9.2. Влияние физических факторов на микроорганизмы
Температура - один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность размножения микроорганизмов.
Микроорганизмы могут расти и проявлять свою жизнедеятельность в определенном температурном диапазоне, и в зависимости от отношения к температуре делятся на психрофилы, мезофилы и термофилы. Температурные диапазоны роста и развития микроорганизмов этих групп приведены в таблице 9.1.
Разделение микроорганизмов на 3 группы весьма условно, так как микроорганизмы могут приспосабливаться к несвойственной им температуре.
Таблица 9.1
|
Группа микроорганизмов |
Т(°С) максим. |
Т(°С) оптим. |
Отдельные представители |
|
|
1.Психрофилы (холодолюбивые) |
Бактерии, обитающие в холодильниках, морские бактерии |
|||
|
2. Мезофилы |
Большинство грибов, дрожжей, бактерий |
|||
|
3.Термофилы (теплолюбвые) |
Бактерии, обитающие в горячих источниках. Большинство образуют устойчивые споры |
Температурные пределы роста определяются терморезистентностью ферментов и клеточных структур, содержащих белки.
Среди мезофилов встречаются формы с высоким температурным максимумом и низким минимумом. Такие микроорганизмы называют термотолерантными.
Действие высоких температур на микроорганизмы. Повышение температуры выше максимальной может привести к гибели клеток. Гибель микроорганизмов наступает не мгновенно, а во времени. При незначительном повышении температуры выше максимальной микроорганизмы могут испытывать «тепловой шок» и после недлительного пребывания в таком состоянии они могут реактивироваться.
Механизм губительного действия высоких температур связан с денатурацией клеточных белков. На температуру денатурации белков влияет содержание в них воды (чем меньше воды в белке, тем выше температура денатурации). Молодые вегетативные клетки, богатые свободной водой погибают при нагревании быстрее, чем старые, обезвоженные.
Термоустойчивость - способность микроорганизмов выдерживать длительное нагревание при температурах, превышающих температурный максимум их развития.
Гибель микроорганизмов наступает при разных значениях температур и зависит от вида микроорганизма. Так, при нагревании во влажной среде в течение 15 мин при температуре 50-60 °С погибает большинство грибов и дрожжей; при 60-70 °С - вегетативные клетки большинства бактерий, споры грибов и дрожжей уничтожаются при 65-80° С. Наибольшей термоустойчивостью обладают вегетативные клетки термофилов (90-100 °С) и споры бактерий (120 °С).
Высокая термоустойчивость термофилов связана с тем, что, во первых, белки и ферменты их клеток более устойчивы к температуре, во вторых, в них содержится меньше влаги. Кроме того, скорость синтеза различных клеточных структур у термофилов выше скорости их разрушения.
Термоустойчивость спор бактерий связана с малым содержанием в них свободной влаги, многослойнойоболочкой, в состав которой входит кальциевая сольдипиколиновой кислоты.
На губительном действии высоких температур основаны различные методы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах. Это кипячение, варка, бланширование, обжарка, а также стерилизация и пастеризация. Пастеризация – процесс нагревания до 100˚С при котором происходит уничтожение вегетативных клеток микроорганизмов. Стерилизация - полное уничтожение вегетативных клеток и спор микроорганизмов. Процесс стерилизации ведут при температуре выше 100 °С.
Влияние низких температур на микроорганизмы. К низким температурам микроорганизмы более устойчивы, чем к высоким. Несмотря на то, что размножение и биохимическая активность микроорганизмов при температуре ниже минимальной прекращается, гибели клеток не происходит, т. к. микроорганизмы переходят в состояние анабиоза (скрытой жизни) и остаются жизнеспособными длительное время. При повышении температуры клетки начинают интенсивно размножаться.
Причинами гибели микроорганизмов при действии низких температур являются:
Нарушение обмена веществ;
Повышение осмотического давления среды вследствие вымораживания воды;
В клетках могут образоваться кристаллики льда, разрушающие клеточную стенку.
Низкая температура используется при хранении продуктов в охлажденном состоянии (при температуре от 10 до -2 °С) или в замороженном виде (от -12 до -30 °С).
Лучистая энергия. В природе микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию солнечной радиации. Свет необходим для жизнедеятельности фототрофов. Хемотрофы могут расти и в темноте, а при длительном воздействии солнечной радиации эти микроорганизмы могут погибнуть.
Воздействие лучистой энергии подчиняется законам фотохимии: изменения в клетках могут быть вызваны только поглощенными лучами. Следовательно, для эффективности облучения имеетзначение проникающая способность лучей, которая зависит от длины волны и дозы.
Доза облучения свою очередь определяется интенсивностью и временем воздействия. Кроме того, эффект воздействия лучистой энергии зависит от вида микроорганизма, характера облучаемого субстрата, степени обсемененности его микроорганизмами, а также от температуры.
Низкие интенсивности видимого света (350-750 нм) и ультрафиолетовых лучей (150-300 нм), а также низкие дозы ионизирующих излучений либо не влияют на жизнедеятельность микроорганизмов, либо приводят к ускорению их роста и стимуляции метаболических процессов, что связано с поглощением квантов света определенными компонентами или веществами клеток и переходом их в электронно-возбужденное состояние.
Более высокие дозы излучений вызывают торможение отдельных процессов обмена, а действие ультрафиолетовых и рентгеновских лучей может привести к изменению наследственных свойств микроорганизмов мутациям, что широко используется для получения высокопродуктивных штаммов.
Гибель микроорганизмов под действием ультрафиолетовых лучей связана:
С инактивацией клеточных ферментов;
С разрушением нуклеиновых кислот;
С образованием в облучаемой среде перекиси водорода, озона и т.д.
Следует отметить, что наиболее устойчивыми к действию ультрафиолетовых лучей являются споры бактерий, затем споры грибов и дрожжей, далее окрашенные (пигментированные)клетки бактерий.Наименее устойчивы вегетативные клетки бактерий.
Гибель микроорганизмов под действием ионизирующих излучений вызвана:
Радиолизом воды в клетках и субстрате. При этом образуются свободные радикалы, атомарный водород, перекиси, которые, вступая во взаимодействие с другими веществами клетки, вызывают большое количество реакций, не свойственных нормально живущей клетке;
Инактивацией ферментов, разрушением мембранных структур, ядерного аппарата.
Радиоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах, причем микроорганизмы значительно радиоустойчивей высших организмов (в сотни и тысячи раз). Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений споры бактерий, затем грибы и дрожжи и далее бактерии.
Губительное действие ультрафиолетовых и рентгеновских γ-лучей используется на практике.
Ультрафиолетовыми лучами дезинфицируют воздух холодильных камер, лечебных и производственных помещений, используют бактерицидные свойства ультрафиолетовых лучей для дезинфекции воды.
Обработка пищевых продуктов низкими дозами гамма-излучений называется радуризацией.
Электромагнитные колебания и ультразвук. Радиоволны. Это электромагнитные волны, характеризующиеся относительно большой длиной – от миллиметров до километров и частотами от 3·10 4 до 3·10 11 герц.
Прохождение коротких и ультрарадиоволн через среду вызывает возникновение в ней переменных токов высокой (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ). В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.
Гибель микроорганизмов в электромагнитном поле высокой интенсивности наступает в результате теплового эффекта, но полностью механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы не раскрыт.
В последние годы сверхвысокочастотная электромагнитная обработка пищевых продуктов все более широко применяется в пищевой промышленности (для варки, сушки, выпечки, разогревания, размораживания, пастеризации и стерилизации пищевых продуктов). По сравнению с традиционным способом тепловой обработки время нагревания СВЧ-энергией до одной и той же температуры сокращается во много раз, в связи с чем полнее сохраняются вкусовые и питательные свойства продукта.
Ультразвук. Ультразвуком называют механические колебания с частотами более 20000 колебаний в секунду (20 кГц).
Природа губительного действия ультразвука на микроорганизмы связана:
С кавитационным эффектом. При распространении в жидкости УЗ-волн происходит быстро чередующееся разряжение и сжатие частиц жидкости. При разряжении в среде образуются мельчайшие полые пространства - «пузырьки», заполняющиеся парами окружающей среды и газами. При сжатии, в момент захлопывания кавитационных «пузырьков», возникает мощная гидравлическая ударная волна, вызывающая разрушительное действие;
с электрохимическим действием УЗ-энергии. В водной среде происходит ионизация молекул воды и активация растворенного в ней кислорода. При этом образуются вещества, обладающие большой реакционной способностью, которые обуславливают ряд химических процессов, неблагоприятно действующих на живые организмы.
Благодаря специфическим свойствам ультразвук все более широко применяют вразличныхобластях техники и технологии многихотраслей народного хозяйства. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды, пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин), мойки и стерилизации стеклянной тары.
Изменения температуры, осмотического давления, облучение, высушивание и другие физические факторы вызывают значительное нарушение обменных процессов в цитоплазме клетки, что может привести к ее гибели.
