Как влияет на микроорганизмы рн среды кратко

Обновлено: 06.07.2024

Каждый м/о живет на субстрате со строго определенным рН. Сдвиг хотя бы на 0,1 единицу приводит либо к замедлению роста, либо к полной гибели.

По отношению к рН м/о делят на 2 большие группы:

1 – ацидофильные (кислотолюбивые) – живущие в кислой среде (рН=3,0–6,5). Это плесневые грибы, дрожжи и лишь некоторые бактерии (молочнокислые и уксуснокислые).

2 – м/о, живущие в нейтральной или слабощелочной среде (рН =7 и выше до 12). Это в основном бактерии.

Зная отношение м/о к рН среды можно регулировать их жизнедеятельность. При выращивании можно создавать оптимальную рН, а для предохранения продуктов питания от микробной порчи – неблагоприятную рН. Как правило м/о хуже переносят подкисление среды, чем ее подщелачивание.

На знании влияния рН разработано два способа сохранения продуктов питания от микробной порчи:

При мариновании продукт заливают маринадом, содержащим в себе небольшие концентрации кислот (уксусной, лимонной и др.). Гнилостные бактерии в этой среде не развиваются, а для уничтожения ацидофильных, маринады подвергают тепловой обработке.

При квашении кислоту извне не вносят, а она сама образуется в ходе процесса заквашивания. При этом развиваются молочнокислые бактерии, выделяющие молочную кислоту. Гнилостные бактерии в кислой среде не развиваются, а для предотвращения развития ацидофильных бактерий продукт хранят в вакууме и под гнетом, т.е. в анаэробных условиях и на холоде.

52. Влияние химических веществ окружающей среды на жизнедеятельность микроорганизмов.

Все химические вещества могут оказывать на м/о 3 вида воздействий:

стимулирующее действие – ускорять развитие м/о (питательные вещества);

бактериостатическое – химические вещества, затормаживающие развитие м/о;

бактерицидное – химические вещества, приводящие к гибели м/о.

Вещества, обладающие бактерицидным действием называются антисептиками. Частным случаем антисептиков являются дезинфицирующие вещества (уничтожают только болезнетворные м/о). Антисептики нашли широкое применение в медицине, быту, с/х и довольно ограниченное в пищевой промышленности.

В практике хранения пищевых продуктов используются антисептики:

SO₃, H₂SO₃ и ее соли. Газом окуривают плоды и овощи при закладке их на хранение. Таблетки H₂S закладывают в упаковочный материал.

Пропионовая кислота – добавляется в муку для предотвращения плесневения хлеба и пропитывают бумагу для хранения сливочного масла.

Бензойная кислота – добавляют в малосоленые рыбные консервы (пресервы) и в виде калиевых и натриевых солей добавляют в безалкогольные напитки.

4. Сорбиновая кислота – добавляют в рассолы квашеных овощей, а в виде солей – в маринады и безалкогольные напитки.

53. Типы взаимоотношений между микроорганизмами.

Микробы находятся в природе в ассоциациях, между которыми происходит постоянная борьба за существование. В связи с этим различают несколько типов взаимоотношений между организмами:

Симбиоз (от лат. сибиозис – совместная жизнь) – такие взаимоотношения, которые приносят взаимную пользу двум организмам: они совместно развиваются лучше, чем каждый из них в отдельности.

Метабиоз – разновидность симбиоза. Это такой тип взаимоотношений, при котором продукты жизнедеятельности одного микроба являются питательными веществами для второго.

Комменсализм – тип взаимоотношений между двумя организмами, при котором один живет за счет другого, не принося ему заметной пользы и не причиняя вреда.

Хищничество – такой тип взаимоотношений, когда один микроб питается веществами предварительно убитой жертвы.

Паразитизм представляет собой тип взаимоотношений между организмами, когда один из них (паразит) живет за счет другого (хозяина), причиняя ему вред и может вызывать гибель этого организма. Паразитами являются все патогенные микроорганизмы.

Антагонизм – тип взаимоотношений между микроорганизмами, при котором одни организмы подавляют развитие других.

Кислотность среды (pH) – концентрация ионов водорода в окружающей среде. Нейтральная среда соответствует показателю кислотности pH 7, кислая – pH 0–6,9, щелочная – pH 7,1–14 [2] .

