная, салициловая, масляная, уксусная, бензойная и др.), используемые в качестве консервантов в пищевой и парфюмерно-косметической промышленностях. Консервант должен обладать определенными липофильными свойствами для того, чтобы проникать через гидрофобную клеточную оболочку или разрушать ее. В то же время, для антимикробного действия консерванту требуется хорошая растворимость в воде, так как развитие микроорганизмов происходит исключительно в водной фазе и поэтому консервант должен находиться именно в ней.

Эффективность конкретного консерванта неодинакова в отношении плесневых грибов, дрожжей и бактерий, то есть он не может быть эффективен против всего спектра возможных микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов.

Кроме того, к дезинфицирующим веществам этой группы относятся также диэтиловый эфир, спирты жирного и ароматического ряда (этиловый, бутиловый, амиловый, пропиловый и др.), эфирные масла, смолы, дубильные вещества, органические красители, формалин, фенол, крезол и их производные..

Химические вещества, бактерицидно действующие на микроорганизмы в небольших концентрациях, называют антисептическими или дезинфицирующими. Механизм бактерицидного действия антисептических веществ заключается в том, что в результате взаимодействия химического яда с веществами цитоплазмы в ней происходят необратимые изменения, вызывающие нарушения процессов жизнедеятельности и приводящие к гибели клетки.

Соли тяжелых металлов вызывают коагуляцию белков клетки. Олигодинамическое действие серебра и др. тяжелых металлов заключается в том, что положительно заряженные ионы металлов адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности микробов, изменяется проницаемость их цитоплазматической мембраны и при этом нарушаются процессы питания и размножения микроорганизмов.

Окислители действуют на сульфгидрильные группы активных белков и влияют на другие группы (феноловые, тиоловые, индольные и аминные).

Неорганические кислоты и щелочи гидролизуют белки клетки. Диоксид углерода, сероводород, цианистые соединения инактивируют ферменты клетки.

Органические спирты, диэтиловый эфир, ацетон разрушают полипептидную оболочку клетки. Формалин (40%-й раствор формальдегида) присоединяется к аминогруппам белков и вызывает их денатурацию.

Многие антисептические вещества используются в медицине, сельском хозяйстве, в промышленности и в быту, как дезинфицирующие средства для борьбы с болезнетворными микробами. Широко применяют хлор и его соединения для дезинфекции питьевой воды, тары, оборудования, инвентаря.

Антисептические вещества используют для защиты от микробных поражений текстильных материалов, древесины, бумаги и изделий из нее, других материалов и объектов.

Применение антисептиков для консервирования продуктов ограничено и строго нормируется санитарным законодательством.

В нашей стране разрешено использовать немногие химические консерванты в малых дозах (от сотых до одной двух десятых процента) и только для некоторых пищевых продуктов.

Для консервирования полуфабрикатов из плодово-ягодного сырья, рыбных консервов, кетовой икры используют бензойную кислоту и ее натриевую соль. В качестве консерванта для многих пищевых продуктов все чаще применяют сорбиновую кислоту и ее соли. Эта кислота менее токсична, чем бензойная и сернистая, и более активно воздействует на микроорганизмы. При концентрации 0,03-0,1% эта кислота на длительное время задерживает рост грибов, дрожжей и некоторых бактерий и при этом безвредна для людей, не придает продукту посторонних вкуса и запаха. Особенно эффективно действие сорбиновой кислоты в кислой среде рН 3-4,5. Этот консервант вводят непосредственно в продукт или обрабатывают им поверхность продукта, оберточные материалы.

Для борьбы с картофельной болезнью хлеба, для предотвращения его плесневения рекомендуется введение в тесто солей пропионовой кислоты. Этот консервант можно применять и для некоторых рыбных продуктов.

К химическим факторам внешней среды, оказывающим влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся состав среды и концентрация в ней некоторых веществ, наличие или отсутствие ингибиторов, тормозящих рост микробов, кислотность, окислительно-восстановительные условия среды.

Состав среды и концентрация в ней веществ.

Развитие микроорганизмов в пищевом сырье и продуктах происходит в присутствии сложной смеси различных минеральных и органических соединений. Они используются микроорганизмами в качестве питания и энергетического материала и могут влиять на их развитие, а также определять окислительно-восстановительные условия среды. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы потребляют из среды некоторые питательные вещества и концентрация их в среде уменьшается. Кроме того, из их клеток выделяются некоторые вещества - продукты обмена, которые также влияют на химический состав среды. Поэтому при развитии микроорганизмов состав среды и содержание в ней различных веществ изменяются.

Для роста и размножения микроорганизмов важное значение имеет концентрация питательных веществ. Для каждого из них существует минимальная концентрация, при которой клетка может ассимилировать это питательное вещество. При оптимальной, т. е. достаточной, концентрации микроорганизмы растут с наибольшей скоростью. Дальнейшее увеличение концентрации некоторых питательных веществ, например углеводов, приводит к угнетению роста. Поэтому при максимальной концентрации еще происходит незначительное размножение клеток, но далее оно уже Приостанавливается.

