Вплив факторів навколишнього середовища на мікроорганізми

Вплив факторів навколишнього середовища на мікроорганізми.

Співтовариство організмів, які населяють однорідну ділянку поверхні Землі і динамічно взаємодіють між собою в процесі обміну речовин та енергії, називають біоценозом. Умови середовища визначають як екологічні фактори, що впливають (позитивно чи негативно) на існування живих істот. Умовно всі фактори середовища поділяються на три основні групи: біотичні, абіотичні та антропогенні. Біотичні компоненти екосистем поділяють на продуценти – автотрофні організми (переважно рослини), консументи – гетеротрофні організми (переважно тварини) та редуценти або деструктори – гетеротрофні організми (переважно бактерії і гриби). Автотрофи за допомогою фотосинтезу створюють органічні речовини, якими живляться гетеротрофи, а редуценти знову їх мінералізують. Функціональна роль організму в біоценозі є одним з критеріїв, що визначає екологічну нішу, яку займає даний організм. Екологічна ніша – це загальна сума всіх вимог організму до умов існування, включаючи простір, який він займає, функціональну роль та його толерантність відносно факторів середовища.

Успішна боротьба з шкідливими мікроорганізмами і ефективне використання мікробних метаболітів у виробничих процесах можливі за умов розуміння їх взаємодії із зовнішнім середовищем. Застосовуючи мікроорганізми для виробництва харчових продуктів, недостатньо тільки вибрати активні культури, необхідно створити оптимальні умови для їхнього розвитку. Регулюючи умови існування, можна не тільки керувати життєдіяльністю мікроорганізмів, але й викликати бажані їх зміни. Абіотичні фактори, які впливають на життєдіяльність мікроорганізмів, діляться на чотири групи: фізичні, фізико-хімічні, хімічні, біологічні. Фізичні фактори: температура, радіохвилі, магнітне поле, гідростатичний тиск, вплив невагомості, ультразвук, променева енергія, радіоактивне випромінювання. Фізико-хімічні фактори: вологість, концентрація розчинених речовин у середовищі. Хімічні фактори: реакція середовища, окисно-відновні умови, антисептики. Біологічні фактори: симбіоз, мутуалізм, синергізм, метабіоз, антагонізм.

Фізичні фактори Температура. Механізм регуляції температури клітин у мікроорганізмів відсутній. Температурний діапазон для різних груп мікроорганізмів характеризується трьома кардинальними точками: мінімум, оптимум, максимум. Мінімальна температура – це така, нижче якої припиняється ріст і розмноження бактерій. Вони переходять спочатку в анабіоз, а при подальшій дії температурного фактору – в абіоз. Оптимальна температура відповідає найвищій швидкості росту і розмноження мікроорганізмів. Максимальна температура – це та, вище якої ріст мікроорганізмів неможливий, бактерії переходять в стан анабіозу, а потім – абіозу. Розділення бактерій на групи в залежності від трьох кардинальних точок показане в табл.1.

Представники психрофілів: Thamnidium, деякі види Penicillіum, Pseudomonas. Живуть в холодних морях і на крайній півночі. Представники мезофілів: всі патогенні, гнильні, наприклад, Escherichia coli, Clostridium botulinum, Bacillus subtilis. Представники термофілів: Lactobacillus bulgaricus та ін. Зустрічаються в гарячих джерелах, в торфі, в грунті. На згубній дії високої температури засновано багато прийомів знищення мікроорганізмів у харчових продуктах і в різних інших об’єктах, наприклад, кип’ятіння, варіння, обсмажування, бланшування продуктів харчування, стерилізація, обробка парою виробничого устаткування. У харчовій промисловості широко застосовують два способи впливу високої температури на мікроорганізми: пастеризацію і стерилізацію.

Пастеризація – це нагрівання продукту до 90-100 ºС. Тривалість процесу залежить від температури і звичайно складає 20-40 хв. При пастеризації гинуть не всі мікроорганізми. Деякі термостійкі бактерії, а також спори багатьох бактерій залишаються живими. У зв’язку з цим пастеризовані продукти потрібно охолоджувати до температури не вище 10 ºС і зберігати на холоді, щоб затримати проростання спор і розвиток клітин, що збереглися. Пастеризують молоко, пиво, ікру, фруктові соки і деякі інші продукти. Стерилізація – це нагрівання при температурі вище 100 ºС протягом певного часу, при якому відбувається загибель вегетативних клітин мікроорганізмів і їхніх спор. Стерилізації піддають різні банкові консерви, багато предметів і матеріалів, які використовуються в медичній і мікробіологічній практиці. Ефективність стерилізації залежить від початкового вмісту бактерій: чим кількість їх більше, тим більше залишається живих клітин у продукті і вони викликають псування. На ефективність стерилізації також впливає хімічний склад продукту (р. Н середовища, наявність білків, ліпідів, вуглеводів і т.ін.).

Вплив холоду. Холодильна технологія базується на постулаті, що більшість мікроорганізмів (мезофіли і термофіли) не здатні розмножуватися при температурі нижче нуля. В промисловості застосовуються два способи зберігання під дією холоду – в охолодженому стані не вище 4 ºС і при заморожуванні не вище -8 ºС. Але відомі факти, що деякі мезофільні організми витримують тимчасово низьку температуру. Наприклад, Clostridium botulinum зберігається протягом одного року при температурі -16 ºС. Існують спори, які витримують температуру -190 ºС, а в природних кригах знайдено життєздатні мікроорганізми, які перебували там 12 тисяч років. Отже, заморожування не стерилізує продукт. У заморожених продуктах завжди є живі життєздатні мікроорганізми. Під час розморожування продуктів, особливо при витіканні з них соку, мікроорганізми знову розмножуються і викликають псування. Тому відтаювати заморожені харчові продукти слід безпосередньо перед вживанням.

Фактори загибелі мікроорганізмів під дією холоду: - механічна дія кристалів льоду. При малій швидкості тепловідводу і повільному тривалому заморожуванні в міжклітинному просторі утворюються великі кристали, які значно травмують клітини продукту, визиваючи органолептичні і біохімічні зміни, а також приводячи до загибелі більшої частини мікроорганізмів. При швидкому заморожуванні за короткий термін (до 20 хвилин) у середині клітин і між ними утворюються дрібні кристали, які менше травмують клітини як продукту, зберігаючи його органолептичні властивості, так і мікроорганізмів. При цьому більшість мікроорганізмів гине не стільки від травмування клітин, скільки від низької температури. - осмотичний тиск. Внаслідок виморожування води в клітині відбувається концентрування вмісту цитоплазми. Підвищений осмотичний тиск спричиняє плазмоліз бактерій, і вони переходять у стан анабіозу і потім абіозу. - вологість. Зменшення показника „ водна активність‖ і доступної води гальмує фізіологічні процеси – розвиток, метаболізм, дихання мікроорганізмів. Бактерії переходять в анабіоз і гинуть.

Холодостійкість – це відношення мікроорганізмів до впливу низької температури. Психрофільні бактерії мають мінімальну кардинальну точку – 12 ºС, нижче неї вони не розмножуються і переходять у стан анабіозу. Механізм адаптації до стану холоду у різних мікроорганізмів різний. У деяких грамнегативних в цитоплазматичній мембрані і в стінці клітини є велика кількість ліпідів. Стабілізація мембран відбувається за рахунок підвищення в них концентрації ПНЖК, а резистентність спор грампозитивних мікроорганізмів до дії холоду пов’язана з низькою концентрацією вологи. Термостійкість – це здатність мікроорганізмів зберігати життєдіяльність при температурі, яка перевищує максимальну кардинальну точку. Термостійкість спор пов’язана з малою концентрацією води та наявністю солі дипіколінату кальцію. У деяких мікроорганізмів термостійкість пов’язана з концентрацією поліненасичених жирних кислот

Променева енергія – це енергія у вигляді електромагнітних хвиль. Різні види променистої енергії мають різну довжину хвиль, яка визначає їх характер і властивості. Електромагнітні хвилі розподіляються на групи: радіохвилі – у них найбільша довжина хвилі 1500 нм; світлові промені – поділяються на три підгрупи: інфрачервоні від 0,76 мкм до 2000 мкм, видимі, ультрафіолетові (380-10 нм); іонізуюча радіація – найбільш короткохвильова частина спектру. Радіохвилі – це електромагнітні хвилі, які характеризуються відносно великою довжиною – від міліметрів до кілометрів. Проходження коротких і ультракоротких радіохвиль через середовище індукує в ньому виникнення змінних струмів високої та надвисокої частот. Поглинута розташованим в електромагнітному полі об’єктом електрична енергія перетворюється на теплову. Об’єкт нагрівається швидко і рівномірно по всій масі до високої температури. Загибель мікроорганізмів в електромагнітному полі високої інтенсивності настає внаслідок теплового ефекту. Ультразвук – це високочастотні коливання звукових хвиль. Ультразвук чинить могутню бактерицидну дію на мікроорганізми. Сила цієї дії залежить від частоти коливань, тривалості впливу, а також від фізіологічного стану й індивідуальних особливостей мікроорганізму. При тривалому озвучуванні мікробної культури спостерігається повний летальний ефект .

Дія на прокаріоти різних видів випромінювання залежить від їх енергії і дози випромінювання. Позитивним побічним ефектом інфрачервоного (ІЧ) випромінювання як теплового є стерилізація харчових продуктів. Особливістю застосування ІЧ випромінювання в харчовій промисловості є можливість проникнення електромагнітної хвилі в такі капілярно-пористі продукти, як зерно, крупа, 58 борошно і т. п. Електромагнітна хвиля певного частотного діапазону надає не тільки термічний, але й біологічний вплив на продукт, сприяє прискоренню біохімічних перетворень в біологічних полімерах (крохмаль, білок, ліпіди). Ультрафіолетове випромінювання має високу хімічну і біологічну активність і тому використовується для дезінфекції повітря в холодильних камерах, виробничих приміщеннях. За 6 годин ультрафіолетове опромінення знищує 80 % бактерій і грибів. Використовують ультрафіолетове опромінення при розливанні, фасуванні, пакуванні продуктів, для обробки питної води, знезаражування тари. Можливе застосування для стерилізації соків у тонкому шарі. До ультрафіолетових променів стійкі коки, які містять каротиноїди, деякі види грибів та бактерій.

Іонізуюча радіація – це такий вид енергії, який виникає внаслідок різноманітних перетворювань в атомах. Вона здатна проникати у тканини на різну глибину, взаємодіє з молекулами тканин, викликає утворення заряджених частинок – іонів (іонізація) і, як наслідок – мутації (мутагенний фактор). Іонізуюча радіація – це рентгенівські промені, гама-промені та ін. У харчовій промисловості застосовують радурізацію – обробку харчових продуктів гама-променями для продовження строків їх зберігання.

Фізико-хімічні фактори Вологість. У вегетативних клітинах бактерій міститься до 85 % води. Вода є середовищем, де відбуваються біохімічні процеси клітини. Мікроорганізми розвиваються тільки в субстратах з вільною водою, а зв’язані форми води для них недосяжні. При видаленні вологи нижче мінімального рівня розмноження припиняється. В залежності від мінімальної потреби мікроорганізмів у волозі і досяжності води мікроорганізми класифікують на групи: гідрофіти, мезофіти, ксерофіти (табл.2). Водна активність харчових продуктів знаходиться в тих же межах, що і у більшості бактерій – це створює сприятливі умови для розвитку бактерій і псування продуктів. Продукти, у яких активність води менша ніж 0,7, можуть довгостроково зберігатися без мікробного псування. На цьому засноване зберігання продуктів харчування у висушеному виді.

Але сухі продукти не є стерильними і завжди містять різні мікроорганізми, серед яких можуть бути і патогенні форми. У висушеному стані багато мікроорганізмів зберігаються життєздатними протягом тривалого часу. Наприклад, черевнотифозні бактерії, більшість стафілококів і мікрококів, молочнокислі бактерії можуть зберігатися в сухому вигляді тижнями і місяцями, а оцтовокислі бактерії відмирають швидко. Стійкі до висушування дріжджі. Спори бактерій у висушеному стані зберігають здатність до проростання протягом десятків років. Зволоження сухих продуктів у період зберігання може спричинити їх псування внаслідок розвитку збережених на них мікроорганізмів. Сублімаційне сушіння продуктів (висушування у вакуумі із замороженого стану) сприяє значно кращому збереженню їх харчової цінності. Однак мікроорганізми добре переносять таке висушування і навіть після багаторічного перебування в цьому стані зберігають життєздатність. Тому до продуктів, що піддаються такому висушуванню, варто пред’являти суворі санітарно-гігієнічні вимоги.

Хімічні фактори Реакція середовища визначається концентрацією іонів Н+ і ОН– у водному розчині. Для кількісної характеристики реакції середовища вводять водневий показник р. Н, який характеризує ступінь її кислотності (р. Н від 7 до 1) або лужності (р. Н від 7 до 14). Цей показник впливає на транспорт поживних речовин, на їх концентрацію всередині клітин, на активність ферментів та денатурацію білків. В залежності від реакції мікроорганізмів на кислотність середовища їх класифікують на: - нейтрофіли – для них оптимальне значення р. Н 6,5...7,5; - ацидофіли і кислототолерантні – оптимальний р. Н нижче 5; - алкалофіли і лужнотолерантні – р. Н вище 7. Життєдіяльність кожного виду мікроорганізмів можлива при інших сприятливих умовах лише в більш-менш визначених межах р. Н середовища, вище і нижче яких вона пригнічується. Виявляється загальна тенденція: для бактерій кисле середовище згубніше лужного, особливо для гнильних і збудників харчових отруєнь. Вегетативні клітини звичайно менше стійкі, ніж спори. Реакція середовища впливає на розчинність речовин поживного субстрату і надходження їх у клітину. Зміна реакції середовища нерідко супроводжується підвищенням концентрації токсичних для мікробних клітин сполук. При зсуві р. Н у кислу сторону і підвищенні температури спостерігається різке збільшення швидкості денатурації білків.

Окисно-відновні умови. Мікроорганізми розрізняються по потребах в умовах аерації. Тому їх класифікують за типами дихання на аеробів та анаеробів. Аеробні клітини окислюють субстрати киснем повітря з виділенням енергії за реакцією: С6 Н12 О6 + 6 О2 = 6 СО2 + 6 Н2 О +Q Анаероби не можуть застосовувати атмосферний кисень, для отримання енергії вони використовують анаеробні дегідрогенази. Цей принцип відкрив Пастер і дав йому назву бродіння: спиртове, маслянокисле. Серед анаеробів розрізняють облігатні та факультативні форми. Облігатні анаероби (суворі) – це такі, які не можуть розвиватися в присутності кисню. Види мікроорганізмів, які здатні рости як в аеробних, так і в анаеробних умовах і переключати свій енергетичний метаболізм на різні способи отримання енергії, відносяться до факультативних анаеробів. Окисно-відновний потенціал середовища впливає не тільки на ріст і розмноження аеробних і анаеробних мікроорганізмів, але і на їх обмін речовин. Регулюючи окисно-відновні умови середовища, можна загальмувати або викликати активний розвиток тієї чи іншої групи мікроорганізмів. Можливо, наприклад, викликати ріст анаеробів у присутності повітря додаванням речовин, які редукують та знижують окисно-відновний потенціал середовища. І навпаки, можна культивувати аероби в анаеробних умовах, шляхом підвищення р. Н середовища за рахунок введення речовин, які мають окисні властивості.

Антисептики – це хімічні сполуки, які згубно діють на мікроорганізми, їх дія називаєтьсяя бактеріостатичною, коли затримується ріст та розмноження, і бактерицидною – коли спостерігається загибель бактерій. Ефект дії антисептиків залежить від хімічної природи, концентрації, часу експозиції та ін. факторів. Класифікація антисептиків: 1. неорганічні солі – солі важких металів. Механізм дії – денатурація білка, інактивація ферментів; 2. окисники – хлор, озон, хлорамін, хлорне вапно, розчин йоду, перманганат калію, перекис водню. Хлор та озон призводять до накопичення вільних активних радикалів, також їх використовують для знезараження питної води. Формальдегід викликає денатурацію білка. Хлорамін застосовують для дезінфекції в медицині, на харчових підприємствах; 3. органічні сполуки – розчин етанолу (70 %), фенол, крезол, формальдегід, поверхнево-активні речовини (ПАР). Механізм дії для більшості наведених речовин – розчинення ліпідів мембран мікроорганізмів.

Біологічні фактори У природному середовищі існування в процесі еволюції сформувалися дуже складні і різноманітні взаємини між певними видами і групами мікроорганізмів. Спільне існування різних організмів одержало назву симбіозу. Симбіотичні відношення можна підрозділити на конкурентні та асоціативні (взаємно сприятливі). Серед різних ценозів значне місце в природних умовах посідають мікробіоценози – спільність мікроорганізмів. Асоціативні взаємовідносини мікроорганізмів у природі зустрічаються дуже часто. Серед них можна виділити декілька основних видів. Симбіоз визначає тісні асоціативні взаємини мікроорганізмів, які стимулюють і підтримують розвиток один одного. Симбіонти спільно завжди розвиваються краще, ніж кожний з них окремо. Мутуалізм – це такий симбіоз, при якому обидва партнери зовсім втрачають здатність існувати один від одного, наприклад, симбіоз бульбочкових бактерій з бобовими рослинами, оцтовокислих бактерій з дріжджами у чайнім грибі. Синергізм як різновид симбіозу характеризується тим, що при розвитку асоціації мікроорганізмів їх основні фізіологічні функції виявляються сильнішими, ніж при розвитку кожного окремо.

Антибіотики – органічні сполуки, специфічні продукти життєдіяльності мікроорганізмів або їх модифікації. Вони мають високу фізіологічну активність по відношенню до певних груп мікроорганізмів, в невеликих концентраціях вибірково затримують або повністю пригнічують їх розвиток. Антибіотики продукують не тільки мікроорганізми, але і клітини рослин та тварин. За спектром дії антибіотики поділяють на: - антибактеріальні (пеніцилін, еритроміцин, тетрациклін та ін.), - фунгіцидні або протигрибкові (ністатин, леворин та ін.), - протипухлинні (руброміцин, олівоміцин, актиноміцин, мітоміцин, ін.), - противірусні (інтерферони). Ці речовини мають різну хімічну будову і різну силу дії: бактеріостатичну – пригнічують ріст та розмноження мікроорганізмів, бактерицидну – викликають загибель мікроорганізмів, бактеріолітичну – призводять до лізису бактеріальних клітин. Антибіотики мають виборчу здатність пригнічувати та затримувати ріст мікроорганізмів. Кожний антибіотик характеризується специфічним спектром дії – він активний тільки відносно певних мікроорганізмів і неактивний до інших. Деякі антибіотики впливають на гриби, інші – на бактерії. Є антибіотики, що активні проти грамнегативних або, навпаки, проти грампозитивних бактерій. Проте існують антибіотики з дуже широким спектром дії, яка поширюється і на гриби, і на різноманітні бактерії.

Антибіотики бувають різного походження. 1. Антибіотики бактеріального походження. Бактеріальні антибіотики (бактеріоцини), які пригнічують життєдіяльність інших штамів мікроорганізмів того ж виду або споріднених видів, зустрічаються майже у всіх видів бактерій: коліцини (продуцент – Escherichia coli), піоцини (продуцент – Pseudomonas pyocyanea), вібріоцини (продуцент – Vibrio cholerae). 2. Антибіотики, які синтезуються актиноміцетами та мікроміцетами. Пеніцилін, який синтезують гриби роду Penicillium, активний проти грампозитивної кокової мікрофлори, широко використовується у медицині. Широкий спектр дії мають антибіотики, які продукують актиноміцети, їх також широко використовують у медицині. До таких належать: стрептоміцин (продуцент – Actinomyces streptomycini), тетрациклін (продуцент – Actinomyces aureofaciens), хлортетрациклін або біоміксин (продуцент – Actinomyces renexuella), окситетрациклін (продуцент – Actinomyces rimosus). 3. Антибіотики тваринного походження. Лізоцим, який знайдено у білку курячого яйця, слині, носовій та слізній рідинах, є одним з факторів видового імунітету людини та тварин. Практичне використання екмоліна, який виділений з печінки риб, пов’язане з його здатністю посилювати дію інших антибіотиків, зокрема пеніциліну. Інтерферон, який міститься у сироватці крові та тканинній рідині, спричиняє згубну дію на віруси. У промисловості його отримують з сироватки крові телят та свиней.

4. Антибіотики рослинного походження – фітонциди. Мають антимікробні властивості і є факторами природного імунітету рослин. Багаті на фітонциди цибуля, часник, редька, хрін, гірчиця, хвоя, листя чорної смородини, кропиви. Подрібнений часник і цибуля вбивають протягом декількох хвилин стафілококи, стрептококи, кишкову паличку та інші хвороботворні мікроби кишкової групи. До антибіотиків рослинного походження, які виділено у вигляді лікувальних препаратів, відносять алілчеп (з цибулі), алілсат (з часнику), томатін (з листя томатів). В харчовій промисловості антибіотики використовують з метою затримки мікробного псування сировини, але це антибіотики, які не використовуються в медицині (нізин – затримує ріст багатьох стафілококів і стрептококів, трихотецин – має протигрибкову дію). Для того, щоб харчові продукти тваринного походження не містили антибіотиків, їх дозволяється вводити до організму тварин та птахів не пізніше, ніж за два тижні до забою.