Микроорганизмы осуществляют процессы жизнедеятельности в условиях различной кислотности или щелочности среды, но реакция внутри клетки поддерживается на уровне близком к нейтральной. Это достигается благодаря наличию в цитоплазме клеток буферных систем и низкой полупроницаемости мембраны для ионов водорода [2] .

Действие кислотности среды на микробы

Кислотность питательной среды – один из наиболее важных факторов влияющих на рост и размножение микробов, в том числе и бактерий [1] .

Кислотность среды (концентрация ионов водорода) в питательной среде действует на микробы по нескольким направлениям:

Непосредственно – оказывает влияние на полупроницаемость цитоплазматической мембраны[2] .
Косвенно или опосредовано:

влияя на ионное состояние и доступность метаболитов и ионов;
оказывая влияние на стабильность макромолекул;
поддерживая или нарушая равновесие зарядов на поверхности клетки [2] .

Низкие значения кислотности среды – кислая среда (рН 0–6,9):

понижают растворимость углекислого газа (источника углерода для автотрофных бактерий);
повышают растворимость катионов меди (Cu 2+ ), молибдена (Mo 2+ ), марганца (Mg 2+ ), алюминия (Al 3+ ) до токсических для клетки уровней;
поддерживают многие органические кислоты в недиссоциированной форме, позволяющей легко проникать в микробную клетку, оказывая при этом на нее токсическое действие;
увеличивают суммарный положительный заряд на поверхности клетки;
разрушают ДНК и АТФ [2] .

Высокие значения кислотности среды – щелочная среда (рН 7,1–14):

резко понижают растворимость многих катионов необходимых клетке, в частности, железо (Fe 2+ ), кальций (Ca 2+ ), марганец (Mn 2+ ), выпадают в осадок и остаются недоступными для микробов;
увеличивают суммарный отрицательный заряд на поверхности клетки;
разрушают РНК и фосфолипиды [2] .

Группы бактерий по отношению к кислотности среды

В зависимости от отношения к кислотности среды бактерии делят на несколько групп:

1.Нейтрофилы – рост и развитие возможны в диапазоне рН 4–9, оптимум рН 6–8 [1] [2] .

2.Ацидофилы – оптимальная кислотность среды для роста ниже рН 4, различают:

факультативныеацидофилы – интервал развития рН 1–9, оптимум рН 2–4;
облигатныеацидофилы – интервал развития рН 1–5, оптимум рН 2–4 [1][2] .

3.Алкалофилы – обитатели щелочных почв, мест скопления экскрементов животных, оптимальные значения развития рН 9,0–10,5, различают:

факультативныеалкалофилы – интервал для роста рН 5–11, оптимум рН 9,0–10,5;
облигатныеалкалофилы – интервал для роста рН 8,5–11, оптимум 9,0–10,5 [[1][2] .

4. Ацидотолерантные – кислотоустойчивые микроорганизмы, не растут при показателе кислотности ниже рН 4,5, но переносят реакцию среды на уровне рН 1 или рН 0,1, не подвергаясь сколько-нибудь заметному угнетению [1] [2] .

Отмечается, что способность ацидофилов и алкалофилов к росту и развитию при низких или высоких значениях кислотности среды обеспечивает микроорганизму некоторые преимущества, поскольку в экстремальных условиях кислотности конкуренция со стороны других организмов сводится к минимуму [2] .

Механизм устойчивости микробов к кислоте или щелочи

Механизм устойчивости микроорганизмов к экстремальным условиям кислотности среды малоизученны. Каких-либо специальных структурных или физиологических свойств связанных с устойчивостью к кислоте или щелочи у ацидофилов и алкалофилов не обнаружено [3] .

Параллельно установлено, что изменение кислотности среды вызывает у микроорганизмов компенсаторные ферментативные сдвиги. В частности, кишечная палочка реагирует на повышение кислотности среды синтезом декарбоксилаза аминокислот, а на повышение щелочности среды – синтезом дезаминаз, вызывающим декарбоксилирование или дезаминирование аминокислот. Продукты указанных реакций нейтрализуют повышенную кислотность или щелочность питательной среды [3] .