Оптимальные концентрации для разных веществ очень различны. Слишком высокие концентрации некоторых веществ, в том числе и питательных, вредны, так как создают высокое осмотическое давление в среде. При этом вода из клеток микробов выходит наружу, клетка обезвоживается, цитоплазма сжимается. Происходит явление, называемое плазмолизом, при котором микроорганизмы погибают. Такое положение создается в среде с высоким содержанием поваренной соли, например при посоле рыбы.

Существуют и осмофильные формы микробов, которые предпочитают среды с высоким осмотическим давлением. Так, устойчивые к высоким концентрациям солей солелюбивые микроорганизмы живут в соленых водоемах или засоленных почвах - солончаках. Другие микроорганизмы могут существовать в средах с высоким содержанием сахара. Такие осмофилы распространены довольно широко. Например, в меде, сахарных сиропах, варенье встречаются осмофильные дрожжи, способные жить при концентрации сахара 70-80 %. Эта способность выработалась путем приспособления к условиям существования.

Когда концентрация веществ в клеточном соке микроорганизмов выше, чем в окружающей среде, то в клетку извне поступает вода и создается упругое, напряженное состояние - туpгoр. При этом цитоплазма клетки плотно прижимается к мембране, растягивая ее. В состоянии тургора клетки микроорганизмов могут нормально осуществлять процессы жизнедеятельности.

Ингибиторы.

Некоторые ядовитые вещества тормозят или приостанавливают (ингибируют) развитие микроорганизмов. При действии ядовитых веществ большое значение имеет их концентрация.

Известно, что многие сильнодействующие ядовитые вещества в очень малых дозах стимулируют жизнедеятельность микроорганизмов. Однако при повышении концентрации эти вещества проявляют уже бактерицидное (убивающее бактерии) действие в отношении вегетативных клеток, а затем и в отношении спор. Ядовитые вещества, применяемые для борьбы с микроорганизмами, называют антисептиками. Большое значение для уничтожения микробов имеет продолжительность контакта ядовитых веществ с кислотами.

Некоторые химические соединения вызывают лишь временную остановку жизнедеятельности микробов, которая затем возобновляется после удаления ядовитого вещества. Такое действие химических веществ называется бактериостатическим.

Сильными ядами для микроорганизмов являются соли тяжелых металлов, например ртути и серебра, уже при концентрации 0,0001 % и меньше. Механизм действия ядовитых веществ различен. Одни, такие, как фенолы, ингибируют окислительные реакции микроорганизмов, угнетая их развитие и приводя к гибели. Другие, например кислоты, щелочи и сильные окислители, разрушают белковые соединения в клетках микроорганизмов. Альдегиды и некоторые минеральные соли вступают в соединения с белками цитоплазмы микроорганизмов и подавляют их химическую активность.

Кислотность среды.

Для развития микроорганизмов большое значение имеет кислотность среды, как общая кислотность (титруемая), так и концентрация водородных ионов рН (активная). Титруемая кислотность определяется количеством в среде органических и неорганических кислот. Микроорганизмы различаются по способности размножаться в кислых средах: есть кислотоустойчивые бактерии (например, молочнокислые, уксуснокислые), но есть и кислоточуствительные (например, гнилостные бактерии).

То же и в отношении активной кислотности среды, т. е. рН.

Каждый микроорганизм может проявлять жизнедеятельность только в определенных пределах значений рН, так как от них зависит активность ферментов микробной клетки. Отношение микроорганизмов к реакции среды разнообразно. Отдельные микроорганизмы могут развиваться в широких пределах величины рН и легко переносят подкисление или подщелачивание среды, однако для большинства допустимые пределы изменения рН сравнительно узки.

Активная реакция среды вне пределов, пригодных для развития, действует губительно. Большинство бактерий развивается в нейтральной среде; дрожжи и кислотообразующие микроорганизмы - в слабокислой; в более кислых продуктах могут расти только плесневые грибы. Гнилостные бактерии в кислой среде не размножаются и не разлагают белков. Кишечная палочка и паратифозные бактерии развиваются в слабокислой среде, но при рН до 3-3,5 погибают очень быстро. Известное значение при этом имеет химическая природа кислоты. Отношение некоторых микроорганизмов к активной кислотности среды показано в табл. 2.

Таблица 2. Кардинальные точки рН среды для роста некоторых микроорганизмов.

Химическая природа веществ и их концентрация в питательной среде оказывают большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов: они определяют качественное распределение микроорганизмов в природе и направленность вызываемых ими биохимических процессов. Особенно большое влияние оказывают реакция среды, молекулярный кислород и различные химические вещества.

Реакция среды. Под реакцией среды подразумевается степень ее кислотности или щелочности. Этот фактор имеет важное значение в жизни микроорганизмов. Наибольшей активностью в отношении микроорганизмов обладают водородные и гидроксильные ионы, на которые диссоциируют кислоты и щелочи в растворе. Чем выше кислотность среды, тем больше концентрация ионов водорода в растворе.

Различные микроорганизмы по отношению к реакции среды резко отличаются друг от друга. Для одних пределы колебания рН, в которых возможна их жизненедятельность, довольно узки, другие — сравнительно легко переносят как подкисленные, так и щелочные среды. Например, бактерии рода Mycobacteriumразвиваются при рН от 7,5 до 7,8, а микроскопические грибы — от 1 до 10. В качестве общего правила можно отметить, что для большинства бактерий наиболее благоприятной средой являются нейтральная или слабощелочная, а для дрожжей и микроскопических грибов — слабокислая.

Существует целый ряд микроорганизмов, способных регулировать рН среды в соответствии со своими потребностями. Дрожжи, например, при рН 5,5 — 4,5 в качестве основных продуктов брожения образуют спирт и углекислоту, а при рН 7,5 накапливают глицерин и уксусную кислоту. Выход спирта при этом снижается. Под влиянием субстрата физиологическая деятельность дрожжей изменяется: они начинают вырабатывать уксусную кислоту, снижающую рН. Проявляют способность к регулированию среды также микроскопические грибы, молочнокислые бактерии.

Некоторые микроорганизмы, устойчивые к низким рН (от 3 до 4), в процессе жизнедеятельности выделяют в качестве продуктов обмена различные кислоты: уксуснокислые бактерии образуют уксусную кислоту, молочнокислые — молочную, пропионовокислые — пропионовую и т. д., поэтому их относят к ацидофильным (кислотолюбивым). По мере развития данного микроорганизма в среде будет накапливаться образуемая им кислота и реакция среды будет меняться. Изменение реакции субстрата обусловливает смену одних микроорганизмов другими. Микроорганизмы, развивающиеся при высоких значениях рН, называются алкалифильными (щелочелюбивыми), например Vibriocholerae лучше развивается при рН 9.

Масштаб регулирования среды микроорганизмами сравнительно невелик. Диапазон колебания рН не превышает нескольких единиц, за пределами которых микроорганизмы становятся недеятельными и очень скоро погибают.

В лабораторной практике для выращивания отдельных видов микроорганизмов приготовляются питательные среды с оптимальными для данных микроорганизмов значениями рН. Кислая реакция среды оказывает губительное действие на гнилостные и многие патогенные микррорганизмы.

Е. coli и бактерии рода Salmonella, имеющие нижний предел рН 4,5, погибают при рН 3,5 в течение нескольких часов. Вегетативные клетки микроорганизмов под влиянием высокой кислотности погибают быстрее, чем споры. Угнетающее действие кислой.среды зависит не только от величины рН, но и от природы кислоты, взятой для создания этой реакции.

У минеральных кислот токсическое действие в основном связано с их степенью диссоциации. Токсичность же органических кислот не пропорциональна их степени диссоциации, а связана с ядовитым действием недиссоциированных молекул или анионов.

Действие кислой среды на гнилостные микроорганизмы положено в основу таких методов консервирования, как маринование сельди.

Молекулярный кислород. Жизнедеятельность микроорганизмов находится в прямой зависимости и от окислительно-восстановительных условий в среде. Окислительно-восстановительные условия в среде характеризуются окислительно-восстановительным потенциалом rН₂. Величина rН₂ колеблется от 0 до 41. Чем меньше его числовое выражение, тем больше концентрация водорода в среде и тем сильнее в ней выражены восстановительные, или анаэробные, условия. Чем выше значение rН₂, тем больше насыщение среды кислородом. Так, в водном растворе, насыщенном кислородом, rН₂ соответствует 41, а в растворе, насыщенном водородом, rН₂ равно 0. При равновесии окислительно-восстановительных процессов rН₂ равно 28.

Различные микроорганизмы могут развиваться в определенных границах гН₂. Анаэробные бактерии развиваются при гН₂ от 0 до 14, факультативные анаэробные — при rН₂ от 0 до 20, аэробы — при rН₂ от 14 до 30. Регулируя окислительно-восстановительные условия среды, можно резко изменять интенсивность развития микроорганизмов и их биохимическую активность. Например, добавляя к среде вещества, снижающие rН₂, можно добиться роста анаэробов в присутствии воздуха и, наоборот, повышая rН₂, можно выращивать аэробов в анаэробных условиях.

Таким образом, изменяя реакцию среды, ее rН₂, когда этого требуют интересы производства, можно регулировать жизнедеятельность микроорганизмов, изменять ход биохимических процессов, способствовать развитию полезных и подавлять развитие нежелательных.

Химические вещества. Химические вещества, вызывающие гибель микроорганизмов, называются дезинфицирующими, или антисептиками (греч. сепсис — гниение). Наиболее сильнодействующими из них являются: из неорганических соединений — соли тяжелых металлов (ртути, меди, особенно серебра), многие окислители (хлор, озон, йод, перекись водорода, хлорная известь, перманганат калия), щелочи (едкий натр) и кислоты (сернистая, фтористоводородная и борная кислоты); из органических соединений — спирты, фенолы, альдегиды, особенно формальдегид. К различным антисептикам одни и те же микроорганизмы проявляют разную степень устойчивости: под действием одних микроорганизмы моментально гибнут, под действием других приостанавливают свое развитие, действие третьих не оказывает на них никакого влияния.

Действие химических веществ называется бактерицидным, если происходит гибель микроорганизмов, или бактериостатическим, если они вызывают временную остановку жизнедеятельности микроорганизмов.

Наблюдается неодинаковое действие одного и того же антисептика на различные виды микроорганизмов.