Температура. Имеет в жизнедеятельности бактерий большое значение. В зависимости от интенсивности и экспозиции (времени) воздействия температурный фактор может стимулировать рост или, наоборот, вызывать необратимые смертельные изменения микробной клетки. Для каждого вида микроорганизмов существует определенный температурный диапазон роста, в котором различают: оптимальную температуру, наиболее благоприятную для роста и размножения микробов, максимальную и минимальную температуры, выше и ниже которых развитие микроорганизмов прекращается. Оптимальная температура обычно соответствует температурным условиям естественной среды обитания.
Все микроорганизмы по отношению к температуре делятся на три группы, внутри которых границы температурного диапазона варьируют.
Психрофилы (от греч. psychros — холодный) приспособились в процессе эволюции к жизни при низких температурах. Оптимальная температура для их развития 10—20°С, максимальная 30°С и минимальная 0°С. Это главным образом сапрофитные микробы северных морей, почвы, железобактерии.
Мезофилы (от греч. mesos — средний) развиваются в диапазоне 20—45°С; оптимальной для них является температура 30—37°С. К этой обширной группе относятся все патогенные микробы.
Термофилы (от греч. termos — теплый), растущие при температуре выше 55°С, развиваются при оптимальной температуре 50—60°С. Минимальная температура для их развития 25°С, а максимальная 70—80°С. Микробы этой группы обнаруживаются в почве, навозе, воде горячих источников. Среди них много споровых форм.
Неблагоприятное воздействие на микроорганизмы могут оказывать как высокие, так и низкие температуры. Значительно более чувствительн
ы ми
кробы к высоким
температурам. Повышение температуры за пределы максимальной для их жизнедеятельности вызывает убыстрение биохимических реакций в клетке, нарушение проницаемости клеточных оболочек, повреждение термочувствительных ферментов. Это влечет за собой расстройство жизненно важных процессов метаболизма в клетке, свертывание (денатурация) белков клетки и ее гибель. Гибель большинства вегетативных форм бактерий наступает при 60°С в среднем через 30 мин, при 70°С — через 10—15 мин, а при 80—100°С— через 1 мин. Споры бактерий гораздо устойчивее к высоким температурам, на-пример споры возбудителя столбняка выдерживают кипячение до 3 ч, а ботулизма — до 6 ч. Гибель спор при использовании влажного тепла (автоклав) наступает при 110—120°С через 20—30 мин, а сухого тепла (печь Пастера) при 180°С в течение 45 мин. Действие высоких температур положено в основу стерилизации — обеспложивания различных материалов и предметов.
К влиянию низких температур микроорганизмы чрезвычайно устойчивы. При температуре ниже 0°С они впадают в состояние анабиоза, при котором происходит торможение всех процессов жизнедеятельности клетки и прекращается ее размножение. Многие бактерии в жидком водороде при температуре — 253°С часами остаются живыми. Холерный вибрион и кишечная палочка могут долгое время сохраняться во льду. Возбудители дифтерии переносят замораживание в течение 3 мес, возбудители чумы — до 1 года. Особенно устойчивы к низким температурам вирусы и бактерии, образующие споры, менее устойчивы такие патогенные бактерии, как гонококки, менингококки, бледная спирохета, риккетсии. Губительно действуют на микробы повторное и быстрое замораживание и оттаивание, которые приводит к разрыву клеточных оболочек и выпадению содержимого клетки. Угнетающее действие низкой температуры на рост и размножение микроорганизмов используют при сохранении пищевых продуктов в погребах, холодильниках, в замороженном виде.
Высушивание, или дегидратация, у вегетативных форм бактерий в большинстве случаев вызывает гибель клетки, так как для нормальной жизнедеятельности ее необходима вода. При влажности субстрата, в котором размножаются микроорганизмы, ниже 30% развитие большинства из них прекращается. Сроки отмирания различных микробов под влиянием высушивания широко варьируют: холерный вибрион выдерживает высушивание до 2 сут, шигеллы — 7 дней, возбудители дифтерии— 30 дней, брюшного тифа — 70 дней, стафилококки и микобактерии туберкулеза — 90 дней, а молочнокислые бактерии и дрожжи — несколько лет. Очень устойчивы к высушиванию споры бактерий. Метод дегидратации после предварительного замораживания широко используют в целях консервирования стандартных культур микроорганизмов (бактерии, вирусы и т. д.), иммунных сывороток и вакцинных препаратов. Такие препараты мо гут храниться длительно. Сущность метода состоит в том, что культуры бактерий в ампулах быстро замораживают при температуре —78°С в сосудах с уплотненной углекислотой, а потом высушивают в безвоздушном пространстве (вакуумная, лиофильная сушка). Ампулы с культурой после этого запаивают.
Неблагоприятное действие высушивания на рост и размножение микроорганизмов используют при изготовлении, консервации сухих продуктов. Однако такие продукты, попав в условия высокой влажности, быстро портятся из-за восстановления активности микробов.
Действие облучений. На жизнедеятельность микроорганизмов может оказывать влияние как лучистая энергия, так и звуковое облучение.
Солнечный свет губительно влияет на все микроорганизмы, за исключением зеленых и пурпурных серобактерий. Прямые солнечные лучи убивают большинство микробов в течение нескольких часов. Патогенные бактерии более чувствительны к действию света, чем сапрофиты. Гигиеническое значение света как естественного обеззараживающего средства очень велико. Оно освобождает от болезнетворных бактерий воздух, внешнюю среду. Наиболее сильное бактерицидное (уничтожающее бактерий) действие оказывают лучи с короткой длиной волны—ультрафиолетовые. Их используют для стерилизации операционных, бактериологических лабораторий и других помещений, а также воды и молока. Источником этих лучей являются ртутно-кварцевые и бактерицидноувиолевые лампы. Другие виды лучистой энергии — рентгеновские, гамма-лучи — вызывают гибель микробов лишь при действии в больших дозах. Их используют для стерилизации бактериологических препаратов и некоторых пищевых продуктов. Вкусовые свойства пищи при этом не изменяются. В процессе действия лучистой энергии разрушается клеточная ДНК.
Звуковые облучения: обычные звуковьіе лучи практически лишены губительного действия на микроорганизмы в отличие от ультразвуковых. Ультразвуковые лучи вызывают значительное поражение клетки, при котором происходят разрыв ее наружной оболочки и освобождение цитоплазмы. Полагают, что газы, растворенные в жидкой среде цитоплазмы, под действием ультразвука активируются, возникает большое давление внутри клетки и она механически разрывается.
Действие давления (механическое, газовое, осмотическое).
Бактерии, особенно спороносные, очень устойчивы к механическому давлению. Давление 600 атм в течение 24 ч не влияет на возбудителя сибирской язвы, а при 20 000 атм в течение 45 мин он разрушается неполностью. Неспороносные бактерии более чувствительны к высокому давлению: холерный вибрион выдерживает давление 3000 атм, но у него частично снижаются подвижность и способность к размножению. Коринебактерии дифтерии, стрептококки, нейссерии, возбудители брюшного тифа устойчивы к давлению 5000 атм в течение 45 мин, но чувствительны к 6000 атм. Вирусы, бактериофаги инактивируются при давлении 5000—6000 атм, а бактериальные токсины (столбнячный и дифтерийный) ослабляются при давлении 12 000—15 000 атм. Механизм действия высокого механического давления — результат физико-химических изменений жидкости: уменьшения ее объема, повышения вязкости, скорости химических реакций.
Давление газов, растворенных в питательной среде, оказывает действие на микроорганизмы в зависимости от природы газа и типа обменного процесса в клетке. Водород при давлении 120 атм за 24 ч вызывает гибель 10— 40% клеток кишечной палочки, углекислота при давлении 50 атм убивает вегетативные формы за 90 мин, а азот и при 120 атм не оказывает выраженного действия на микробов.
Осмотическое давление имеет большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов. По переносимости различных концентраций минеральных солей бактерии разделены на две большие группы: галофильные, которые могут развиваться в среде обитания с высоким содержанием солей, особенно хлорида натрия, и негалофильные, жизнедеятельность которых возможна при содержании хлорида натрия 0,5—2%. Оптимальным содержанием хлорида натрия для большинства патогенных микроорганизмов является среда с 0,5% этого вещества.
Губительное действие концентрированных растворов солей и сахара на микроорганизмы используют при консервировании ряда продуктов: рыбы, мяса, овощей, фрук¬тов. Содержание 15—30% хлорида натрия в растворе обеспечивает гибель вегетативных форм и подавляет спорообразование. Чувствительность микроорганизмов к наличию хлорида натрия в среде различна: возбудители ботулизма прекращают жизнедеятельность в 6% растворе, дрожжи — в 14%, а некоторые галофилы могут размножаться в 20—30% растворах хлорида натрия.
Механическое встряхивание. Умеренная частота встряхиваний (1—60 в минуту) обеспечивает хорошую аэрацию питательной среды и создает благоприятные условия для роста аэробов. Резкие и быстрые встряхивания тормозят развитие, а при воздействии в течение длительного времени вызывают изменения клеточных белков и даже полное разрушение клеток. Сильное механическое встряхивание бактерий в контакте с инертными плотными частицами (стеклянные бусы, кварц) оказывает непосредственное вредное действие на клетки—бактерии разрушаются. Такой метод механической дезинтеграции используют для разрушения биомассы микробов при получении из них различных антигенов.
Жизнедеятельность микробов находится в зависимости от окружающей среды. Создавая те или иные условия в среде, где развиваются микробы, можно способствовать развитию полезных и подавлять жизнедеятельность вредных микробов.
Основными факторами, влияющими на жизнедеятельность микробов являются:
1. Температура. Все микробы имеют максимальную, оптимальную и минимальную температуру своего развития. Оптимальная температура для большинства микробов 25-35 °С. Поэтому продукты в этих условиях быстро портятся.
Минимальный температурный предел от -6 до – 20 °С. Но при такой температуре микробы не гибнут, а лишь замедляют свое развитие. При разморозке вновь начинают свою деятельность.
Максимальная температура (45 – 50 °С) также приостанавливает размножение микробов. Дальнейшее повышение ведет к гибели.
2. Влажность. Повышенная влажность увеличивает количество растворимых питательных веществ, следовательно, способствует питанию и развитию микробов. Поэтому пищевые продукты, содержащие большое количество влаги (молоко, мясо, рыба, овощи, плоды), быстро портятся. Поэтому надежным способом сохранения продуктов от порчи является сушка.
3. Свет. Прямой солнечный луч губит микробы, в том числе и болезнетворные. Губительны ультрафиолетовые лучи солнца и специальных ламп БУВ, используемых для дизенфекции воды, воздуха.
4. Химические вещества. Многие химические соединения губительно действуют на микробы и используются для их уничтожения. Так хлорную известь применяют для дизенфекции рук.
5. Биологические факторы. Микробы в процессе жизнедеятельности могут влиять друг на друга, способствуя развитию или угнетению. Многие бактерии, плесневелые грибы выделяют в окружающую среду вещества – антибиотики, губительно действующие на развитие других микробов. Другими веществами, близкими к антибиотикам по характеру действия на микробы, являются фитонциды. Это вещества, выделяемые многими растениями (луком, чесноком, хреном, цитрусовыми), убивают болезнетворные микробы дизентерии, гнилостную палочку.
Распространение микробов в природе.
Микробы широко распространены в природе: в почве, в воде, воздухе.
Самой благоприятной средой для развития микробов является почва, в 1 г которой находится до нескольких миллиардов микробов. Развитию микробов в почве способствует имеющиеся в ней питательные вещества, постоянная влажность, температура, отсутствие солнечного света. Больше всего микробов содержится на глубине от 1 до 30 см. В песчаной почве их меньше, чем в черноземе.
Для некоторых микроорганизмов вода является естественной средой обитания, особенно в открытых водоемах: реках, морях, озерах. Со сточными водами могут попадать болезнетворные микробы. Такую воду следует подвергать тщательной очистке – отстаивать, фильтровать, озонировать, обрабатывать ультрафиолетовыми лучами.
Воздух – неблагоприятная среда для жизни микроорганизмов и чистота его зависит от степени запыленности и загрязнения выбросами промышленных предприятий. Воздух чище зимой, чем летом; над океанами и морями чище, чем над сушей; над лесными массивами чище, чем над распаханной землей, в сельской местности чище, чем в городе.
Микроорганизмы подвержены постоянному воздействию факторов внешней среды. Неблагоприятные воздействия могут приводить к гибели микроорганизмов, то есть оказывать микробицидный эффект, либо подавлять размножение микробов, оказывая статическое действие. Некоторые воздействия оказывают избирательный эффект на отдельные виды, другие — проявляют широкий спектр активности. На основе этого созданы методы подавления жизнедеятельности микробов, которые используются в медицине, быту, сельском хозяйстве и др.
1. ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МИКРООРГАНИЗМЫ
Температура
.
По отношению к температурным условиям микроорганизмы разделяют на термофильные, психрофильные и мезофильные.
- Психрофильные виды (холодолюбивые) растут в диапазоне температур 0-10°С, максимальная зона задержки роста 20-30°С. К ним относит большинство сапрофитов, обитающих в почве, пресной и морской воде. Но есть некоторые виды, например, иерсинии, психрофильные варианты клебсиелл, псевдомонад, вызывающие заболевания у человека.
Высокая температура вызывает коагуляцию структурных белков и ферментов микроорганизмов. Большинство вегетативных форм гибнет при температуре 60°С в течение 30 мин, а при 80-100°С – через 1 мин. Споры бактерий устойчивы к температуре 100°С, гибнут при 130°С и более длительной экспозиции (до 2 ч.).
Для сохранения жизнеспособности относительно благоприятны низкие температуры (например, ниже 0°С), безвредные для большинства микробов. Бактерии выживают при температуре ниже –100°С; споры бактерий и вирусы годами сохраняются в жидком азоте (до –250°С).
Влажность
.
При относительной влажности окружающей среды ниже 30% жизнедеятельность большинства бактерий прекращается. Время их отмирания при высушивании различно (например, холерный вибрион – за 2 суток, а микобактерии – за 90 суток). Поэтому высушивание не используют как метод элиминации микробов с субстратов. Особой устойчивостью обладают споры бактерий.
Широко распространено искусственное высушивание микроорганизмов, или лиофилизация
. Метод включает быстрое замораживание с последующим высушиванием под низким (вакуумом) давлением (сухая возгонка). Лиофильную сушку применяют для сохранения иммунобиологических препаратов (вакцин, сывороток), а также для консервирования и длительного сохранения культур микроорганизмов.
Влияние концентрации растворов на рост микроорганизмов опосредовано изменением активности воды как меры доступной для организма воды. И если содержание солей вне клетки окажется выше их концентрации в клетке, то вода будет выходить из клетки. Угнетение патогенных бактерий хлористым натрием обычно начинается при его концентрации около 3%.
Излучения.
Солнечный свет губительно действует на микроорганизмы, исключением являются фототрофные виды. Наибольший микробицидный эффект оказывает коротковолновые УФ-лучи. Энергию излучения используют для дезинфекции, а также для стерилизации термолабильных материалов.
УФ-лучи (в первую очередь коротковолновые, т.е. с длиной волны 250-270 нм) действуют на нуклеиновые кислоты. Микробицидное действие основано на разрыве водородных связей и образовании в молекуле ДНК димеров тимидина, приводящем к появлению нежизнеспособных мутантов. Применение УФ-излучения для стерилизации ограничено его низкой проницаемостью и высокой поглотительной активностью воды и стекла.
Рентгеновское и g-излучение в больших дозах также вызывает гибель микробов. Облучение вызывает образование свободных радикалов, разрушающих нуклеиновые кислоты и белки с последующей гибелью микробных клеток. Применяют для стерилизации бактериологических препаратов, изделий из пластмасс.
Микроволновое излучение применяют для быстрой повторной стерилизации длительно хранящихся сред. Стерилизующий эффект достигается быстрым подъемом температуры.
Ультразвук
.
Определенные частоты ультразвука при искусственном воздействии способны вызывать деполимеризацию органелл микробных клеток, под действием ультразвука газы, находящиеся в жидкой среде цитоплазмы, активируются и внутри клетки возникает высокое давление (до 10 000 атм). Это приводит к разрыву клеточной оболочки и гибели клетки. Ультразвук используют для стерилизации пищевых продуктов (молока, фруктовых соков), питьевой воды.
Давление
.
Бактерии относительно мало чувствительны к изменению гидростатического давления. Повышение давления до некоторого предела не сказывается на скорости роста обычных наземных бактерий, но в конце концов начинает препятствовать нормальному росту и делению.
Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы
Некоторые виды бактерий выдерживают давление до 3 000 – 5 000 атм, а бактериальные споры — даже 20 000 атм.
В условиях глубокого вакуума субстрат высыхает и жизнь невозможна.
Фильтрование
.
2. ДЕЙСТВИЕ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МИКРООРГАНИЗМЫ
Способность ряда химических веществ подавлять жизнедеятельность микроорганизмов зависит отконцентрации химических веществ и времени контакта с микробом. Дезинфектанты и антисептики дают неспецифический микробицидный эффект; химиотерапевтические средства проявляют избирательное противомикробное действие.
По механизму действия противомикробные вещества разделяются на такие группы:
а) деполимеризующие пептидогликан клеточной стенки
б) повышающие проницаемость клеточной мембраны
в) блокирующие те или иные биохимические реакции
г) денатурирующие ферменты
д) окисляющие метаболиты и ферменты микроорганизмов
е) растворяющие липопротеиновые структуры
ж) повреждающие генетический аппарат или блокирующие его функции.
У микроорганизмов химической деструкции прежде всего подвергаются белки и липиды цитоплазматической мембраны, белковые молекулы жгутиков, фимбрий, секс-пили, порины клеточной стенки грамположительных бактерий, связывающие белки периплазмы, протеиновые капсулы, экзотоксины, ферменты-токсины и ферменты питания. Деструкция гетерогенных полимеров (белки, полиэфиры и др.) происходит как при действии окислителей, так и при действии гидролизующих и детергентных антисептиков (кислоты, щелочи, соли двух- и поливалентных металлов и др.).
3. ВЛИЯНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МИКРООРГАНИЗМЫ
К биологическим средствам могут быть отнесены препараты, содержащие живых особей -бактериофагов и бактерий, обладающих выраженной конкурентной активностью по отношению к патогенным и условно-патогенным для человека и животных видам микробов. Они вводятся в организм в жизнеспособном состоянии. Фаги и антагонисты оказывают прямое повреждающее действие на патогенных и условно-патогенных микробов; изготовленные из них лекарственные препараты предназначены для местного применения, для них характерна специфичность действия на микроорганизмы и безвредность для пациента; целью их внесения в организм человека и животных является лечение или профилактика инфекционных заболеваний. По механизму действия они близки к химическим антисептикам.
Необходимо также помнить и о молочно-кислых бактериях, которые вызывают процесс молочно-кислого брожения. Некоторые молочно-кислые бактерии способны синтезировать антибиотики и с их помощью подавлять развитие болезнетворных микробов.
Препараты, содержащие бактерии (эубиотики или пробиотики): колибактерин, лактобактерин, бифидумбактерин, бификол, микрококкобактерин, линекс, бактисубтил и другие.
Препараты, содержащие бактериофаги: бактериофаг брюшнотифозный, бактериофаг дизентерийный, бактериофаг сальмонеллезный, бактериофаг коли-протейный, бактериофаг стафилококковый, бактериофаг стрептококковый, бактериофаг пиоцианеус, бактериофаг синегнойный, бактериофаг клебсиеллезный, пиофаг комбинированный и другие.
ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:
Жизнедеятельность микроорганизмов зависит от условий существования. Благоприятными условиями их существования является влажность, тепло, наличие питательных веществ. Тормозят развитие микроорганизмов высушивание, кислая среда, низкие температуры, отсутствие питательных веществ и др. Искусственно регулируя условия существования микробов, можно прекратить их размножение или уничтожить их.
Большинство пищевых продуктов по химическому составу является благоприятной средой для существования микробов. Поэтому хранить пищевые продукты можно только при неблагоприятных условиях для микроорганизмов. Говоря о влиянии физических факторов окружающей среды на микроорганизмы, подразумевают условия внешней среды, влияющие на их развитие и делят таковые на три основные группы: физические, химические и биологические. К физическим условиям (факторам) относятся: температура, влажность среды, концентрация веществ, растворенных в среде; излучение.
Влияние температуры на микроорганизмы.
Развитие всех микроорганизмов возможно при определенной температуре. Известны микроорганизмы, способные существовать при низких (-8°С и ниже) и при повышенных температурных условиях, например, обитатели горячих источников поддерживают жизнедеятельность при температуре 80-95°С. Большинство микробов предпочитает температурные пределы 15-35°С. Различают:
- оптимальную, наиболее благоприятную для развития температуру;
- максимальную, при которой прекращается развитие микробов данного вида;
- минимальную, ниже которой микробы прекращают развитие.
По отношению к уровню температуры микроорганизмы разделяют на три группы:
- психрофиты – хорошо растут при пониженных температурах,
- мезофиллы – нормально существуют при средних температурах,
- термофилы – существуют при постоянно высоких температурах.
Микробы сравнительно быстро приспосабливаются к значительным изменениям температуры. Поэтому незначительное снижение или повышение уровня температуры не гарантирует прекращения развития микроорганизмов.
Влияние высоких температур.
Температуры, значительно превышающие максимальные, вызывают гибель микроорганизмов. В воде большинство вегетативных форм бактерий при нагревании до 60°С погибают за час; до 70°С - за 10-15 минут, до 100°С - за несколько секунд. В воздухе гибель микроорганизмов наступает при значительно более высокой температуре - до 170°С и выше в течение 1-2 часов.
Влияние условий внешней среды на микроорганизмы
Споровые формы бактерий значительно устойчивее к нагреванию, они могут выдерживать кипячение в течение 4-5 часов.
Методы пастеризации и стерилизации основаны на свойстве микробов погибать под действием высоких температур. Пастеризация - осуществляется при температуре 60-90°С, при этом погибают вегетативные формы клеток, а споровые остаются жизнеспособными. Поэтому пастеризованные продукты следует быстро охлаждать и хранить в условиях охлаждения. Стерилизация - это полное уничтожение всех форм микроорганизмов, включая споровые. Стерилизацию осуществляют при температуре 110-120°С и повышенном давлении.
Однако споры не погибают мгновенно. Даже при 120°С гибель их наступает через 20-30 минут. Стерилизуют пищевые консервы, некоторые медицинские материалы, субстраты, на которых выращивают микроорганизмы в лабораториях. Эффект стерилизации зависит от количественного и качественного состава микрофлоры объекта стерилизации, его химического состава, консистенции, объема, массы и др.
Влияние низких температур.
Чаще всего действие низких температур связано не с гибелью микроорганизмов, а с торможением и прекращением их развития. Низкую температуру микроорганизмы переносят значительно лучше. Многие болезнетворные микробы, попадающие в окружающую среду, способны переносить суровые зимы, не теряя болезнетворности. Наиболее негативно на развитие микроорганизмов влияет температура, при которой замерзает содержимое клетки.
Тормозящее действие низких температур на микробы используют для хранения различных продуктов в охлажденном виде при температуре 0-4°С, и замороженном – при температуре - 6-20°С и ниже. Действие низких температур в замороженных продуктах усиливает влияние повышенного осмотического давления. Поскольку большая часть воды перешла в лед, в оставшейся жидкой части воды оказались все растворенные вещества, содержавшиеся в массе продукта. Это вызывает повышенное осмотическое давление, которое, в свою очередь, тормозит развитие микробов.
Замораживание используют для хранения мяса, рыбы, плодов, овощей полуфабрикатов, кулинарных изделий, готовых блюд и др. Прекращение развития микробов действует только до тех пор, пока продолжается действие низкой температуры. При повышении температуры начинается бурное развитие и размножение микробов, что вызывает порчу пищевых продуктов.
Следовательно, низкая температура только замедляет биохимические процессы, не имея стерилизующего эффекта. Многократное замораживание одних и тех же продуктов способствует быстрому приспособлению микробов к низким температурам и усиливает их жизнеспособность. Поэтому надо предотвращать колебания температуры во время хранения продуктов.
Физические факторы.
1. Температура.
По отношению к температурным условиям микроорганизмы разделяют на:
- Термофильные виды. Зона оптимального роста равна 50-60°С, верхняя зона задержки роста — 75°С. Термофилы обитают в горячих источниках, участвуют в процессах самонагревания навоза, зерна, сена.
- Психрофильные виды (холодолюбивые) растут в диапазоне температур 0-10°С, максимальная зона задержки роста 20-30°С. К ним относит большинство сапрофитов, обитающих в почве, пресной и морской воде.
- Мезофильные виды лучше растут в пределах 20-40°С; максимальная 43-45°С, минимальная 15-20°С. В окружающей среде могут переживать, но обычно не размножаются. К ним относится большинство патогенных и условно-патогенных микроорганизмов.
Бактерии выживают при температуре ниже –100°С; споры бактерий и вирусы годами сохраняются в жидком азоте (до –250°С).
2. Влажность.
2.При относительной влажности окружающей среды ниже 30% жизнедеятельность большинства бактерий прекращается. Время их отмирания при высушивании различно (например, холерный вибрион – за 2 суток, а микобактерии – за 90 суток). Поэтому высушивание не используют как метод элиминации микробов с субстратов. Особой устойчивостью обладают споры бактерий.
3. Излучения.
3.- Солнечный свет губительно действует на микроорганизмы, исключением являются фототрофные виды. Наибольший микробицидный эффект оказывает коротковолновые УФ-лучи. Энергию излучения используют для дезинфекции, а также для стерилизации термолабильных материалов.
3.- УФ-лучи действуют на нуклеиновые кислоты. Применение УФ-излучения для стерилизации ограничено его низкой проницаемостью и высокой поглотительной активностью воды и стекла.
3.- Рентгеновское и g-излучение в больших дозах также вызывает гибель микробов. Применяют для стерилизации бактериологических препаратов, изделий из пластмасс.
3.- Микроволновое излучение применяют для быстрой повторной стерилизации длительно хранящихся сред.
4. Ультразвук используют для стерилизации пищевых продуктов (молока, фруктовых соков), питьевой воды.
5. Давление. Бактерии относительно малочувствительны к изменению гидростатического давления.
6. Фильтрование.
Для удаления микроорганизмов применяют различные материалы (мелкопористое стекло, целлюлоза, коалин); они обеспечивают эффективную элиминацию микроорганизмов из жидкостей и газов. Фильтрацию применяют для стерилизации жидкостей, чувствительных к температурным воздействиям, разделения микробов и их метаболитов (экзотоксинов, ферментов), а также для выделения вирусов.
Химические факторы.
Способность ряда химических веществ подавлять жизнедеятельность микроорганизмов зависит от концентрации химических веществ и времени контакта с микробом. Дезинфектанты и антисептики дают неспецифический микробицидный эффект; химиотерапевтические средства проявляют избирательное противомикробное действие.
Биологические факторы.
К биологическим средствам могут быть отнесены препараты, содержащие живых особей — бактериофагов и бактерий, обладающих выраженной конкурентной активностью по отношению к патогенным и условно-патогенным для человека и животных видам микробов. Они вводятся в организм в жизнеспособном состоянии.
2. Антигены. Свойства антигенов.
Антиген – это генетически чужеродный агент для макроорганизма, вызываемый в нем иммунологические реакции, направленные на его уничтожение, устранение.
Антигенами могут являться грибы, бактерии, вирусы, простейшие, клетки животных, растений, продукты жизнедеятельности.
Свойства антигенов:
1) антигенность
2) специфичность
3) иммуногенность
Антигенность – это способность антигена индуцировать в организме иммунный ответ – выработка антител.
Специфичность – способность антигена избирательно реагировать со строго определенными антителами. (Воздействие происходит не со всей молекулой, а с небольшим участком – антигенная детерминанта или эпитоп).
Иммуногенность – это способность антигена вызывать иммунную защиту макроорганизма.
Степень иммуногенности зависит от антигена (чужеродность, природа, химический состав, молекулярная масса, структура, растворимость).
По своему генетическому происхождению выделяют три основные типа антигенов.
1. Аутоантигены.
Вызывают аутоиммунные реакции. То есть это антигены собственного организма. Они могут быть первичными, отделенными от иммунной системы гистогематическими барьерами и вызывающими иммунный ответ после их повреждения, и вторичными, вызывающими на себя иммунный ответ только после изменения своих свойств в результате тех или иных патологических процессов. К первичным аутоантигенам относят хрусталик глаза, ткань головного мозга, коллоид щитовидной железы, тестикулярную ткань.
2. Изоантигены.
Это различные антигены, различающиеся между особями одного биологического вида. Так, к изоантигенам относят группы крови (система АВО) человека.
3. Ксеноантигены.
К ним относятся антигены, различающиеся между представителями различных биологических видов, например антигены, различающиеся между человеком и лошадью.
Иммуногены или полные антигены — это вещества, вызывающие полноценный иммунный ответ и обладающие свойствами: иммуногенностью, антигенностью и специфичностью.
Иммуногенами являются биополимеры — белки, их комплексы с углеводами (гликопротеиды), а также сложные полисахариды, липополисахариды с высокой молекулярной массой. Чем дальше от человека в эволюционном отношении отстоят организмы, тем бoльшую иммуногенность проявляют их белки.
Гаптены — неполные антигены, относительно простые вещества, способные участвовать в иммунологических взаимодействиях, но не способные самостоятельно индуцировать иммунный ответ. Гаптены обладают свойствами антигенностью и специфичностью, но не обладают иммуногенностью.
Гаптены после присоединения к крупным, обычно белковым молекулам (носителям), могут приобретать свойства полного антигена.
3. Хромосомные болезни – синдром Дауна, синдром Эдварса, синдром Патау.
Хромосомный комплекс нормальных соматических клеток современного человека состоит из 46 хромосом (2n = 46). В клетках индивидуума женского пола кроме 44 аутосом имеется пара половых хромосом ХХ, а у лиц мужского пола — ХУ. Принятые формулы для изображения: 46, ХХ; 46, ХУ.
Хромосомные болезни — это большая группа врожденных патологических состояний с множественными врожденными пороками развития, причиной которых является изменение количества или структуры хромосом. Хромосомные болезни возникают в результате мутаций в половых клетках одного из родителей. Из поколения в поколение передаются не более 3-5 % из них. Хромосомными нарушениями обусловлены примерно 50 % спонтанных абортов и 7 % всех мёртворождений.
Все хромосомные болезни принято делить на две группы:
1) аномалии числа хромосом. В эту группу входит три подгруппы:
— болезни, причиной которых является нарушение числа хромосом,
— болезни, связанные с увеличением или уменьшением числа половых Х и Y-хромосом
— болезни, обусловленные полиплоидией — кратным увеличением гаплоидного набора хромосом
2) нарушения структуры (аберрациями) хромосом. Их причинами являются:
— транслокации — обменные перестройки между негомологичными хромосомами
— делеции — потери участка хромосомы
— инверсии — повороты участка хромосомы на 180°
— дупликации — удвоения участка хромосомы
— изохромосомия — хромосомы с повторяющимися генетическим материалом в обоих плечах
— возникновение кольцевых хромосом — соединение двух концевых делеций в обоих плечах хромосомы
Болезни, обусловленные нарушением числа аутосом
Синдром Дауна - трисомия по 21 хромосоме, к признакам относятся: слабоумие, задержка роста, характерная внешность, изменения дерматоглифики (узоров на коже ладонной стороны кистей и стоп человека).
Лекція №7 Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы.
Синдром получил название в честь английского врача Джона Дауна впервые описавшего его в 1866 году. Связь между происхождением врождённого синдрома и изменением количества хромосом была выявлена только в 1959 году французским генетиком Жеромом Леженом. Частота рождений детей с синдромом Дауна 1 на 800 или 1000. Синдром Дауна встречается во всех этнических группах и среди всех экономических классов.Возраст матери влияет на шансы зачатия ребёнка с синдромом Дауна. Если матери от 20 до 24 лет, вероятность этого 1 к 1562, от 35 до 39 лет — 1 к 214, а в возрасте старше 45, вероятность 1 к 19. Трисомия происходит из-за того, что во время мейоза хромосомы не расходятся. При слиянии с гаметой противоположного пола у эмбриона образуется 47 хромосом, а не 46, как без трисомии.
Синдром Патау - трисомия по 13 хромосоме, характеризуется множественными пороками развития, идиотией, часто - полидактилия, нарушения строения половых органов, глухота; практически все больные не доживают до одного года. Встречается с частотой 1:7000-1:14000. Оставшиеся в живых страдают глубокой идиотией.
Синдром Эдвардса - трисомия по 18 хромосоме, нижняя челюсть и ротовое отверстие маленькие, глазные щели узкие и короткие, ушные раковины деформированы; 60% детей умирают в возрасте до 3-х месяцев, до года доживают лишь 10%, основной причиной служит остановка дыхания и нарушение работы сердца. Популяционная частота примерно 1:7000. Дети с трисомией 18 чаще рождаются у пожилых матерей, взаимосвязь с возрастом матери менее выражена, чем в случаях трисомии хромосомы 21 и 13. Для женщин старше 45 лет риск родить больного ребёнка составляет 0,7 %. Девочки с синдромом Эдвардса рождаются в три раза чаще мальчиков.
Дата публикования: 2015-02-03; Прочитано: 591 | Нарушение авторского права страницы
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.003 с)…
Температурные диапазоны гибели микроорганизмов
Споры бактерий гораздо устойчивей к высоким температурам, чем вегетативные формы бактерий. Например, споры бацилл си-бирской язвы выдерживают кипячение в течение 2 часов.
Все микроорганизмы, включая и споровые, погибают при тем-пературе 165-170°С в течение 1 часа.
Действие высоких температур на микроорганизмы положено в основу стерилизации.
Тепловые методы обработки пищевых продуктов
К тепловым методам обработки пищевых продуктов относятся пастеризация и стерилизация. Пастеризация- это способ уничтожения микроорганизмов в жидкостях или пищевых продуктах однократным нагреванием до температуры ниже 100 °С (чаще всего до 60-70 °С) с выдержкой 15-30 мин. Пастеризация применяется для консервирования молока и других продуктов. Стерилизация осуществляется под действием высоких температур, нагретым паром под давлением в автоклавах при температуре 110-120°С или горячим воздухом в сушильном шкафу при температуре 150-160 °С. При стерилизации происходит полное освобождение продуктов от микроорганизмов и спор в результате их гибели.
Отношение микроорганизмов к низким температурам
Низкие температуры широко применяются в практике хранения продовольственных товаров. Продукты хранят в охлажденном (от 10 до 2°С) и замороженном (от 15 до 30°С) состоянии.
Сроки хранения охлажденных продуктов не могут быть продолжительными, так как развитие на них микроорганизмов не прекращается, а только замедляется.
Замороженные продукты сохраняются более продолжительное время, поскольку развитие на них микроорганизмов исключено. Однако после оттаивания такие продукты могут быстро испортиться вследствие интенсивного размножения сохранивших жизнеспособность микроорганизмов.
Высушивание
Для нормальной жизнедеятельности микроор-ганизмов нужна вода. Высушивание приводит к обезвоживанию цитоплазмы и нарушается целостность цитоплазматической мем-браны, что ведет к гибели клетки.
Некоторые микроорганизмы (многие виды кокков) под влия-нием высушивания погибают уже через несколько минут.
Более устойчивыми к высушиванию являются возбудители ту-беркулеза, которые могут сохранять свою жизнеспособность до 9 месяцев, а также капсульные формы бактерий.
Особенно устойчивыми к высушиванию являются споры. На-пример, споры возбудителя сибирской язвы могут сохраняться в почве более 100 лет.
Для хранения микроорганизмов в музеях микробных культур и изготовления сухих вакцинных препаратов из бактерий применя-ется метод лиофильной сушки.
Сущность метода состоит в том, что в аппаратах для лиофиль-ной сушки – лиофилизаторах микроорганизмы сначала заморажи-вают, а потом высушивают при положительной температуре в ус-ловиях вакуума. При этом цитоплазма бактерий замерзает и пре-вращается в лед, а потом этот лед испаряется и клетка остается жива (переход воды из замороженного состояния в газообразное, минуя жидкую фазу — сублимация ).
Замороженные бактерии (I этап лиофильного высушивания)
Образование внеклеточного (а)и внутриклеточного (б) льда при лиофильном высушивании бактерий
При правильном лиофильном высушивании микробные клетки переходят в состояние анабиоза и сохраняют свои биологические свойства в течение нескольких лет.
Лифильно высушенные живая (а)и погибшая (б)бактерии
Если режим лиофильного высушивания не соблюдался (а для разных видов бактерий он различен), то клеточная стенка у бакте-рий разрывается и они гибнут.
Лучистая энергия
Существуют разные формы лучистой энер-гии, характеризующиеся различными свойствами, силой и харак-тером действия на микроорганизмы.
В природе бактериальные клетки постоянно подвергаются воз-действию солнечной радиации.
Прямые солнечные лучи губительно действуют на микроорга-низмы. Это относится к ультрафиолетовому спектру солнечного света (УФ-лучи).
Вследствие присущей УФ-лучам высокой химической и биоло-гической активности, они вызывают у микроорганизмов инактива-цию ферментов, коагуляцию белков, разрушают ДНК в результате чего наступает гибель клетки. При этом обеззараживается только поверхность облученных объектов из-за низкой проникающей спо-собности этих лучей.
Патогенные бактерии более чувствительны к действию УФ-лу-чей, чем сапрофиты, поэтому в бактериологической лаборатории микроорганизмы выращивают и хранят в темноте.
Опыт Бухнера показывает, насколько УФ-лучи губительно дей-ствуют на бактерии: чашку Петри с плотной средой засевают сплошным газоном. Часть посева накрывают бумагой, и ставят чашку Петри на солнце, а затем через некоторое время (15-30 мин) ее ставят в термостат.
Прорастают только те микроорганизмы, которые находились под бумагой. Поэтому значение солнечного света для обеззараживания ок-ружающей среды очень велико.
Бактерицидные лампы
Бактерицидное действие УФ-лучей используют для стерилиза-ции закрытых помещений: операционных, микробиологических боксов, учебных аудиторий кафедры микробиологии. Для этого применяют бактерицидные лампы ультрафиолетового излучения с длиной волны 200-400 нм.
На микроорганизмы оказывают влияние и другие виды лучи-стой энергии — это рентгеновское излучение, α-, β- и γ-лучи, кото-рые оказывают губительное действие на микроорганизмы только в больших дозах.
Влияние условий внешней среды на микроорганизмы.
Эти лучи разрушают ДНК клетки. В последние годы радиационным методом стерилизуют изделия для одноразо-вого использования — шприцы, шовный материал, чашки Петри.
Малые дозы излучений, наоборот, могут стимулировать рост микроорганизмов и вызывать у них мутации.
СВЧ-энергия . Вызывая нагрев среды, СВЧ-энергия действует губительно на микроорганизмы, при этом происходит повреждение клетки.
СВЧ-энергия влияет на генетические признаки микроорганиз-мов, на изменение интенсивности деления клетки, активность не-которых ферментов, гемолитические свойства.
Ионизирующая радиация. Характерной особенностью этих из-лучений является их способность вызывать процесс ионизации.
Ультразвук
Ультразвук . Неся с собой большой запас энергии, ультразву-ковые волны вызывают ряд физических, химических и биологиче-ских явлений. С помощью ультразвуковых (УЗ) волн можно вы-звать инактивацию ферментов, витаминов, токсинов, разрушить разнообразные материалы и вещества, многоклеточные и одно-клеточные организмы.
Ультразвуковые волны при частоте колебания 1-1,3 мГц в те-чение 10 мин оказывает бактерицидный эффект на клетки микро-организмов. Ультразвук способствует разрыву клеточных стенок и мембран, повреждению флагеллина у подвижных форм микроор-ганизмов. Влияние ультразвука основано на механическом разру-шении микроорганизмов в результате возникновения высокого давления внутри клетки, разжижения и вспенивания цитоплазмы или на появлении гидроксильных радикалов и атомарного кисло-рода в водной среде цитоплазмы.
Ультразвук используют для разрушения микроорганизмов с целью получения растворимых антигенов при производстве субъ-единичных вакцин и стерилизации продуктов: молока, фруктовых соков.
Микроорганизмы — это наименьшие формы жизни, которые можно наблюдать только с помощью микроскопа. Они повсеместны (они обитают в почве, водах, живых макроорганизмах), и на их жизненные процессы влияет ряд факторов в окружающей среде. Физические факторы, которые наиболее сильно влияют на температуру, энергию, окружающий рН, осмотическое и атмосферное давление, звуковые волны и т. д.
Температура
Одним из основных факторов, влияющих на жизнеспособность бактерий, является температура окружающей среды. Их существование происходит в определенном температурном диапазоне: минимальном, оптимальном и максимальном.
В зависимости от этого различные типы бактерий подразделяются на следующие три основные группы:
- Психофилы (от психроса — холодные) — холодолюбивые бактерии. Их оптимальная температура роста составляет от 10°С до 15°С, но может быть умножена на 0-30°С. Они обычно обитают в водах и почвах в Арктике и Антарктике и в потоках таяющих ледников. В морях Арктики обнаружены бактериальные виды, которые размножаются при -5°С. Некоторые патогенные бактерии, такие как Listeria monocytogenes и Y. enterocolitica, являются жизнеспособными при 4°С, как это обычно бывает, в домашних холодильниках.
- Мезофилы — это бактерии, которые растут при умеренных температурах от 20 до 40°С. Их максимальный температурный диапазон составляет 10-45°С. Большинство типов бактерий являются мезофильными и включают в себя некоторых почвенных и водных обитателей, нормальной микрофлоры и всех видов животных и бактерий, вызывающих заболевания.
- Термофилы определяются как теплокровные бактерии. Их оптимальная температура роста составляет от 45°С до 70°С, а их максимальный диапазон, при котором они остаются жизнеспособными, составляет 25-90°С. Термофилы обычно встречаются в термальных источниках и компосте. Молочнокислые бактерии также относятся к термофилам.
Существуют также гипертермофильные бактерии, которые развиваются при очень высоких температурах. Их оптимальная температура роста составляет от 70 до 110°С. Они включают представителей Археи, которые находятся вблизи гидротермальных отверстий на больших глубинах в океанах.
Оптимальная температура развития для данного типа бактерий соответствует условиям, в которых клеточный метаболизм наиболее эффективен. Высокие температуры, которые превышают максимум для данного типа бактерий, повреждают метаболизм клеток, и они умирают. Большая часть патогенных бактерий, грибов и всех вирусов погибает при 50-60°С в течение от нескольких минут до 1 часа. Споры бацилл являются наиболее устойчивыми формами жизни и умирают со скоростью. более 100°С в течение 2 часов и более (C. butulinum — более 5 часов). Высокая температура воды или водяного пара повреждает микроорганизмы путем коагуляции и денатурации белков (особенно чувствительных ферментов), денатурации ДНК и нарушения целостности клеток. В сухой стерилизации, где высокая температура влияет на микроорганизмы в воздухе, микробы умирают из-за окисления органического вещества в ячейке и из-за повышенного уровня электролита.
Низкие температуры также влияют на жизнедеятельность бактерий, замедляя или останавливая клеточный метаболизм, увеличивая вязкость (плотность) цитоплазмы и ограничивая проницаемость плазматической мембраны. В большинстве бактерий ниже 0°С метаболическая активность клеток прекращается и переходит в состояние анаболизма. Замораживание большинства микроорганизмов в подходящей среде и при температурах от -20 до -70°С, а также в жидком азоте (-196°С) сохраняется в течение длительного периода времени. Это делается в специализированных лабораториях с целью сохранения ценных видов бактерий.
Влияние температуры окружающей среды на микроорганизмы обычно используется в медицинской практике. Биологические материалы, которые принимаются для микробиологического тестирования, хранятся и транспортируются при оптимальной температуре для подозреваемого патогена, бактериальная культура также требует поддержания подходящей температуры. Влажное тепло широко используется для стерилизации медицинских инструментов и термостойких расходных материалов.
Излучние
Излучение, которое повреждает микроорганизмы, представляет собой коротковолновый электромагнитный спектр — ионизирующее излучение и ультрафиолетовые лучи. Их эффект объясняется появлением фотохимических реакций в клетках и молекулярной ионизацией из-за накопления частиц высокой энергии.
Ионизирующее излучение с разрушающим воздействием на микробные агенты включает гамма-лучи, исходящие из Со-60 и Се-137, рентгеновское излучение и корпускулярное излучение (бета-частицы и электроны высокой энергии). Они обладают высокой проникающей способностью, значительной энергией и оказывают прямое и косвенное воздействие. Эффект прямого повреждения достигается при высоких дозах излучения, непосредственно влияющих на бактериальную хромосому, клеточные ферменты, ряд макромолекул с необратимыми изменениями. Косвенный эффект имеет первостепенное значение, так как вода преобладает в клетках. Рентгеновские лучи и гамма-лучи представляют собой высокоэнергетическое излучение, которое может вызывать электрон от атомов, что приводит к ионизации молекул. В результате образуются реакционноспособные свободные радикалы — водород (* H), гидроксил (* OH) и т. д., из которых в клетках образуются окислители, такие как пероксид водорода и пероксид водорода. В свою очередь, они непосредственно повреждают ряд важных макромолекул, наиболее чувствительной ДНК. Декомпозиция макромолекулы ДНК является наиболее распространенной причиной гибели клеток, поскольку она часто содержит только одну копию данного гена. Растительные бактериальные формы, их споры и грибы обычно умирают в дозе около 1,2 Мрад. Несколько вирусов нуждаются в дозе 2,5 Мрад.
Ультрафиолетовое излучение используется как гермицид (микробицид) как в промышленности, так и в медицине более ста лет. Наиболее сильным воздействием на микроорганизмы являются ультрафиолетовые лучи с длиной волны 250-260 нм, что соответствует их максимальному поглощению от оснований молекулы ДНК. Квантовая энергия, переносимая ультрафиолетовыми лучами (UVL), не приводит к ионизации, но инициирует фотохимические реакции. Последний индуцирует ковалентное присоединение соседних оснований тимина в молекуле ДНК, и когда они являются частью двух комплементарных цепей, связывание прекращает репликацию хромосомы, и микробы разрушаются. При более низких дозах ультрафиолетового излучения этот процесс вызывает мутации. Исследование случаев низкодозного облучения (УФЛ) Escherichia coli выявило наличие все большего числа устойчивых к бактериофагу мутантов.
рН среды и осмотическое давление
Реакция окружающей среды, оптимальная для большинства патогенных микроорганизмов (бактерии и вирусы), является нейтральной или слегка щелочной — pH 7-7,5. Некоторые бактерии, такие как туберкулез, требуют слабокислой среды (рН 6,8), холеры, плесени и дрожжей — щелочных сред (pH 8-9). Изменение реакции среды сильно влияет на метаболическую активность микроорганизмов, которая широко используется в пищевой и фармацевтической промышленности.
Микроорганизмы могут быть отнесены к одной из следующих групп на основе значений рН, необходимых для их оптимального развития:
- Нейтрофилы — лучше развиваются при рН от 5 до 8.
- Ацидофильный — рН 5,5 подходит.
- Алкалифилы — оптимальный рН выше 8,5.
Осмос представляет собой диффузию молекул воды через мембрану из зоны более высокой концентрации воды (меньшая концентрация растворенного вещества) в область с более низкой водной концентрацией или более высокой концентрацией растворенного вещества. Осмотическое давление определяется в основном концентрацией растворенного вещества в данной среде.
Изотоническая среда с определенной концентрацией солей необходима для нормального хода жизни в бактериальных клетках. 0,5% растворы NaCl используются в питательных средах для достижения изотактичности. В океанах и морях микроорганизмы выдерживают значительно более высокие осмотические давления — до 29% NaCl.
Для сохранения пищевых продуктов для предотвращения роста микроорганизмов используются растворы с высоким осмотическим давлением (более 50% сахара или 20% NaCl). Болезни стафилококков (S. aureus) могут выжить в 15% -ной среде NaCl.
Сушка и звуковые волны
Сушка воздействует на различные микроорганизмы в разной степени. Патогенными микроорганизмами, которые особенно чувствительны к потере внутриклеточной воды, являются гемофильные бактерии, члены рода Nayera (менингококки, гонококки), T. pallidum и другие. Вирусы, подверженные сушке, включают вирусы гриппа и парагриппа, ВИЧ, риновирусы и другие. Устойчив к обезвоживанию — вирионы холеры (до 2 дней), шигеле (до 7 дней) и туберкулезные бактерии (от 3 месяцев до 1 года). Высокая устойчивость к потере внутриклеточной жидкости — это споры бактерий (бациллы сибирской язвы — до 50 лет) и грибы.
Лиофилизация — это процесс, в котором микроорганизмы высушиваются при низких температурах и в вакууме. Процесс включает размещение микробных агентов в защитной жидкости, а затем замораживание со скоростью. От -20 до -70°С и помещают в вакуумную среду в специальном лиофилизированном аппарате. Вакуум вызывает сублимацию воды в микроорганизмах, и они высыхают как антибиотик, но остаются жизнеспособными в течение нескольких лет. Лиофилизация служит для сохранения важных бактериальных и вирусных штаммов, а также для производства живых вакцин.
Только ультразвуковые волны могут влиять на рост и развитие микроорганизмов. Ультразвуковые волны, рассеянные в жидкой среде, вызывают усадку и расширение окружающей среды, что приводит к образованию пузырьков в цитоплазме (кавитация). Эти пузырьки оказывают высокое давление на оболочку клетки, что приводит к разрушению клеток. С другой стороны, ультразвуковая энергия может вызвать ионизацию и диссоциацию молекул воды с образованием реактивных радикалов. Ультразвук используется для механической очистки медицинских и стоматологических инструментов, но не для стерилизации, так как некоторые из микроорганизмов выживают с помощью этого метода.
Кислород
Бактерии характеризуются широким спектром требований к содержанию кислорода в их среде разработки. Они могут быть сгруппированы следующим образом:
- Связанные (обязательные) аэробы — микроорганизмы, которые развиваются только в присутствии кислорода. Они получают энергию через аэробное дыхание.
- Микроаэрофилы — низкая концентрация кислорода (от 2% до 10%) требуется для их жизнедеятельности, а ее более высокие концентрации являются тормозящими. Они получают энергию через аэробное дыхание.
- Смешанные анаэробные микроорганизмы — растут только в бескислородных средах и часто умирают в их присутствии. Они деградируют питательные вещества с анаэробной или ферментацией.
- Аэротрольные анаэробы, подобно анаэробным пудингам, не могут использовать кислород для извлечения энергии, но могут выжить в кислородной среде. Они известны как связывающие ферментеры, потому что они используют только процесс ферментации для извлечения энергии из пищи.
- Дополнительные анаэробные микроорганизмы — развиваются в присутствии или в отсутствие кислорода, но обычно более активны в кислородной среде. Они получают свою энергию через аэробное дыхание (в присутствии кислорода), но также используют ферментацию или анаэробное дыхание, в отсутствие этого. Большинство бактерий факультативно анаэробны.
Вода необходима для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Снижение влажности среды приводит к переходу клеток в состояние покоя, а затем и к гибели. Наиболее чувствительны к высушиванию патогенные микроорганизмы (возбудители гонореи, менингита, холеры, брюшного тифа, дизентерии, сифилиса). Более устойчивые бактерии, защищенные слизью мокроты (туберкулезные палочки), а также споры бактерии, цисты простейших, капсуло-, слизеобразующие бактерии.
Высушивание с опровождается обезвоживанием цитоплазмы и денатурацией белков бактерий . В практике высушиванием пользуются для консервирования мяса, рыбы, овощей, фруктов, лекарственных трав.
Высушивание из замороженного состояния в вакууме – лиофилизация . Её используют для сохранения культур микроорганизмов, которые в таком состоянии годами (10-20 лет) не теряют жизнеспособности и не меняют свойств. Микроорганизмы при этом находятся в состоянии анабиоза. Метод лиофилизации используют в производстве живых вакцин против туберкулеза, чумы, туляремии, бруцеллеза, гриппа и других болезней, в производстве пробиотиков (эубиотиков).
Действие лучистой энергии, ультразвука на микроорганизмы.
Различают неионизирующие излучение (ультрафиолетовые и инфракрасные лучи солнечного света) и ионизирующие излучение (гамма – излучение радиоактивных веществ, электроны высоких энергий).
Ионизирующее излучение обладает мощным проникающим и повреждающим клеточный геном действием. Но летальные для микроорганизмов дозы на несколько порядков выше, чем для животных и растений.
Рентгеновские лучи (длины волн менее 10 нм.) вызывают ионизацию макромолекул в живых клетках . Возникающие фотохимические изменения сопровождаются развитием мутаций или гибелью клетки.
Повреждающее действие УФ–излучения в большей мере выражено для микроорганизмов, чем для животных и растений. УФ-лучи в относительно небольших дозах вызывают повреждения ДНК микробных клеток.
Ультрафиолетовые лучи вызывают образование димеров тимина в молекуле ДНК, что подавляет репликацию ДНК, прекращает деление клетки и служит основной причиной её гибели.
Ультразвук (волны с частотой 20000 Гц) обладает бактерицидными свойствами. Механизм его бактерицидного действия состоит в том, что в цитоплазме бактерий образуется кавитационная полость , которая заполняется парами жидкости, возникает давление 10000 атм. Это приводит к образованию высокореактивных гидроксильных радикалов, к дезинтеграции цитоплазматических структур, деполимеризации органелл, денатурации молекул. УФ – лучи, ионизирующее излучение, ультразвук используют для стерилизации различных объектов.
Действие химических факторов на микроорганизмы.
В зависимости от природы вещества, его концентрации, длительности действия оно может оказывать на микроорганизмы различное влияние: быть источником энергии и биосинтетических процессов, оказывать микробоцидное (убивающее) или микробостатическое (тормозящее рост), мутагенное действие или быть безразличным для их жизнедеятельности.
Например, 0,5 – 2 % раствор глюкоза – источник питания для микроорганизмов, а 20-40 % раствор оказывает угнетающее действие на них.
В то же время существуют вещества, химическая природа которых обуславливает их противомикробные свойства. Это:
1. Галогены (препараты Cl, Br, I, их соединения).
2.Перекись водорода, калия перманганат, обладающие, как и галогены, окислительными свойствами.
2. Поверхностно – активные вещества, бактерицидные мыла (сульфонол, амболан, твины).
3. Соли тяжелых металлов (ртути, серебра, меди, свинца, цинка);
4.Фенол, крезол, их производные.
5. Щелочи (аммиак, его соли, бура), известь; кислоты, их соли (борная, салициловая,тетраборат натрия)
6. Красители (бриллиантовый зеленый, метиленовый синий, трипофлавин);
7. Спирты.
8. Альдегиды.
Микроорганизмы требовательны к определенной рН среды. Большинство симбионтов и возбудителей заболеваний человека хорошо растут при слабощелочной, нейтральной или слабокислой реакции. В процессе их жизнедеятельности происходит сдвиг рН, обычно в сторону кислой среды, рост приостанавливается, затем наступает гибель микроорганизмов вследствие повреждающего действия рН на ферменты (их денатурация гидроксильными ионами), нарушения осмотического барьера клеточной мембраны .
Дезинфекция, дезинфицирующие вещества.
Дезинфекция – уничтожение патогенных микроорганизмов в объектах окружающей среды с целью прерывания путей передачи и распространения инфекции. Различают следующие методы дезинфекции:
1. Физические :
а) механические (влажная уборка, стирка, вытряхивание, проветривание);
б) действие температурой: высокой (проглаживание, сухой и влажный горячий воздух, прокаливание, кипячение, сжигание), и низкой (замораживание);
2. Химические – обработка объекта дезинфекантами;
3. Биологические (биологические фильтры, компостирование);
4. Комбинированный (сочетание различных методов)
Химические вещества, используемые для дезинфекции – это дезинфицирующие вещества. К наиболее распространенным дезинфицирующим веществом относятся хлорная известь (0,1 – 10 % раствор), хлорамин (0,5-5% раствор), фенол (3-5 % раствор), лизол (3-5 % р-р,), двутретьосновная соль гипохлората кальция ДТСГК (0,1-10% р-р); 0,1-0,2 % р-р сулемы в другие соединения ртути, 70 % этиловый спирт.
В микробиологической лаборатории дезинфицирующими веществами пользуются для обеспложивания использованной посуды (пипетки, предметы стекла), рабочие места, рук.
Выбор дезинфицирующего вещества, длительность его воздействия определяется особенностями микроорганизма и той средой, в которой он находится (в мокроте).
Механизм действия дезинфицирующих веществ.
Большинство дезинфицирующих веществ относится к группе общепротоплазматических ядов, т.е. ядов, действующих не только на микробы, но и на любые животные и растительные клетки.
Механизм действия всех дезинфицирующих веществ сводится к нарушению физико-химической структуры микробной клетки. Различают следующие группы дезинфектантов:
1. Галогены (гипохлориты Са, Na, йодонат, хлорамины, дибромантин, хлорная известь) – взаимодействуют с гидроксильными группами белков;
2. Спирты (70% этанол) – осаждают белки, вымывают из клеточной стенки липиды (недостаток: споры бактерий, грибов, вирусы устойчивы);
3. Альдегиды (формальдегид – блокирует аминогруппы белков, вызывает их денатурацию, гибель м/о);
4. Соли тяжелых металлов (сулема) – осаждают белки и другие органические соединения, гибель м/о;
5. Кислородсодержащие средства (H 2 O 2 , надкислоты) – денатурация белков, ферментов;
7. ПАВ (сульфонол, велтолен, мыла) – нарушают функцию ЦПМ, обладают высокой антимикробной активностью;
8. Газы (окись этилена) – нарушает структуру белков бактерий, в том числе и спор.
Асептика, антисептика.
Асептика и антисептика широко применяется в медицинской, фармацевтической практике и в работе микробиологических лабораторий.
Асептика - совокупность мероприятий, предупреждающих попадание микроорганизмов из окружающей среды в ткани, полости человеческого организма при лечебных и диагностических манипуляциях, в стерильные лекарственные препараты при их изготовлении, а также в материал для исследования, питательные среды, культуры микроорганизмов при лабораторных исследованиях.
С этой целью в бактериологических лабораториях посевы производят у пламени спиртовки, предварительно прокаленной (затем остуженной) петлей, для посева используют стерильные питательные среды.
Асептика достигается стерилизацией хирургических инструментов и материалов, обработкой рук хирурга перед операцией, воздуха предметов операционной, поверхности кожи в операционном поле.
Т.о., элементы асептики –это:
1) стерилизация инструментов, приборов, материалов;
2) специальная (антисептическая) обработка рук перед асептичной работой;
3) соблюдение определенных правил работы (стерильный халат, маска, перчатки, исключение разговоров и т. п.);
4) осуществление специальных санитарно-противоэпидемических и гигиенических мероприятий (влажная уборка с дезинфицирующими средствами, бактерицидных ламп, боксов)
Асептика неразрывно связанна с антисептикой, которую впервые в хирургическую практику применил Н.И.Пирогов (1865 г) и Д.Листер (1867 г). Различают следующие виды антисептики :
1. Механическая (удаление из раны инфицированных и нежизнеспособных тканей);
2. Физическая (гигроскопические повязки, гипертонические растворы, УФО, лазер)
3. Химическая (применение химических веществ с антимикробным действием: мирамистин, хлоргексидин);
4. Биологическая ( применение антибиотиков, бактериофагов и др.)
Антисептики – это химические вещества, убивающие или подавляющие размножение различных микроорганизмов, находящихся на коже и слизистых оболочках макроорганизма.
В качестве антисептиков используются различные химические соединения антимикробного действия: 70 -градусный этиловый спирт; 5% спиртовой раствор йода; 0,1 % р-р марганцевокислого калия, 1-2 % р-р метиленового синего или бриллиантового зеленого; 0,5-1 % р-р формалина.
Антисептики по химической природе подразделяются на:
1. Фенолы (их производные – гексахлорофен)
2. Галогены (соединения йода)
3. Спирты (этанола 70%-й водный раствор)
4. ПАВ (мыла, детергенты)
5. Соли тяжелых металлов (Ag, Cu, Hg, Zn)
6. Красители (бриллиантовый зеленый)
7. Окислители (H 2 O 2 , O 3 , KMnO 4)
8. Кислоты (борная, салициловая, бензойная)
9. Щелочи (раствор NH 3 – нашатырный спирт)
К антисептикам и дезинфектантам предъявляются определенные требования .
Антисептики и дезинфектанты должны:
1) обладать широким спектром антимикробного действия;
2) оказывать быстрое и продолжительное действие, в т. ч. в средах с высоким содержанием белка;
3) антисептические средства не должны оказывать местного раздражающего и аллергического действия на ткани;
4) дезинфектанты не должны повреждать обрабатываемые предметы;
5) должны быть экономически доступными.