Микроорганизмы распространены повсеместно и испытывают на себе действие различных факторов окружающей среды, в связи с чем у них выработались различные защитные механизмы. И. М. Сеченов писал, что «организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен, поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него».

Факторы внешней среды, действующие на микроорганизмы, делятся на абиотические (температура, вода, свет, давление, радиация и др.) и биотические (воздействие других живых существ или продуктов их жизнедеятельности).

а) Влияние физических факторов. Для каждого вида микроорганизмов имеются кардинальные температурные значения, определяющие его жизнедеятельность. При максимальной температуре роста, т. е. температуре, при которой возникают и становятся необратимыми деструктивные процессы в клетке, она, как правило, погибает. При оптимальной температуре скорость роста в популяции наибольшая. Она обычно соответствует температуре естественной среды обитания микроорганизма. При минимальной температуре рост отсутствует. Нижние пределы роста ограничены температурой «застывания» мембраны, когда она теряет свои функции, и клетка переходит в состояние анабиоза.

Микроорганизмы на основе температурного диапазона роста объединяют в три большие физиологические группы:

• психрофилы (греч. psichros — холодный, philein — любить), рост которых возможен в пределах от -6°С (минимум) до +30-35 °С (максимум) с оптимумом 10-20°С. У таких микроорганизмов обнаружен особый состав мембран с пониженной точкой замерзания. Они содержат значительное количество ненасыщенных жирных кислот. Их белки менее стабильны при температуре 20 °С. Это некоторые виды светящихся бактерий и железобактерий, обитатели холодных источников, глубоких озер и океанов, северных морей, бактерии, обнаруживаемые в снегах и почве Арктики, Антарктики. Число видов этих микробов невелико (роды Pseudomonas, Vibrio, Achromobacter, Chlamidomonas);

• мезофилы (греч. mesos — средний), живущие в диапазоне температур от 3 до 45-50 °С, но оптимальной для них является температура 30-37 °С. В данную группу входят все паразитические микроорганизмы и большинство сапрофитных. Это самая обширная группа;

• термофилы (греч. termos — теплый), оптимальной для которых является температура 50-60 °С (диапазон от 28-35 до 70-80 °С). У экстремальных термофилов температурный оптимум достигает 80-113 °С. Термофильные бактерии обнаруживают в почве, горячих источниках, навозе, молоке, экскрементах человека и животных и др. Среди них ряд споровых форм микробов (Bacillus spp., Clostridium spp. и др.). Установлено, что многие специфические белки бактерий этой группы термостабильны, их мембранные липиды содержат большой процент тугоплавких насыщенных жирных кислот, больший процент гликолипидов, все ДНК и РНК — ГЦ-типа. В связи с развитием биотехнологии термофильные бактерии представляют особый интерес. Они могут быть использованы в качестве источника термостабильных ферментов. Например, термофильный микроорганизм Thermus aquaticus, выделенный из горячих источников Йеллоустонского национального парка и растущий при +70 °С, образует Taq-полимеразу, обладающую значительной термостабильностью и высокой скоростью в ПЦР.

Существует группа термогенных бактерий, жизнедеятельность которых сопровождается выделением большого количества тепла. Биохимическая активность этих бактерий является причиной самонагревания сырого сена, зерна, силоса, хлопка и др. В результате температура этих материалов может повышаться до 70-75 °С, что приводит к обугливанию и даже воспламенению органических веществ.

Способность микроорганизмов к росту в широком диапазоне температур ставит вопрос о специальных методах стерилизации и хранения различных субстратов, культур, продуктов и др.

В общем микроорганизмы более чувствительны к действию высоких, нежели низких температур. Даже в жидком водороде (-253 °С) многие из них часами сохраняют жизнеспособность, но роста не происходит. На этом основано использование холодильников для сохранения пищевых продуктов. Возможность длительного сохранения микроорганизмов при охлаждении следует учитывать в эпидемиологической практике. Например, имеются сообщения, что в замороженных трупах людей возбудитель чумы сохраняется около года. На устойчивость к температурному фактору влияет продолжительность действия температуры, количество заразного материала, pH среды, наличие в среде коллоидов, солей и др.

Важную роль в метаболизме играет активность воды, определяемая как отношение давления паров раствора к давлению паров чистой воды. Активность воды зависит как от самого ее наличия, так и от количества растворенных в ней веществ, которые определяют осмотическое давление. Так как содержимое клетки отделено от окружающей среды полупроницаемой мембраной, то в гипотонических растворах вода стремится по градиенту концентраций растворенных веществ внутрь нее. Нужно приложить определенную силу (осмотическое давление в цитоплазме), чтобы ограничить поступление воды в клетку. У грамположигельных бактерий внутриклеточное осмотическое давление может достигать в разбавленных растворах 20 атм и более.

В гипертонических растворах имеет место обратное явление — «отсасывание» воды из клеток, вызывающее плазмолиз. В зависимости от концентрации веществ, переносимых микроорганизмами, различают осмофильные и осмотолерантные виды. К осмофилам относятся многие сапрофитные бактерии, растущие на средах, содержащих более 12% разных солей. В природе они встречаются в соленых озерах, солонцах, содовых озерах. Высокие концентрации солей давно используют в пищевой промышленности при консервировании продуктов (соление, засахаре-вание и др.). Бактерии, способные существовать и размножаться при высоких концентрациях натрия хлорида, называют галофилами. Такие бактерии обнаружены в значительном количестве (100-200 тыс. бактерий/г) в образцах соли, полученных из соленых озер Баскунчак, Сакское и др. К шлотолерантным относятся некоторые патогенные бактерии, способные расти при концентрации до 2,0 М натрия хлорида (стафилококки, некоторые стрептококки и др.).

Потеря воды в естественной среде обитания или в питательном субстрате замедляет или приостанавливает жизненные процессы у микроорганизмов. Высушивание, приводящее к обезвоживанию и денатурации белка, губительно для вегетативных форм. Однако выявлены широкие диапазоны их приспособления к высушиванию. Так, спирохеты, патогенные диплококки (гонококк, менингококк), бордетеллы погибают при высушивании за несколько минут. Более резистентны к высушиванию сальмонеллы (до 70 дней сохраняют жизнеспособность), корине-бактерии (до 30 дней), патогенные стафилококки (до 100 дней) и др. Сохранению жизнеспособности обезвоженных бактерий способствует их нахождение в белковых субстратах (мокроте, крови, гное и др.). Так, туберкулезная бактерия в высохшей мокроте сохраняется до 10 лет, стрептококк в гное и мокроте — несколько месяцев. Споровые формы бактерий выдерживают высушивание особенно долго (до 50 и более лет), так как их жизненные функции находятся в покое, количество свободной воды значительно уменьшено (до 40%), оболочки уплотнены.

Для сохранения микробных культур широко применяют метод лиофильного высушивания. Это процесс высушивания из глубокого замороженного состояния до -50 °С в вакууме. Этим методом высушивают вакцины, лечебные и диагностические сыворотки, бактериофаги, антибиотики и другие биологические препараты. При лиофилыюм высушивании сохраняются вирулентность, ферментативная активность и другие качества микробных культур.

Приостановка жизнедеятельности микроорганизмов под влиянием высушивания используется в хозяйственной деятельности человека для сохранения легко портящихся пищевых продуктов (вяление мяса, рыбы, высушивание молока, фруктов, овощей и др.).

Большинство микроорганизмов, живущих на поверхности земли или воды, растут при давлении в 1 атм. Но есть места, где давление существенно отличается от атмосферного. Повышенное давление в природе отмечено в глубоких нефтяных скважинах, глубинных зонах океанов. Самое высокое искусственно созданное давление, при котором еще сохраняются микроорганизмы, это 1400 атм. Дальнейшее его повышение ведет к деструкции органических молекул.

По отношению к высокому давлению микроорганизмы делятся на:

• пьезочувствительные (барочувствительные) — клетки обычно с газовыми вакуолями, которые при повышенном давлении перестают расти;

• пьезотолерантиые (баротолерантные), выдерживающие до 400 атм, но способные расти и при обычном давлении. Особенно высокая устойчивость обнаружена у спор (до 20 тыс. атм);

• пьезофильные (барофильные), нуждающиеся для роста в повышенном давлении.

При изучении ингибирующего влияния высокого гидростатического давления установлено, что оно замедляет реакции брожения, ведет к денатурации биологических полимеров, нарушает функции цитоплазматической мембраны и др.

б) Действие радиации. Электромагнитные излучения в зависимости от длины волн подразделяются на ионизирующее излучение (γ- и рентгеновские лучи с длиной волны <200 нм), ультрафиолетовое излучение, видимую область, инфракрасное излучение и радиоволны. Эти излучения могут оказывать на микроорганизмы физиологическое, мутагенное или летальное, тепловое и механическое действие.

Физиологическое воздействие оказывают ближние ультрафиолетовые лучи, видимый свет и инфракрасные лучи (350-400-800-1100 нм). Это прежде всего фотосинтез — процесс конверсии солнечной энергии в химическую. Однако способностью использовать энергию видимого света обладают лишь окрашенные организмы, а все паразитарные микроорганизмы и огромное число сапрофитных бесцветны. Под действием инфракрасных лучей может происходить перегрев клеток, а видимый свет в аэробных условиях приводит к образованию синглетного кислорода, который является очень сильным окислителем и быстро вызывает гибель клеток.

Ультрафиолетовые лучи длиной 260-300 нм вызывают повреждение молекул ДНК, что сопровождается мутагенным или летальным действием. Установлено, что патогенные микроорганизмы более чувствительны к действию этих лучей, нежели сапрофитные. Ультрафиолетовое излучение используют для стерилизации воздуха и предметов в операционных и лабораторных помещениях, промышленных цехах по производству вакцин, антибиотиков и др., в процессах стерилизации воды.

Эффект действия ионизирующего излучения зависит от его типа, мощности, величины дозы, температуры, фазы роста микроорганизмов, видовой чувствительности и др. Низкие уровни таких излучений вызывают мутации с изменением морфологических, биохимических, иммуногенных и других свойств микроорганизмов.

Высокие дозы оказывают бактерицидный эффект в результате деструкции ДНК, разрыва водородных связей, полимеризации некоторых молекул. Однако микроорганизмы обладают во много раз большей устойчивостью к действию ионизирующего излучения по сравнению с макроорганизмами. Так, для гибели кишечных бактерий необходима доза в 600 тыс. Рентген.

Ионизирующее излучение (главным образом у-лучи) используют для холодной лучевой стерилизации бактериологических и лечебных препаратов в тех случаях, когда их тепловая обработка невозможна.

Ультразвуковые волны с частотой колебаний более 20 тыс. Гц/с обладают способностью быстро вызывать бактерицидный эффект. При этом происходит механическое разрушение и гибель бактерий в результате резко возникающего высокого давления порядка 10 тыс. атм. Ультразвук используют для стерилизации вакцин, медикаментов, дезинфекции предметов.

В природе микроорганизмы испытывают на себе влияние не одного, а множества факторов одновременно. Ярким примером сочетанного действия экстремальных факторов являются так называемые условия черных курильщиков, в которых на основе хемолитоавтотрофии существует уникальное сообщество микроорганизмов. Это разломы на дне океанов, из которых выходят горячие вулканические газы и вода. В таких местах большое количество сероводорода, градиент температур от 360 до 6°С, давление 256 атм и нет света. Однако там обнаружены серо-и сульфатредуцирующие бактерии, метаногены, карбоксидобактерии и др.

в) Влияние химических факторов. Различные химические вещества издавна применялись в медицинской практике для борьбы с инфекционными болезнями. В последующем было установлено, что, попав в клетки микроорганизмов, такие вещества взаимодействуют с ее жизненно важными компонентами и нарушают их функции. Это вызывает остановку роста (бактериостатическое действие) или гибель (бактерицидное действие) клеток. Характер действия зависит от природы вещества, концентрации, продолжительности контакта, температуры и других условий.

Бактерицидным действием обладают разные группы химических веществ: кислоты, щелочи, спирты, фенолы и их производные, ПАВ, соли тяжелых металлов и др. Многие из них используют в качестве дезинфицирующих веществ для уничтожения патогенных микроорганизмов.

Избирательную чувствительность микроорганизмов к действию некоторых химических веществ успешно используют при химиотерапии ряда инфекционных заболеваний (например, сифилиса, возвратного тифа, малярии, трипаносомоза и др.).

- Вернуться в оглавление раздела "Медицинская микробиология"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 16.05.2019