Даже различные штаммы одного и того же вида микроорганизма обнаруживают различную устойчивость к действию одного и того же антисептика. Эту разницу объясняют неодинаковой структурой микроорганизмов. Грамотрицательные микроорганизмы, например, менее чувствительны к анилиновым краскам, чем грамположительные, что является важным диагностическим признаком.

Антисептики значительно сильнее действуют на вегетативные клетки микроорганизмов и гораздо слабее на споры. Высокая устойчивость спор к антисептикам может быть объяснена малой проницаемостью их наружной оболочки и является свидетельством того, что причина действия антисептика связана с его влиянием на физиологическое состояние цитоплазмы клетки.

Бактерицидное действие антисептика зависит от его концентрации. При одинаковой степени разведения двух разных бактерицидных веществ токсичность их может быть совершенно различной. Не менее важным фактором активности антисептиков является температура и рН среды. Как правило, с повышением температуры токсичность антисептика возрастает. Температура в данном случае влияет не только на активность самого антисептика, но и на микроорганизмы. При температурах, превышающих максимум для роста микроорганизмов, даже незначительные дозы антисептиков могут вызывать летальное действие. Аналогичное действие оказывает и рН среды.

Разнообразие химических и биологических свойств антисептиков позволяет использовать их на практике для различных целей. Система мер, полностью предотвращающих проникновение в пищевые продукты микроорганизмов, что достигается дезинфекцией всех предметов и материалов, соприкасающихся с пищевым сырьем и готовым продуктом, называется асептикой.

Некоторые антисептики используются в качестве консервантов пищевых продуктов. При этом использование их в качестве консервантов пищевых продуктов строго нормируется санитарным законодательством СССР, так как большинство антисептиков токсично не только для микроорганизмов, но и для человека. Совершенно неприемлемы для консервирования пищевых продуктов сулема, фенол, бром, йод, мышьяк, соли меди.

Идеальные консерванты пищевых продуктов должны обладать высокой бактерицидностью и быстротой действия, т. е при малых концентрациях в короткий срок убивать самые стойкие Микроорганизмы. В то же время они должны быть или совершенно безвредными для человека, или, по крайней мере, малотоксичными, или легко удаляться из продукта перед употреблением его в пищу. Антисептики должны быть устойчивыми к различным условиям среды, не разрушать металл, краски, дерево, быть дешевыми, не должны изменять ни цвета, ни запаха, ни вкуса консервируемого продукта, т. е не должны вызывать каких-либо побочных явлений. Но ни один из существующих антисептиков не отвечает этим требованиям и имеет те или иные недостатки.

Из неорганических соединений более всего соответствуют перечисленным требованиям перекись водорода (3 — 6%), марганцевокислый калий (2 — 5%), бисульфат натрия (0,25%), различные соединения хлора и др. Так, для обеззараживания различных предметов и оборудования на рыбообрабатывающих предприятиях используются такие хлорсодержащие вещества, как хлорамин (0,2 - 0,5%) , хлорная известь (от 0,1 до 20%), гипохлорид натрия, который в незначительной концентрации (0,01%) уничтожает бактерии родов Salmonella, Staphylococcus, Е. coli. Высокой активностью обладает новый препарат дихлордиметилгидантоин в концентрации 0,03 — 0,3%, а также четвертичные аммониевые соли. Они отличаются не только антисептическими, но и моющими свойствами.

Из органических соединений для хранения рыбы и рыбных продуктов используются: сорбиновая кислота (0,1 — 0,2%), бензойная кислота и бензойнокислый натрий (0,1%), уротропин (0,1 — 0,2%) и др.

Кроме растворов, для увеличения сроков хранения рыбы и рыбных продуктов используют химические вещества в газообразном состоянии, в частности углекислый газ (СO₂). В малых дозах СO₂ необходим для микроорганизмов и действует, по видимому, как стимулятор роста. Его угнетающее действие на жизнедеятельность микроорганизмов начинает проявляться лишь при довольно высоких концентрациях. Чувствительность к СO₂ у различных микроорганизмов варьирует в очень широких пределах. Так, прорастание спор плесеней задерживается при содержании в воздухе 4% СO₂. При 20%-ном содержании углекислого газа скорость роста микроорганизмов значительно замедляется по сравнению с хранением рыбы в воздушной среде, причем торможение роста тем сильнее, чем ниже температура хранения. Однако существуют и такие микроорганизмы, которые продолжают расти даже при 60 — 80%-ной концентрации СO₂. Очень стойким к действию СO₂ оказался Proteusvulgaris. Установлено, что углекислый саз с успехом можно использовать при хранении и перевозках скоропортящихся продуктов при одновременном их охлаждении. Оптимальная концентрация при этом 10%. В таких условиях продукты не подвергаются микробиальной порче 60 — 70 дней.

Исследованиями последних лет установлено бактерицидное действие некоторых эфирных масел, смол и дубильных веществ. Антисептические свойства пряностей легко могут быть объяснены бактерицидностью содержащихся в них эфирных масел. Бактерицидным действием обладает наиболее древний способ консервирования — копчение. В состав коптильного дыма, а также применимых коптильных жидкостей входят такие бактерицидные вещества, как формальдегид, фенол, крезол, ароматические смолы, алифатические кислоты, которые предохраняют продукты от бактериальной порчи.

Действие компонентов дыма на микроскопические грибы выражено слабее. Поэтому копченые продукты подвержены плесневению в большей степени, чем бактериальной порче.

ГЛАВА 7. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА МИКРООРГАНИЗМЫ

7.2. ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Реакция среды (pH) определяется концентрацией водородных [Н + ] и гидроксильных [ОН - ] ионов в водном растворе. Для количественной характеристики реакции среды вводят величину pH — водородный показатель. Реакция среды является одним из важных факторов, определяющих скорость роста бактерий. Под влиянием pH среды может изменяться активность ферментов, а в связи с этим и скорость биохимических реакций, протекающих в клетке. Кроме того, может изменяться и биохимическая направленность осуществляемых микроорганизмами превращении. Так, одни и те же дрожжи в кислой среде образуют из сахара этиловый спирт и диоксид углерода, а в щелочной среде выход спирта снижается и увеличивается содержание глицерина.

Изменение реакции среды оказывает влияние на электрический заряд поверхности клетки, что приводит к изменению проницаемости клеточной стенки для различных молекул и ионов питательного субстрата и нарушению нормального процесса обмена веществ.

Жизнедеятельность каждого вида микроба возможна лишь в определенном диапазоне pH. Предельные значения pH среды для микроорганизмов колеблются от 4,0 до 9,0. Наиболее благоприятные для роста значения pH колеблются в довольно узких пределах. В зависимости от оптимального значения pH среды на микроорганизмы различают ацидофилы — растущие в кислой среде, нейтрофилы — растущие в среде с нейтральным значением pH и алкалофилы — растущие в щелочной среде. Плесневые грибы и дрожжи предпочитают кислую среду — pH 4,0—6,0. Большинство патогенных и гнилостных бактерий лучше растут в нейтральной среде — pH 6,5—7,5. Некоторые виды бактерий могут размножаться в сильно щелочной среде. Например, уробактерии растут при pH около 9,0. Бактерии, которые в процессе своей жизнедеятельности образуют кислоту, более выносливы к снижению pH среды. Это уксуснокислые и молочнокислые бактерии. Их относят к кислототолерантным.

Устойчивость микроорганизмов к кислой и щелочной среде объясняется спецификой химизма их клеточных барьеров. Цитоплазматическая мембрана микроорганизмов мало проницаема для водородных и гидроксильных ионов. Помимо этого, в процессе метаболизма микробы способны удалять из клетки ионы [Н + ] или [ОН - ], поддерживая внутриклеточное значение pH в нейтральном диапазоне, несмотря на то что значения pH среды могут колебаться в широких пределах.

Отрицательное влияние повышенной кислотности среды на большинство микроорганизмов используется в пищевой промышленности как способ консервирования путем маринования или квашения. В первом случае к продукту добавляют небольшое количество уксусной или лимонной кислоты, во втором — дают возможность размножаться молочнокислым бактериям, которые накапливают молочную кислоту и этим препятствуют развитию гнилостных бактерий.

Окислительно-восстановительные условия среды. В живых клетках непрерывно протекают многочисленные окислительно-восстановительные процессы, скорость которых определяется окислительно-восстановительным потенциалом (E_h). Этот показатель характеризует способность раствора отдавать или принимать электроны и выражается отрицательным логарифмом парциального давления молекулярного водорода в растворе. Это степень насыщенности среды кислородом или водородом. Если водный раствор насыщен водородом, то E_h = 0, а если кислородом, то E_h = 41. У анаэробных микроорганизмов процесс получения энергии протекает без участия свободного кислорода, и их жизнедеятельность проявляется при E_h от 0 до 12, достигая максимальной скорости размножения при E_h 3—5. Аэробные микроорганизмы размножаются в интервале E_h 14—36.

Регулируя окислительно-восстановительные условия среды, можно повлиять на скорость размножения микроорганизмов. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы могут изменить окислительно-восстановительные условия среды, выделяя в нее различные продукты обмена и тем самым приспосабливая среду к своим потребностям. E_h измеряют, погружая инертный электрод (обычно из платины) в раствор и регистрируя разницу в показаниях между платиновым электродом и электродом сравнения.

Кислород. Среди прокариот существуют значительные различия в отношении к молекулярному кислороду. По этому признаку их делят на несколько физиологических групп.

1. Облигатные аэробы — способны расти только в присутствии кислорода воздуха (псевдомонады, бациллы, уксуснокислые бактерии, микобактерии туберкулеза). Многие облигатные аэробы способны выдерживать концентрацию кислорода порядка 40—60 %. Однако среди этой группы имеются бактерии, для которых молекулярный кислород необходим в незначительных количествах — не более 2 %. Такие микроорганизмы получили название микроаэрофилов (бруцеллы, лептоспиры).

2. Факультативные анаэробы могут расти как в присутствии кислорода, так и без него. Многие прокариоты, относящиеся к этой группе, приспособились к существованию в зависимости от наличия или отсутствия кислорода воздуха в среде и могут переключаться с одного метаболического пути на другой, т. е. с дыхания на брожение и наоборот. Представителями этой группы являются энтеробактерии (сем. Enterobacteriaceae). В аэробных условиях они получают энергию в процессе дыхания, так как у них имеются ферменты дыхательной цепи. В анаэробных условиях энтеробактерии осуществляют муравьинокислое (смешанное) брожение.