Кислотность – важный фактор среды, определяющий существование в ней микроорганизмов.

Концентрация ионов водорода в окружающей среде может действовать на микроорганизмы прямо (непосредственное воздействие Н + ) или косвенно, т.е. через влияние на ионное состояние веществ, делая их доступными или недоступными для микроорганизмов.

У неспециализированных бактерий экстремальные значения рН среды влияют на клеточную стенку и ЦПМ. В результате диссоциации или протонирования входящих в их состав макромолекул (липополисахаридов, белков и т.д.) происходят изменения в локальном распределении заряда на клеточных покровах. Это приводит к изменению морфологии клеток, нарушению деления клеток, к нарушению адгезии, а также к разрушению ЦПМ. Разрушаются поверхностные белки клеточной стенки, нарушается транспорт питательных веществ в клетку.

Некоторые не токсичные для человека кислоты (уксусная, пропионовая, сорбиновая, бензойная (0,1% р-р)) используются как консерванты в производстве пищевых продуктов. Борная, бензойная, уксусная, салициловая кислоты, раствор аммиака используют как антисептики.

Прокариотымогут развиваться в диапазоне рН от 1 до 12.

В зависимости от рН среды микроорганизмы делят на несколько групп:

1. Нейтрофилыразвиваются при значении рН, близком к нейтральному (opt рН 6-8), диапазон от 4 до 9. Многие виды растут или выдерживают более низкие или высокие значения рН, соответственно их относят к ацидотолерантным или алкалотолерантным. К ацидотолерантным относятся молочнокислые, уксуснокислые. К алкалотолерантным – энтерококки, устойчивые к рН 9-10. Большинство природных местообитаний (пресноводные озера и реки, многие почвы, внутренняя среда растительных и животных организмов) имеют близкую к нейтральной реакцию среды; рН пресной воды – 7. Морская вода является слабощелочной (рН 7,5 – 8).

2. Ацидофилы -кислотолюбивые микроорганизмы.

Их делят на две группы:

1. облигатные – диапазон рН от 1 до 5, opt рН 2-4. Утратили способность расти в нейтральной среде.

2.факультативные - диапазон рН от 1 до 9, opt 2-4. Способны расти в нейтральных условиях.

Места обитания. Самая кислотоустойчивая бактерия Thiobacillus thiooxidans, образует большие количества серной кислоты (окисляет H₂S до H₂SО₄) и способна находиться в жизнеспособном состоянии даже в 1 N р-ре H₂SО₄, обитает в рудничных отходах (окисляет сульфидные руды).

В болотах, торфяниках (рН 2,5-6) развиваются умеренные ацидофилы. Термофильные ацидофилы р. Thermoplasma – в саморазогревающихся угольных отвалах (рН 2, t 32-80°С). Термофильная Sulfolobus (рН 2-3, opt t 70-80) – в горячих кислых источниках.

3.Алкалофилы –щелочелюбивые микроорганизмы делят на две группы:

1. облигатные – диапазон рН от 8,5 до 12, opt рН 9-11.

2. факультативные– диапазон рН от 5 до 12, opt рН 9-10,5.

К алкалофилам относятся уробактерии и многие цианобактерии.

Механизмы рН-гомеостаза

рН-гомеостазом называют поддержание рН цитоплазмы (внутриклеточного рН) в пределах узкого диапазона, несмотря на изменения рН среды.

Гомеостаз достигается совместным действием активных и пассивных механизмов.

Пассивный гомеостаз

1. Барьером для проникновения протонов в клетку служит ЦПМ. Т.к. ЦПМ обладает низкой проницаемость для протонов и других ионов.

2.Поступающие в клетку протонынейтрализуются благодаря буферной емкости цитоплазмы, которая обеспечивается наличием в цитоплазме нуклеиновых кислот, белков, глутаминовой кислоты, полиаминов. Буферная емкость цитоплазмы возрастает при экстремальных значениях рН. В диапазоне внутриклеточного рН (6-8), характерном для большинства бактерий, буферную емкость среды обеспечивают фосфатные группы в составе РНК и ДНК. При экстремальных значениях рН большую роль играют карбоксильные группы и аминогруппы кислых и основных аминокислот. [Глутамат и полиамины играют роль при экстремальных значениях рН среды. Глутамат защищает клетку от сдвигов рН в кислую сторону.]

Активный рН-гомеостазобеспечивается транспортом ионов. У нейтрофилов и ацидофилов основными механизмами регуляции рН служат протонные помпы и системы транспорта калия. У ацидофилов в цитоплазме поддерживается рН 6-7. Протонные помпы выкачивают протоны из клетки, что ведет к повышению внутриклеточного рН. При экстремальных значениях рН среды подкислению цитоплазмы препятствует поглощение ионов К + (например, у Thiobacillus thiooxidans), за счет чего внутриклеточная сторона мембраны приобретает (+) и это препятствует входу протонов. Для регуляции рН не существует специальной системы поглощения калия, его вход в клетку обеспечивается главным образом активным выкачиванием протонов протонными помпами (К + /Н + - антипорт). [Регуляция внутриклеточного рН опосредована неизвестной пока сенсорной системой и протондвижущей силой.]

Влияние водной активности на микроорганизмы

Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутствии свободной воды, находящейся главным образом в капельно-жидком виде. Клетки метаболически активных бактерий должны быть окружены водными пленками.

Вода необходима для нормального функционирования клетки. Все биохимические реакции протекают в водной среде. Вода выполняет роль растворителя. Влияет на конформацию макромолекул, принимающих благодаря гидратации необходимую структуру. Обмен веществ между клетками микроорганизмов и средой обычно идет через водные растворы. Вода поддерживает клеточный тургор. [Для функционирования ферментов в клетке требуется более высокая концентрация растворенных веществ в цитоплазме, чем в окружающей клетку среде. Поэтому в цитоплазме накапливаются растворенные вещества. В клетках большинства бактерий накопление растворенных веществ, в частности ионов, происходит до значительно более высоких концентраций, чем требуется для биосинтетических процессов. Это вызывает поступление в клетку воды и повышение тургорного давления, которое могло бы разорвать мембрану, если бы она не была защищена клеточной стенкой.].

Степень доступности воды для химических реакций и микроорганизмов определяется показателем активности воды а_w.

где Р – давление пара в исследуемой системе,

Р₀ – давление пара над дистиллированной водой,

ОВ – относительная влажность воздуха в системе,

П₁ – число молей растворителя,

П₂ – число молей растворенного вещества.

Активность чистой свободной воды равна 1. а_w крови – 0,995. Хотя в природе не бывает химически чистой воды. При взаимодействии воды с поверхностями, анионами, катионами, любыми гидрофильными группами водная активность а_w становится меньше 1.

Водная активность раствора может изменяться двумя путями: осмотическим и матричным.

1. Осмотическоеизменение а_w происходит в результате взаимодействия молекул Н₂О с растворенными веществами. При повышении концентрации растворенных веществ значении водной активности снижается. Снижение а_w может происходить за счет:

1) повышения содержания органических веществ (сахаров);

2) повышения содержания солей.

2. Матричное изменение а_w обусловлено адсорбцией молекул Н₂О на поверхностях твердых субстратов. Если влажность субстрата и окружающей атмосферы уравновешена, то а_w адсорбированной воды будет такой же, что и в атмосфере.

В пищевой промышленности и при домашнем консервировании снижение водной активности среды используют для инактивации микроорганизмов. Повышенное содержание солей и сахара используют при консервировании. Высушивание – для получения сухофруктов.

Для хранения микроорганизмов в лабораторных условиях используют лиофилизацию. Это метод быстрого высушивания в условиях ваккума из замороженного состояния (-76°С) в средах специального состава. В таких высушенных клетках биологические процессы резко замедлены. Используют для хранения музейных и производственных штаммов.

При повышении осмолярности наружного раствора осмолярность цитоплазмы также должна возрастать, чтобы сохранялся необходимый тургор в клетке. [Осмотическое давление осмолярного р-ра (р-р, содержащий один осмоль вещества в 1 л р-ра) равно 22,4 атм. при 0°С.]. В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри микробной клетки, микроорганизмы жить не могут. Это приводит к плазмолизу (т.е. вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается и протопласт сжимается).

В среде с очень низким осмотическим давлением вода будет поступать внутрь клетки, и это приведет к плазмоптизу (оболочка клетки может лопнуть). [Микроорганизмы, которые могли бы существовать, поддерживая внутри клеток осмолярность более низкую, чем в окружающей среде неизвестны.].

Механизм осмотической адаптации у микроорганизмов состоит в том, что постоянство тургора поддерживается путем накопления в клетках веществ – осморегуляторов.Это специфические растворенные вещества, не влияющие на активность ферментов. Обладают высокой растворимостью, способны проникать через клеточную мембрану путем регулируемого транспорта. Способны защищать ферменты от денатурации под действием солей. Эти вещества или синтезируются самой клеткой или попадают в нее из окружающей среды. Это низкомолекулярные соединения – аминокислоты (глутамат, пролин и т.д.), производные аминокислот (бетаин, эктоин), сахара, спирты (глицерин). Уравновешивают внешнее давление.Наиболее эффективные осморегуляторы – бетаин, эктоин, пролин, трегалоза. Среди неорганических осмолитиков важны ионы калия. При этом важна не столько концентрация ионов калия, столько соотношение Na + /К + , которое поддерживается за счет работы антипорта Nа + /Н + - антипорт. Важную роль в осмопротекции играют белки, сходные с БТШ.

Микроорганизмы развиваются в диапазоне значений водной активности а_w от 0,99 до 0,6. Большинство микроорганизмов развиваются приа_w ≥ 0,95. Не обнаружено микроорганизмов, растущих при а_w 3 – 10 8 кл/г. Здесь доминируют водоросли, обеспечивающие формирование этих почв, грибы, актиномицеты, бактерий меньше.

Наиболее приспособлены к сухости среды грибы и актиномицеты. Из бактерий более устойчивы кокковидные формы. Бактерии формируют капсулы при высушивании, переходят в покоящиеся стадии - образуют споры и цисты. Неспорообразующие бактерии переходят в состоянии анабиоза.

Еще один механизм ксерофилии – это использование экзогенной воды.

При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются. В высушенных пищевых продуктах (рыба, мясо, фрукты) м/о сохраняются, но не размножаются. При их увлажнении – интенсивное размножение, что вызывает порчу.

Устойчивые к высушиванию патогенные бактерии: микобактерии за счет толстой клеточной стенки, содержащей большое количество липидов. Сальмонеллы могу сохраняться в комнатной пыли в течение 3 мес., в сухом кале КРС до 4 лет.

ОПТИМАЛЬНАЯ КИСЛОТНОСТЬ ДЛЯ РОСТА И РАЗВИТИЯ ПОЛЕЗНОЙ МИКРОФЛОРЫ и УГНЕТЕНИЯ УСЛОВНО-ПАТОГЕННОЙ

Кислотность (лат. aciditas) — характеристика активности ионов водорода в растворах и жидкостях.

Водородный показатель pH

В растворах неорганические вещества: соли, кислоты и щелочи разделяются на составляющие их ионы. При этом ионы водорода H + являются носителями кислотных свойств, а ионы OH − – носителями щелочных свойств. В сильно разбавленных растворах кислотные и щелочные свойства зависят от концентраций ионов H + и OH − . В обычных растворах кислотные и щелочные свойства зависят от активностей ионов а_Н и а_OН, то есть от тех же концентраций, но с поправкой на коэффициент активности γ, который определяется экспериментально. Для водных растворов действует уравнение равновесия: а_{Н ×} а_OН = К _w, где К _w – константа, ионное произведение воды (К _w = 10 −14 при температуре воды 22 °C). Из этого уравнения следует, что активность ионов водорода H + и активность ионов OH − связаны между собой. Датским биохимиком С.П.Л. Серенсеном в 1909 году был предложен водородный показать рН, равный по определению десятичному логарифму активности водородных ионов, взятому с минусом:

рН = — lg (а_Н).

Т.е. водородный показатель pH показывает концентрацию свободных ионов водорода в воде. Водородный показатель pH - это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода в воде. Исходя из того, что в нейтральной среде а_Н = а_OН и из выполнения равенства для чистой воды при 22 °С: а_Н _× а_OН = К_w = 10 −14 , получаем, что кислотность чистой воды при 22 °С (то есть нейтральная кислотность) = 7 ед. pH.

Растворы и жидкости в отношении их кислотности считаются:

• нейтральными при рН = 7

• кислыми при pH

• щелочными при рН > 7

Большинство микроорганизмов развивается при нейтральной или слабощелочной реакции среды. Есть среди бактерий кислотоустойчивые, например, молочнокислые, и некоторые уксуснокислые бактерии.

При подкислении среды до рН 4 развитие большинства бактерий практически прекращается. К колебаниям рН в пределах от 6 до 9 бактерии сравнительно малочувствительны.

Пропионовокислые бактерии растут в пределах температуры - (15-40) 0 С, хотя есть данные, что рост происходит при более низкой температуре (до минус 100 0 С).

Оптимальная температура развития классических пропионовокислых бактерий - (30±1) 0 С. (для бифидобактерий 37°С)

Оптимальная величина рН роста пропионовокислых бактерий - 6,5-7,0, максимальная - 8,0, минимальная - 4,5.

Например, исследованные штаммы пропионовокислых бактерий Propionibacterium freudenreichii subsp freudereichii АС-2500, P. cyclohexanicum Kusano АС-2259, P. freudenreichii subsp. shemanii AC–2503, P. cyclohexa-nicum Kusano АС-2260, P. freudenreichii subsp. shermanii – КМ 186. проявили устойчивость к высокой концентрации желчи (40%), NaCl (6%) и развивались в среде с низким рН (4,5), что указывает на высокую выживаемость данных культур в неблагоприятных условиях ЖКТ человека.

Кислотность… Некоторые заблуждения

Когда говорят о кислотности кого-либо органа, важно при этом понимать, что часто в различных частях органа кислотность может значительно отличаться. Кислотность содержимого в просвете органа и кислотность на поверхности слизистой оболочки органа также часто бывает не одинаковой. Для слизистой оболочки тела желудка характерно, что кислотность на поверхности слизи, обращенной в просвет желудка кислотность 1,2–1,5 рН, а на стороне слизи, обращённой к эпителию — нейтральная (7,0 рН).

Кислотность в желудке. Повышенная и пониженная кислотность

Максимальная теоретически возможная кислотность в желудке 0,86 рН, что соответствует кислотопродукции 160 ммоль/л. Минимальная теоретически возможная кислотность в желудке 8,3 рН, что соответствует кислотности насыщенного раствора ионов HCO₃ - . Нормальная кислотность в просвете тела желудка натощак 1,5–2,0 рН. Кислотность на поверхности эпителиального слоя, обращённого в просвет желудка 1,5–2,0 рН. Кислотность в глубине эпителиального слоя желудка около 7,0 рН. Нормальная кислотность в антруме желудка 1,3–7,4 рН.

Кислотность в кишечнике

Нормальная кислотность в луковице двенадцатиперстной кишки 5,6–7,9 рН. Кислотность в тощей и подвздошной кишках нейтральная или слабощелочная и находится в пределах от 7 до 8 рН. Кислотность сока тонкой кишки 7,2–7,5 рН. При усилении секреции достигает 8,6 рН. Кислотность секрета дуоденальных желез — от рН от 7 до 8 рН.
Кислотность сока толстой кишки 8,5–9,0 рН.

Кислотность кала

Кислотность кала здорового человека, питающегося смешанной пищей обусловлена жизнедеятельность микрофлоры толстой кишки и равна 6,8–7,6 рН. Нормальной считается кислотность кала в диапазоне от 6,0 до 8,0 рН. Кислотность мекония (первородного кала новорожденных) — около 6 рН. Отклонения от нормы при кислотности кала:

резко-кислая (рН менее 5,5) бывает при бродильной диспепсии
кислая (рН от 5,5 до 6,7) может быть из-за нарушения всасывания в тонкой кишке жирных кислот
щелочная (рН от 8,0 до 8,5) может быть из-за гниения белков пищи, не переваренных в желудке и тонкой кишке и воспалительного экссудата в результате активации гнилостной микрофлоры и образования аммиака и других щёлочных компонентов в толстой кишке
резкощелочная (рН более 8,5) бывает при гнилостной диспепсии (колите)

Таблица 1. Величины кислотности некоторых распространенных продуктов и чистой воды при разной температуре

Читайте также: