Влияние на физичните фактори върху микроорганизмите

Микроорганизмите са най-малките форми на живот, които могат да се наблюдават единствено с микроскоп. Те са повсеместно разпространени (обитават почва, води, живи макроорганизми) и жизнените им процеси се повлиява от редица фактори на обкръжаващата ги среда. Сред физичните фактори, който оказват най-силно влияние са температурата, лъчиста енергия, pH на средата, осмотичното и атмосферно налягане, звуковите вълни и др.

Влияние на физичните фактори върху микроорганизмите - температура

Един от основните фактори, които повлияват жизнената активност при бактериите е температурата на среда. Тяхното съществуване се осъществява в определен температурен диапазон: минимален, оптимален и максимален.

В зависимост от това отделните видове бактерии се разделят в следните 3 основни групи:

1. Психрофилите (от гр. psichros - студ) са студолюбиви бактерии. Тяхната оптимална температура на растеж е между 10 °С и 15 °С, но могат да се размножават в границите от 0-30 °С. Обикновено обитават водите и почвите в районите на Арктика и Антарктика и в потоци на разтопяващи се ледници. В моретата на Арктика са открити бактериални видове, които се размножават при темп. от -5 °С. Някои патогенни бактерии като Listeria monocytogenes и Y. enterocolitica са жизнеспособни при темп. от 4 °С, каквато е обикновено и темп. в домашните хладилници.

2. Мезофилите са бактерии, които растат при умерени температури - между 20 °С и 40 °С. Максималните им температурни граници на съществуване са от 10-45 °С. Повечето видове бактерии са мезофилни и включват някои почвени и водни обитатели, представителите на нормалната микрофлора, както и всички болестотворни за човека и животни бактериални видове.

3. Термофилите се определят като топлолюбиви бактерии. Тяхната оптимална температура на растеж е между 45 °С и 70 °С, а максималните им граници, при които остават жизнеспособни са 25-90 °С. Термофилите обикновено се откриват в термални извори и компост. Млечнокиселите бактерии също принадлежат към термофилите.

Съществуват и хипертермофилни бактерии, които се развиват при много високи температури. Тяхната оптимална температура на растеж е между 70 °С и 110 °С. Към тях принадлежат представители на Археите (Archaea), които се срещат в близост до хидротермални отвори на големи дълбочини в океаните.

Оптималната температура на развитие за дадения вид бактерии отговаря на условията, при които клетъчният метаболизъм протича най-ефективно. Високите температури, които надвишават максималните за даден вид бактерии, увреждат метаболизма на клетките и те загиват. Голяма част от патогенните бактерии, гъбите и всички вируси умират при 50-60 °C за период от няколко минути до 1 час. Спорите на бацилите са най-устойчивите форми на живот и загиват при темп. над 100 °C за период от 2 и повече часа (C. butulinum - над 5 часа). Високата температура във водна среда или водната пара уврежда микроорганизмите чрез коагулация и денатурация на белтъците (особено чувствителни са ензимите), денатурация на ДНК и нарушаване целостта на клетъчната обвивка. При сухата стерилизация, при която високата температура въздейства на микроорганизмите във въздушна среда, микробите загиват поради окисление на органичните вещества в клетката и вследствие на повишеното електролитно ниво.

Ниските температури също повлияват жизнената активност на бактериите като забавят или спират клетъчния метаболизъм, увеличават вискозитета (гъстотата) на цитоплазмата и ограничават пропускливостта на плазмената мембрана. При голяма част от бактериите под 0 °С метаболитната активност на клетките се прекратява и изпадат в състояние на анабиоза. Замразяването на повечето микроорганизми в подходяща среда и при температури между -20 и -70 °C, както и в течен азот (-196 °С), се запазват жизнени за дълги периоди от време. Това се извършва в специализирани лаборатории с цел съхранение на ценни бактериални видове.