3. Облигатные анаэробы — способны жить и размножаться только в отсутствие кислорода воздуха. В клетках облигатных анаэробов окисление веществ субстрата происходит без участия кислорода с выделением небольшого количества энергии. Для них акцептором водорода являются окисленные минеральные соединения. Строгими анаэробами являются метанобразующие бактерии, сульфатредуцирующие, клостридии столбняка, ботулизма, маслянокислые бактерии и др.

Молочнокислые бактерии относят к факультативно анаэробным микроорганизмам, однако они обладают метаболизмом только анаэробного типа, хотя и могут расти в присутствии кислорода воздуха, но не способны его использовать, поэтому выделены в отдельную группу аэротолерантных анаэробов.

Производные кислорода оказывают токсический эффект на прокариоты. При окислении кислородом флавопротеидов в качестве одного из продуктов образуется токсическое соединение — пероксид водорода:

Пероксид водорода образуется у всех аэробов и анаэробов, растущих в аэробных условиях, так что его возникновение в клетках прокариот — естественный процесс. Аэробные и аэротолерантные бактерии содержат фермент каталазу, который расщепляет пероксид водорода и тем самым защищает клетку от его токсического действия:

Только одна группа бактерий, способных расти в присутствии кислорода воздуха, не содержит каталазы — это молочнокислые бактерии. Однако они не накапливают значительных количеств пероксида водорода, так как последний разлагается у них под действием ферментов — пероксидаз.

У анаэробных бактерий каталаза и перксидаза отсутствуют, поэтому Н₂О₂ накапливается в среде и оказывает на них токсическое действие.

Если восстановление молекулярного кислорода происходит ступенчато, то при переносе одного электрона на О₂ образуется супероксидный анион:

Экзогенно возникшие супероксид-анионы могут проникать в клетку и участвовать в реакциях, приводящих к различным повреждениям внутри нее. Многие прокариоты имеют специфическую защиту от супероксид-анионов в виде фермента супероксиддисмутазы (СОД), катализирующего превращение этого радикала в кислород и пероксид водорода:

Таким образом, супероксиддисмутаза, каталаза и пероксидаза защищают клетку от токсичных продуктов кислородного метаболизма.

Химические вещества. Эффект действия химических веществ на микроорганизмы может быть различным: стимулирующим рост, микробостатическим (задерживающим рост) и микробоцидным (приводящим к гибели клетки). Получаемый эффект зависит от самой природы химических соединений, их концентрации, а также от сопутствующих факторов среды — температуры, pH и др.

Химические вещества, оказывающие губительное действие на микроорганизмы, называются антисептиками. Действие химических веществ, вызывающее уничтожение микроорганизмов, называется дезинфекцией.

К эффективным антисептикам относятся сильные окислители: хлор-, бром-, йодсодержащие соединения, а также перманганат калия, пероксид водорода. Хлорсодержащими препаратами являются хлорная известь, хлорамины, пантоцид, неопантоцид, натрия гипохлорид, хлордезин, сульфохлорантин и др. На основе йода и брома созданы перспективные препараты йодопирин и дибромантин. Бактерицидное действие этих веществ основано на поражении ферментных систем и белков микробной клетки. Жидкий хлор широко применяют для обеззараживания питьевой воды, а 0,5—5,0 %-ные водные растворы хлорной извести и хлорамина — для дезинфекции производственного оборудования, помещений и т. д.

Синильная кислота и ее соли (KCN) действуют как дыхательные яды. Связывая железо, они блокируют функцию терминального дыхательного фермента — цитохромоксидазы. Окись углерода (СО) подавляет дыхание, конкурируя со свободным кислородом за цитохромоксидазу.

Антимикробным действием обладают также кислоты и щелочи. Они вызывают, в основном, гидролиз белков клетки. На предприятиях пищевой промышленности мойку и обработку оборудования проводят с использованием растворов кислот и щелочей определенной концентрации.

Органические соединения, такие как этанол, крезол, фенол и его производные, формальдегид, обладают антимикробным действием.

Этанол в концентрации 70—80 об. % вызывает коагуляцию белков микробной клетки и оказывает бактерицидное действие. Фенол, крезол, нейтральные мыла, поверхностно-активные вещества (детергенты) повреждают поверхностные структуры микробных клеток. Особенно широкое применение находят фенол и его производные, под действием которых растворяются липиды цитоплазматической мембраны, нарушая тем самым ее полупроницаемость, что и приводит к гибели клетки. Большинство микробов погибает от действия 1—5 %-ного раствора фенола (карболовой кислоты).

Диэтиловый эфир, ацетон, спирты, являющиеся органическими растворителями, разрушают липиды цитоплазматической мембраны.

Сернистый газ, сернистую кислоту и ее соли (метод сульфитации) используют для обработки свежих плодов и ягод, фруктовых полуфабрикатов, плодово-ягодных соков.

В качестве консервантов, предотвращающих плесневение пищевых продуктов, используются бензойная и сорбиновая кислоты.

На принципе антисептики основано консервирование пищевых продуктов путем копчения. Коптильный дым содержит антисептические вещества: фенольные соединения, формальдегид, органические кислоты. Вместо коптильного дыма в настоящее время используют коптильную жидкость, содержащую аналогичные антисептики. Копчение используют для консервирования мясных, рыбных продуктов, некоторых видов сыров.

К действию химических веществ более устойчивы шаровидные формы бактерий; палочковидные и извитые формы погибают быстрее. Споры бактерий, благодаря плотной оболочке и отсутствию свободной воды, характеризуются наиболее высокой устойчивостью к действию химических веществ.

Антиметаболиты. Торможение роста микроорганизмов вызывают структурные аналоги (антиметаболиты) клеточных компонентов. Структурные аналоги препятствуют включению нормальных метаболитов в обмен веществ клетки и тем самым нарушают синтез отдельных клеточных компонентов, в результате чего происходит торможение роста и гибель клетки. В частности, антиметаболит малонат конкурирует с нормальным метаболитом сукцинатом за каталитический центр фермента сукцинатдегидрогеназы. В результате такого конкурентного ингибирования фермент становится неактивным. Конкурентным аналогом пара-аминобензойной кислоты (ПАБК) является сульфонамид (производное сульфаниловой кислоты).

Механизм действия сульфонамидов на микроорганизмы был открыт в 1940 г. Д. Вудсом. Он установил, что ПАБК участвует в биосинтезе тетрагидрофолиевой кислоты — вещества, необходимого для жизнедеятельности бактерий. При добавлении к среде сульфонамида он беспрепятственно проникает в клетку и включается в фолиевую кислоту вместо п-аминобензойной кислоты, что приводит к синтезу нефункционирующего фермента и в конечном итоге к торможению роста микроба.

Антибиотики (от греч. anti — против, bios — жизнь). Это высокоактивные метаболиты микроорганизмов, животных клеток и растений, которые обладают избирательной способностью подавлять рост микроорганизмов, а также задерживать развитие злокачественных новообразований.

Первый антибиотик — пенициллин — был открыт английским микробиологом А. Флемингом в 1929 г. Флемингу не удалось выделить чистый препарат из культуральной жидкости Penicilliumnotatum. В 1940 г. американские ученые Г. Флори и Э. Чейн получили очищенный пенициллин, а в 1945 г. А. Флеминг, Г. Флори и Э. Чейн за это открытие были удостоены Нобелевской премии. По источнику получения антибиотики разделяют на следующие группы:

✵ антибиотики, полученные из грибов. Из плесневых грибов рода Penicillium получают пенициллин, рода Aspergillus — фумигации, рода Cephalosporium — цефалоспорин, рода Мuсоr — клавицин, и т. д.;

✵ антибиотики, полученные из ветвящихся бактерий — акгиномицетов. Актиномицеты рода Streptomyces являются основными продуцентами таких антибиотиков, как стрептомицин, эритромицин, левомицетин, нистатин и многих других;

✵ антибиотики, полученные из бактерий. Антибиотик грамицидин С продуцирует В. brevis, субтилин — В. subtilis, полимиксин — В. polimyxa;

✵ антибиотики животного происхождения — лизоцим (содержится в яичном белке, слюне, слезной жидкости, слизистой носоглотки, женском молоке, молозиве);

✵ антибиотики растительного происхождения, называемые фитонцидами. Наиболее сильные фитонциды выделяют лук, чеснок, хрен, горчица и др. В чистом виде они не получены, так как являются крайне нестойкими соединениями. Антимикробным действием обладают также многие растения: ромашка, зверобой, шалфей, календула и т. д.

Механизм действия антибиотиков на микроорганизмы различен. В зависимости от механизма действия различают четыре группы антибиотиков.

1. Антибиотики, подавляющие синтез пептидогликана клеточной стенки бактерий. К этой группе относятся пенициллины, цефалоспорины и др.

2. Антибиотики, нарушающие молекулярную структуру и синтез клеточных мембран. К ним относятся нистатин, полимиксины и др.

3. Антибиотики, подавляющие белковый синтез. Это наиболее обширная группа антибиотиков, представителями которой являются тетрациклины, эритромицин, левомицетин, неомицин, стрептомицин, канамицин. Действие этих антибиотиков направлено на нарушение синтеза белка на разных стадиях (так, эритромицин нарушает функцию 50S-субъединиц, тетрациклины препятствуют присоединению аминоацил-тРНК к рибосомам и т. д.).

4. Антибиотики, подавляющие синтез нуклеиновых кислот. Сюда входят актиномицины, подавляющие синтез РНК, рубомицин, подавляющий синтез ДНК. Большинство из них обладает антиканцерогенным действием.

Применение антибиотиков и антисептиков для консервирования пищевых продуктов крайне ограничено. К использованию в пищевой промышленности допущены в малых дозах лишь немногие антибиотики для некоторых продуктов. К ним, в первую очередь, относится низин — бактериоцин, синтезируемый отдельными штаммами молочнокислых бактерий вида Lactococcus lactis ssp. lactis.

Биологическая библиотека - материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Физические, химические и биологические факторы окружающей среды оказывают на микроорганизмы: 1) бактерицидное – приводящее к гибели клетки; 2) бактериостатическое – подавляющее размножение микроорганизмов; 3) мутагенное – изменяющее наследственные свойства микробов.

Влияние физических факторов.

Влияние температуры. Низкие температуры микробы переносят сравнительно легко. Холерный вибрион не теряет жизнеспособности от температуры -32 0 С; некоторые виды бактерий остаются жизнеспособными при температуре жидкого азота (-173 0 С), жидкого воздуха (-190 0 С), жидкого водорода (-253 0 С). Коринебактерии дифтерии переносят замораживание 3 мес. Сальмонеллы брюшного тифа длительно выживают во льду. Споры бацилл выдерживают температуру -250 0 С в течение 3 суток. К низким температурам устойчивы многие вирусы. Так, например, вирус японского энцефалита в 10% взвеси мозга не снижает своей патогенности при -70 0 С в течение года, возбудители гриппа – при -70 0 С до 6 мес.

Низкие температуры приостанавливают гнилостные и бродильные процессы. Только отдельные патогенные виды микроорганизмов являются весьма чувствительными к низким температурам (менингококк, гонококк). Это обстоятельство учитывают в лабораторной диагностике: материалы, исследуемые на менингит и гонорею, доставляют в лабораторию защищенными от охлаждения.

Высушивание. Микроорганизмы обладают различной устойчивостью к высушиванию, к которому чувствительны гонококки, менингококки, трепонемы, лептоспиры, фаги. Холерный вибрион не погибает под влиянием высушивания 2 суток, шигеллы – 7, возбудитель чумы – 8, дифтерийная палочка – 30, брюшнотифозная – 70, стафилококки и микобактерии туберкулеза – 90 суток. Высохшая мокрота больных туберкулезом остается заразной 10 месяцев, споры бацилл сибирской язвы сохраняются до 10 лет, плесневых грибов – 20 лет. Высушивание сопровождается обезвоживанием цитоплазмы и денатурацией белков бактерий. Одним из методов консервирования пищевых продуктов является сублимация – обезвоживание при низкой температуре и высоком вакууме. Продолжительность сохранения пищевых продуктов более 2 лет. Сублимационная сушка обеспечивает сохранение всех сахаров, витаминов ферментов и других компонентов. Высушивание в вакууме при низкой температуре не убивает бактерии и вирусы. Этот метод сохранения культур используется в производстве с длительным сроком хранения живых вакцин против туберкулеза, чумы, туляремии, бруцеллеза, гриппа и др. болезней.

Действие излучения. Различные виды излучения оказывают бактерицидное или стерилизующее действие. К ним относятся ультрафиолетовые лучи (электромагнитные лучи с длиной волны 200-300 ммк), рентгеновские лучи (электромагнитное излучение с длиной волны 0,005 – 2 ммк), гамма-лучи (коротковолновые рентгеновские лучи), бетта-частицы (высокоскоростные электроны), альфа-частицы (высокоскоростные ядра гелия) и нейтроны.

Ультрафиолетовые лучи применяют для обеззараживания воздуха и различных предметов в операционных, родильных палатах, микробиологических лабораториях. С этой целью используют бактерицидные лампы ультрафиолетового излучения с длиной волны 200-400 нм.

Влияние химических веществ.

Химические вещества могут оказывать различное действие на микроорганизмы: служить источником питания, не оказывать какого-либо действия, стимулировать или подавлять рост, вызывать гибель. Антимикробные химические вещества используются в качестве антисептических и дезинфицирующих средств, так как обладают бактерицидным, вирулецидным, фунгицидным действием.

Бактерицидные химические вещества по их действию на бактерии подразделяют на поверхностно-активные вещества, фенолы и их производные, красители, соли тяжелых металлов, окислители, группа формальдегида.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) приводят к нарушению нормального функционирования клеточной стенки и цитоплазматической мембраны. К бактерицидным ПАВ относятся жирные кислоты, в т.ч. мыла, которые вызывают повреждение только клеточной стенки и не проникают в клетку.

Фенол, крезол, лизолпервоначально повреждают клеточную стенку, а затем и белки клетки.

Красители обладают свойством задерживать рост бактерий. К красителям с бактерицидными свойствами относят бриллиантовый зеленый, риванол, трипафлавин, акрифлавин.

Соли тяжелых металлов ( свинец, медь, цинк, серебро, ртуть) вызывают коагуляцию белков клетки. Так, например, посуда из серебра, посеребренные предметы при контакте с водой сообщают ей бактерицидные свойства по отношению ко многим бактерий.

Окислители действуют на сульфгидрильные группы активных белков. К окислителям относятся хлор, хлорная известь, хлорамин, употребляемые в целях дезинфекции. В качестве противомикробного средства в медицине используют йод в виде спиртового раствора, перманганат калия, перекись водорода и др. Многие вирусы устойчивы к действию эфира, хлороформа, этилового и метилового спиртов, эфирных масел. Они разрушаются под влиянием едкого натра, едкого кали, хлорамина, хлорной извести, хлора и др. окислителей.

Формальдегидиспользуют в виде 40% раствора. Его противомикробное действие объясняется тем, что он присоединяется к аминогруппам белков и вызывает их денатурацию. Формальдегид убивает как вегетативные формы, так и споры.

Влияние физических факторов.

Влияние химических веществ.

Фенол, крезол, лизолпервоначально повреждают клеточную стенку, а затем и белки клетки.

Читайте также: