ЛЕКЦИЯ №3.
Микроорганизмы и окружающая среда.

Вопросы:

1. Распространение микроорганизмов в природе.

2. Влияние физических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.

3. Влияние химических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.

4. Влияние биологических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов.

1.Источники распространения микроорганизмов. Микроорганизмы широко распространены в природе, они обнаружены в пустынях и вечных льдах, на горных вершинах и в океанах. Главным источником распространения микробов является почва. Благоприятны для развития микроорганизмов растительные и животные остатки, загрязненные воды, пищевые продукты. Благодаря высокой приспособляемости микробы могут жить при температуре от  +70-90^оС до   –5-8^оС. На распространение микроорганизмов  влияют географические и климатические условия, больше микроорганизмов встречается в местах с теплым и влажным климатом.

Кроме почвы источником распространения является воздух, но как среда обитания он неблагоприятен из-за отсутствия в нем питательных веществ. Микробы попадают в воздух  с пылью, чаще всего безвредны (возбудители различных брожений, пигментные микроорганизмы, плесневые и дрожжевые грибы). Большее количество микроорганизмов содержится в воздухе летом, чем зимой. Чем больше плотность населения, тем больше в воздухе микроорганизмов. Воздух является источником заражения микробами продовольственных товаров, технологического сырья, значительное содержание микроорганизмов  в воздухе свидетельствует о низком санитарном состоянии помещения. При наличии более 500 – 1000 микробных клеток в 1 м³ воздуха – воздух считается очень грязным.

Вода тоже является естественным местообитанием микробов. В ней микроорганизмы могут находиться и размножаться. В водоёмы микроорганизмы попадают с почвой, пылью, различными органическими остатками. Микрофлора воды носит случайный характер, но есть и постоянные воды. Кроме постоянных безвредных сапрофитов, в воде встречаются патогенные микроорганизмы, возбудители желудочно-кишечных заболеваний человека. Согласно требованиям  санитарных норм в воде  не должно содержаться патогенных микроорганизмов, ионов токсичных металлов.

Все факторы внешней среды делят на 3 группы: физические, химические, биологические.

Рекомендуемые материалы

1 Физические факторы внешней среды:

v Температура. По отношению к температурным условиям микроорганизмы делят на 3 группы:

- психрофилы – холодолюбивые формы, температурный оптимум их развития  10^оС, t_min » 0°C, t_max »30°C. Для них характерно медленное развитие и небольшая скорость роста, могут развиваться в продуктах, которые хранятся при низких температурах. Наиболее часто встречаются флуоресцирующие бактерии, бактерии из рода Pseudomonas, Chromobacteriym, Flavobacterium; некоторые токсичные формы бактерий Clostridium botulinum. Психрофилы способны развиваться при низких температурах, так как содержат в клетках ферменты, имеющие низкую температуру активации, а также в составе клеточных мембран содержится большое количество ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав липидов. В результате мембраны не замерзают.

- мезофилы –  их температурный оптимум 30 – 45^оС, t_min » 10-15°C. В эту группу входят большинство известных микроорганизмов, в том числе болезнетворные.

- термофилы – теплолюбивые организмы, развиваются в зоне высоких температур, их делят на облигатные (оптимум 65-70^оС, t_min = 40-42^оС), факультативные ( оптимум 45-60^оС, t_min < 20°С), термотолерантные (t_max = 45-50°C), экстремальнотермофильные (существуют при t > 90^оС).

Возможность существования при высокой температуре объясняется особым составом липидных компонентов мембран, содержащих насыщенные жирные кислоты с разветвленными цепями, а также термостабильностью белков и ферментных и клеточных ультраструктур. Термофильные бактерии широко распространены в природе, обитают в горячих источниках, принимают участие в саморазогревании зерна, некоторые используют в биотехнологии для получения витаминов, ферментов, белков и так далее.

v Влажность. Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутствии свободной воды. Большое внимание на рост микроорганизмов оказывает концентрация растворенных в воде соединений. Если эта концентрация мала, то раствор называют гипотоническим. При оптимальной концентрации этих веществ создаются условия для лучшего роста микроорганизмов, а увеличение концентрации вещества приводит к задержке роста микроорганизмов в связи с повышением остмотического давления в окружающей среде. Раствор с высоким осмотическим давлением называют гипертоническим.

В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри микробной клетки, микроорганизмы жить не могут, так как вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается и протопласт сжимается. Это явление называется плазмолизом. В среде с очень низким осмотическим давлением вода будет поступать внутрь клетки, оболочка может лопнуть. Это явление называется плазмопсисом.

Высокое осмотическое давление среды не препятствует росту лишь некоторых микроорганизмов, которые называют осмофильными. К ним относятся некоторые дрожжи, которые растут при содержании сахара 70 – 80%, многие плесневые грибы, особенно из рода Aspergillus и Penicillium. Эти грибы растут на едва увлажненных средах. Существуют микроорганизмы, способные жить при очень высоких концентрациях солей. Такие микроорганизмы – галофиты, они представлены двумя группами:

1) умеренные галофиты, которые хорошо растут в среде с 10% соли;

2) экстремальные галофиты растут в 12 – 15% соли, а некоторые - и в 32% растворе хлорида натрия;

Большинство микроорганизмов не переносят концентрации хлорида натрия свыше 5%. Устойчивость к обезвоживанию у разных бактерий неодинакова. Некоторые микроорганизмы в условиях недостатка воды обволакиваются гидрофильными слизистыми капсулами, которые активно поглощают влагу. При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются, но в высушенных продуктах сохраняется много живых микроорганизмов, хотя развиваться они не могут. При увлажнении высушенных продуктов начинается интенсивное размножение микроорганизмов, что приводит к порче продуктов (рыба, мясо, фрукты).

Бактерии с мелкими клетками устойчивы к высушиванию, грамположительные более устойчивы, чем грамотрицательные. Хорошо переносят высушивание споры. Применение ПАВ снижает поверхностное натяжение воды и делает растворы токсичными для микроорганизмов, так как происходит изменение физиологических процессов в клетках.

v Давление. Обычно не оказывает существенного влияния на микробные клетки. Умеренное давление 1× 10⁷ - 5×10⁷ Па угнетает рост и размножение микрофлоры.

v Свет – основной фактор роста фотосинтезирующих зеленых и пурпурных бактерий, для большинства  других микроорганизмов видимая и невидимая радиация бесполезна, и даже вредна. Бактерицидными являются ультрафиолетовые лучи, используемые для стерилизации воздуха. Их действие основано на повреждении ДНК и мембран клеток. Ионизирующая радиация (рентгеновские лучи, a-лучи,g-излучение) в низких дозах оказывает мутагенное действие на микроорганизмы, в высоких – летальное. Ионизирующую радиацию используют для стерилизации различных материалов, консервирования пищевых продуктов.

2. Химические факторы внешней среды:

1.Реакция среды (рН) – один из наиболее важных факторов, определяющих рост и развитие микроорганизмов. Для большинства микроорганизмов оптимальное значение рН » 7. Но тем не менее, по отношению к кислотности микроорганизмы делят на группы:

a) Нейтрофилы – их оптимальный диапазон реакции среды рН 4-9. К ним относятся молочнокислые, уксуснокислые, маслянокислые бактерии, Bacillus sultillus, Escherichia coli, Streptococus faecalis. Среди нейтрофилов встречаются представители, обладающие кислотной и щелочной устойчивостью;

b) Алкалофилы, для них предпочтительна щелочная реакция среды (рН 10 и выше);

c) Ацидофилы предпочитают кислую реакцию среды (рН 3 и менее);

Известны также микроорганизмы, развивающиеся при экстремальных значениях рН, многие грибы предпочитают кислую реакцию среды рН 5-6. В процессе жизнедеятельности некоторые микроорганизмы способны подкислять среду или вырабатывать щелочные продукты. Это свойство микроорганизмов, а также отрицательное влияние кислотности на большинство микробов, используют при консервировании пищевых продуктов, приготовлении маринадов, квашении капусты.