Ефектът на температурата на среда върху микроорганизмите се използва често в медицинската практика. Биологичните материали, които се взимат за микробиологично изследване се съхраняват и транспортират при оптимална температура за подозирания патоген, култивирането на бактериите също налага поддържане на подходяща температура. Влажната топлина се използва широко за стерилизация на медицински инструментариум и термостабилни консумативи.

Влияние на физичните фактори върху микроорганизмите - лъчиста енергия

Лъченията, които оказват увреждащо въздействие върху микроорганизмите са късовълновия електромагнитен спектър - йонизираща радиация и ултравиолетовите лъчи. Ефектът им се обяснява с настъпване на фотохимични реакции в клетките и молекулна йонизация, вследствие на натрупване на високоенергийни частици.

Йонизиращата радиация с деструктивен ефект върху микробните агенти включва гама-лъчи, излъчвани от Co-60 и Ce-137, рентгенови лъчи и корпускуларни лъчения (бета-частици и високоенергийни електрони). Те имат висока проникваща способност, значителна енергия и упражняват директно и индиректно въздействие. Директният увреждащ ефект се постига с високи дози радиация, при което се засягат пряко бактериалната хромозома, клетъчните ензими, редица макромолекули с настъпване на необратими промени. Индиректното въздействие има водещо значение, тъй като в клетките преобладава водата. Рентгеновите и гама-лъчите са високоенергийни лъчения, който могат да предизвикват отделяне на електрон от атомите, което води до йонизиране на молекулите. В резултат на това се образуват реактивни свободни радикали - водородни (*H), хидроксилни (*OH) и др., от които в клетките възникват окислителни агенти като водороден пероксид и водороден прекис. Те от своя страна увреждат директно редица важни макромолекули, като най-чувствителна е тази на ДНК. Деструкцията на ДНК-макромолекулата е най-честата причина за клетъчна смърт, тъй като в нея често се съдържа само едно копие от даден ген. Вегетативните бактериални форми, техните спори и гъбите обикновено загиват при доза около 1,2 Mrad. За унищожаването на повечето вируси е необходима доза от 2,5 Mrad.

Ултравиолетовата радиация се използва като гермицид (микробицид) както от промишлеността, така и в медицинската практика повече от век. Най-силен ефект върху микроорганизмите имат ултравиолетовите лъчи с дължина на вълната 250-260 nm, което съответства на максималното им поглъщане от базите на ДНК молекулата. Квантовата енергия, носена от ултравиолетовите лъчи (УВЛ) не води до йонизация, а инициира фотохимични реакции. Последните предизвиква ковалентно свързване на съседни тиминови бази в ДНК-молекулата и, когато те са част от две комплементарни вериги, свързването спира репликацията на хромозомата и микроба бива унищожен. При по-ниски дози на ултравиолетовото облъчване този процес причинява мутации. Изследване на случаи на облъчени с ниски дози УВЛ Escherichia coli, установява наличието на нарастващ брой мутанти, устойчиви на бактериофаги.

Влияние на физичните фактори върху микроорганизмите - ph на средата и осмотично налягане

Реакцията на средата, която е оптимална за повечето болестотворни микроорганизми (бактерии и вируси), е неутралната или слабо алкална - pH 7-7,5. Някои бактерии като туберкулозните изискват слабо кисела среда (pH 6,8), причинителите на холера, плесените и дрождите - алкална среда (pH 8-9). Промяната на реакцията на средата повлиява силно метаболитната активност на микроорганизмите, което се използва широко в хранителната и фармацевтичната индустрия.

Микроорганизмите могат да бъдат причислени в една от следните групи на базата на стойностите на рН, необходими за оптималното им развитие:

1. Неутрофили - развиват се най-добре при рН от 5 до 8.

2. Ацидофили - подходяща е среда рН под 5.5.

3. Алкалифили - оптимално е рН над 8.5.

Осмозата представлява дифузия на водните молекули през мембрана от зона с по-висока концентрация на вода (по-ниска концентрация на разтвореното вещество) до област с по-ниска водна концентрацията или по-висока концентрация на разтвореното вещество. Осмотичното налягане се определя от предимно от концентрацията на разтвореното вещество в дадена среда.

За нормалното протичане на жизнените процеси в бактериалните клетки е необходима изотонична среда с определена концентрация на солите. В хранителните среди се използват 0,5% разтвори на NaCl за постигане на изоточниност. В океаните и моретата микроорганизмите издържат на значително по-високо осмотично налягане - до 29% NaCl. В хипотоничен разтвор (

За консервиране на хранителни продукти се използват разтвори с високо осмотично налягане (над 50% захар или 20% NaCl), при което спира развитието на микроорганизмите в тях. Болестотворните стафилококи (S. aureus) мога да оцелеят при среда с 15% NaCl.

Влияние на физичните фактори върху микроорганизмите - изсушаване и звукови вълни

Изсушаването повлиява отделните микроорганизми в различна степен. Патогенни микроорганизми, които са особено чувствителни на загуба на вътреклетъчна вода са хемофилните бактерии, представители на род Найсерия (менингококи, гонококи), T. pallidum и др. От вирусите, които са чувствителни на изсушаване, могат да се посочат: грипни и парагрипни вируси, ХИВ, риновируси и др. Устойчиви на дехидратация са холерните вибриони (до 2 дни), шигелите (до 7 дни) и туберкулозните бактерии (от 3 месеца до 1 година). Силно резистентни на загуба на вътреклетъчна течност са спорите на бактериите (антраксен бацил - до 50 години) и гъбите.

Лиофилизацията представлява процес, при който микроорганизмите се изсушават при ниски температури и в условията на вакуум. Процесът включва поставяне на микробните агенти в защитна течност, след което се замразяват при темп. -20 до -70 °С и се поставят във вакуума среда в специални лиофилни апарати. Вакуумът предизвиква сублимация на водата в микроорганизмите и те се изсушават, като изпадат в анабиоза, но остават жизнеспособни за няколко години. Лиофилизацията служи за съхранение на важни бактериални и вирусни щамове, както и за изготвяне на живи ваксини.

Единствено ултразвуковите вълни могат да повлияят микробния растеж и развитие. Разпространяващите се в течна среда ултразвукови вълни предизвикват свиване и разширяване на средата, което води до формиране на мехурчета в цитоплазмата (кавитация). Тези мехурчета оказват високо налягане върху клетъчната обвивка с последствие разрушаване на клетката. От друга страна ултразвуковата енергима може да причини йонизация и дисоциация на водните молекули с образуване на реактивни радикали. Ултразвукът се използва за механично почистване на медицински и дентални инструменти, но не и за стерилизация, тъй като част от микроорганизмите оцеляват при този метод.

Влияние на физичните фактори върху микроорганизмите - кислород

Бактериите се характеризират с голямо разнообразие по отношение на изискванията си съдържание на кислород в средата им на развитие. Те могат да бъдат групирани по следния начин:

1. Облигатни (задължителни) аероби - микроорганизми, които се развиват единствено в присъствието на кислород. Те получават енергията чрез аеробно дишане.

2. Микроаерофили - за жизнената им активност е необходима ниска концентрация на кислород (2% до 10%), а по-високите му концентрации са инхибиторни. Добиват енергията чрез аеробно дишане.

3. Облигатни анаеробни микроорганизми - растат само в безкислородна среда и често загиват при наличието му. Осъществяват разграждане на хранителните вещества с анаеробно или ферментация.

4. Аеротолерантни анаероби - подобно на облигатните анаеробни, не могат да използват кислород за извличане на енергия, но могат да преживяват в кислородна среда. Те са известни като облигатни ферментатори, тъй като използват единствено процесът на ферментация за извличане на енергия от храните.

5. Факултативните анаеробни микроорганизми - развиват се в присъствие или без кислород, но обикновено са по активни в кислородна среда. Те получават енергията си чрез аеробно дишане (при наличие на кислород), но използват и ферментация или анаеробно дишане, при липсата му. Повечето бактерии са факултативни анаеробни.