2.Присутствие молекулярного кислорода в среде. По отношению к молекулярному кислороду микроорганизмы делятся на несколько групп:

1) облигатные (строгие) аэробы - нуждаются в кислороде для жизни, без кислорода жить не могут;

2) микроаэрофилы – потребляют кислород, но растут при его концентрации меньше, чем в воздухе;

3) облигатные анаэробы – для них кислород токсичен;

4) факультативные анаэробы – не погибают при контакте с кислородом.

Существуют микроорганизмы, которые в зависимости от условий среды могут иметь либо окислительный, либо бродильный тип обмена. Дрожжи при доступе кислорода окисляют сахар до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях вызывают спиртовое брожение (этиловый спирт + углекислый газ).

3. Химические соединения. Разделены на 3 группы:

1) антисептики – органические и неорганические вещества, обладающие бактерицидным действием (фенолы, спирты, галогены, перманганат калия). Механизм их действия состоит в ингибировании синтеза белка, РНК или в нарушении координации этих процессов;

2) ионы тяжелых металлов – при высокой концентрации обладают бактерицидным эффектом, происходит денатурация и ингибирование синтеза белка;

3) антибиотики – вещества, синтезируемые микроорганизмами и обладающие способностью в небольших концентрациях оказывать избирательное токсичное действие на другие микроорганизмы. Известно более 5000 антибиотиков, принадлежащих к различным группам химических соединений. Механизм их противомикробного действия может быть самым разным: нарушение синтеза клеточной стенки, ингибирование синтеза  белка, РНК, ДНК. Способностью вырабатывать антибиотики обладают многие микроорганизмы, но больше таких микроорганизмов в группе актиномицетов.

3.Биологические факторы внешней среды. Это различные взаимоотношения между живыми существами, которые возникают в природных условиях и обуславливают присутствие разнообразных видов. Взаимоотношения между микроорганизмами могут приносить как пользу, так и вред.

Нейтрализм - взаимоотношения, при которых микроорганизмы, развиваясь, не оказывают друг на друга никакого влияния.

Конкуренция – взаимоотношения между видами, которые соревнуются за питание на одних и тех же субстратах.

Синтрофия – взаимоотношения, когда два или более вида бактерий способны существовать совместно и осуществлять процесс, который ни один из них не в состоянии выполнить самостоятельно.

Симбиоз – тип отношений между микроорганизмами, когда партнеры взаимно приспосабливаются к совместному существованию. Различают несколько типов симбиоза:

1) комменсализм – когда один из партнеров возлагает на другого регуляцию взаимоотношений с окружающей средой, но при этом не вступает с ним в тесный контакт;

2) мутуализм – оба партнера извлекают пользу от взаимосуществования, при этом ни один из них не может существовать без другого;

3) паразитизм – когда симбиоз полезен только одному из партнеров, а другой часто приобретает повреждения различной степени;

Ещё посмотрите лекцию "Стабилизация положения в стране при первых Романовых" по этой теме.

Хищничество – взаимоотношение, при котором одна группа микробов использует другую как пищу (вибропиявка).

Антагонизм – тип отношений, когда один микроорганизм задерживает или подавляет рост и развитие другого. Антагонистические отношения в зависимости от эффекта бывают 3-х типов:

1) бактериостатический – угнетается размножение бактерий;

2) бактерицидный – бактерии убиваются антибиотиками;

3) бактериолитический – клетки бактерий убиваются и растворяются;

Аменсализм – оба микроорганизма взаимно угнетают развитие друг друга.