Химические факторы

Источники питания. Для того, чтобы микроорганизмы могли расти и размножаться, в среде необходимо присутствие доступ­ных источников энергии и исходных материалов для биосинтеза. Обмен веществ с окружающей средой состоит из двух основных процессов: биосинтеза веществ клетки (конструктивный обмен) и получения энергии (энергетический обмен). Оба процесса про­текают в организме в виде сопряженных химических реакций, при этом иногда используется одно и тоже соединение.

Метаболизм включает поступление веществ в клетку и выделе­ние продуктов обмена из организма в окружающую среду.

Какие вещества необходимы микроорганизмам для роста в пер­вую очередь, видно из химического состава клетки. Как уже упо­миналось, 80 — 90% общей массы клеток приходится на долю воды, поэтому ее присутствие в окружающей среде в доступной форме необходимо. В состав сухого вещества клетки в наибольшем количестве (95 %) входят шесть элементов, называемых органоге­нами: С, N, P, S, Н, О.

Почти все организмы нуждаются также в Fe, Mn, Mg, Cu, C1, К, Са, Zn, Na и др. Количества этих элементов, необходимых для роста, очень малы — от 0,3 до 1 %, поэтому их называют микро­элементами, или следовыми элементами.

Источники углерода. В зависимости от используемого в конст­руктивном обмене источника углерода микроорганизмы делят на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (от лат. autos — сам, trophe — пища) используют в качестве единственного или главного источника углерода для син­теза органических веществ двуокись углерода (СО₂). Биосинтез органических веществ из СО₂ протекает с потреблением энергии. Одни автотрофы в этих целях используют световую энергию, дру­гие используют энергию химических реакций окисления неорга­нических соединений.

Гетеротрофы (от лат. heteros — другой, trophe — пища) в каче­стве источника углерода используют в основном органические со­единения. Необходимую энергию они получают путем окисления органических соединений. Для гетеротрофов характерной особен­ностью является то, что для энергетического и конструктивного обмена часто используется одно и то же соединение, тогда как для других групп организмов существует различие между источ­ником энергии и углерода.

Гетеротрофы — это сложная и большая группа микроорганиз­мов. Они подразделяются на сапротрофы — организмы, растущие на отмерших растительных и животных остатках, и паразиты, — питающиеся за счет живых организмов.

Микробы-паразиты живут в теле другого организма — хозяи­на—и питаются веществами его тела. К паразитам относятся воз­будители заболеваний человека, животных и растений.

Сапрофиты разлагают различные органические вещества в при­роде. Микроорганизмы, вызывающие повреждения промышлен­ных материалов, относятся в большинстве случаев к сапрофитам, хотя среди них имеются виды, вызывающие одновременно и болезни растений. Например, в условиях прохладного влажно­го лета на образцах ситаллов были обнаружены колонии видов рода Aternaria, идентичные возбудителям альтернариоза поми­доров.

Многие сапрофиты всеядны, т. е. способны использовать раз­нообразные органические соединения, некоторые проявляют вы­раженную специфичность (избирательность) в отношении источ­ника углерода. Существуют и такие, которые нуждаются в каких-либо определенных соединениях, их называют субстрат-специфич­ными микроорганизмами.

К микроскопическим грибам, которые могут использовать самые разнообразные углеродсодержащие субстраты, относятся Aspergillus niger, A.flavus, A. versicolor, Trichoderma viride, Penicillium chrysogenum, Alternaria и др. Они способны осуществить окисление любого при­родного органического соединения. Примером «многоядного» гриба может служить A.flavus. Грибы этого вида выделены из разнообраз­ных пищевых продуктов (зерно, хлебопродукты, сухофрукты, мясо, орехи, овощи), а также из кожаных изделий, бумажной массы, ме­таллических изделий, лакокрасочных покрытий, текстильных изде­лий, фекалий насекомых, кишечного тракта человека.

Существуют и более специализированные формы, приспосо­бившиеся к окислению небольшого числа соединений, напри­мер, использующие в качестве основного источника углерода цел­люлозу. В связи с этим повреждающее действие таких микроорга­низмов распространяется главным образом на промышленные из­делия с целлюлозной основой (бумага, древесина, ткани и др.).

Использование углеводородов нефти и нефтепродуктов: бен­зина, керосина, масла, асфальта и других наиболее характерно для Cladosporium resinae, который в научно-популярной литерату­ре называется «керосиновым» грибом.

Ряд грибов {A.flavus, A. niger) способен использовать такие ус­тойчивые соединения, как воска и парафины. Известно, что бу­мага с парафинированным слоем, широко используемая во мно­гих технологических циклах, в пищевой промышленности легко поражается грибом A.flavus и теряет при этом водоотталкиваю­щие свойства. Грибы, использующие воска, разрушают произве­дения искусства, в состав которых входит этот компонент, на­пример, некоторые виды живописи.

Микроорганизмы с высокоразвитой ферментативной активнос­тью хорошо используют и другие труднодоступные источники уг­лерода, в том числе сложные эфиры (синтетические и природные), полиолефины (полиэтилен) и другие карбоцепные полимеры (по-ливинилацетат, поливинилхлорид, поливиниловый спирт).

Органические соединения, которые служат источниками пи­тания для микроорганизмов, входят в состав многих промыш­ленных материалов, что часто является причиной их заселения микроорганизмами. Кроме того, источником органических веществ могут служить различного рода загрязнения, попадающие на ма­териалы, которые по своему химическому составу не могут слу­жить питательными субстратами (металлы, стекло, некоторые полимеры, бетон и др.)- В некоторых случаях достаточно незначи­тельного количества органического вещества, чтобы начался рост биодеструкторов.

Сапрофиты наряду с органическими соединениями использу­ют в небольших количествах и углекислый газ, вовлекая его в обмен веществ. Углекислый газ служит дополнительным источни­ком углерода для биосинтеза веществ клетки. Если, например, из среды полностью удалить СО₂, то рост культуры задерживается, а иногда полностью подавляется. Обычно микроорганизмы удовлет­воряют свои потребности за счет тех количеств его, которые об­разуются при использовании органических субстратов.

Источники азота. Азот входит в состав жизненно важных ком­понентов микробной клетки. Азотное питание в жизнедеятельно­сти микроорганизмов занимает меньший объем, чем углеродное. Во-первых, потому, что азота в составе клетки в 5—6 раз меньше, чем углерода; во-вторых, соединения углерода употребляются в боль­шем количестве, так как они одновременно используются и в кон­структивном и в энергетическом обмене. Что касается значения азо­та для метаболизма микроорганизмов, то он не уступает углероду.

Все автотрофные микроорганизмы усваивают азот из его со­держащих неорганических соединений.

У гетеротрофов по отношению к источникам азота проявляется избирательность. Паразиты используют органические азотсодер­жащие вещества клеток хозяина. Источником азота для сапрофитов могут служить как органические, так и неорганические азот­содержащие соединения. Одни из этих микроорганизмов способны расти только на субстратах, содержащих сложные азотсодержа­щие вещества (азотистые основания, пептиды, большой набор аминокислот), так как сами синтезировать их из более простых соединений не способны. Другие могут развиваться при ограни­ченном числе органических соединений азота, например в суб­стратах, содержащих только некоторые аминокислоты и даже одну—две из них, а все остальные, необходимые для синтеза бел­ков клетки, синтезируют сами.

Органические азотсодержащие соединения (такие субстраты, как натуральная кожа, мех, шерсть, шелк) потребляются только теми микроорганизмами, которые могут разлагать их с образова­нием аммиака.

Источники зольных элементов. Для синтеза клеточных веществ нужны и различные зольные элементы: сера, фосфор, калий, каль­ций, магний, железо. Хотя потребность в них невелика, но при недостатке в питательной среде даже одного из этих элементов микроорганизмы не будут развиваться и могут погибнуть.

Для большинства микроорганизмов источниками зольных эле­ментов являются минеральные соли, хотя некоторые из них луч­ше усваивают серу и фосфор из органических соединений.

Микроэлементы нужны для роста микроорганизмов в незна­чительных количествах и могут быть получены ими также из ми­неральных солей.

Потребность микроорганизмов в витаминах. В составе микроб­ной клетки имеются различные витамины, которые необходимы для ее нормальной жизнедеятельности. Одни микроорганизмы дол­жны получать витамины в готовом виде, и при отсутствии того или иного витамина в среде у них резко нарушается обмен ве­ществ. При добавлении в питательную среду недостающего вита­мина ликвидируется задержка роста, поэтому витамины нередко называют ростовыми веществами, или стимуляторами роста. Дру­гие микроорганизмы способны сами синтезировать витамины из веществ питательной среды. Некоторые микроорганизмы синте­зируют витамины в количествах, значительно превышающих соб­ственные потребности.

Микробиологическим путем в промышленности, используя дрожжи, бактерии и грибы, получают многие витамины.

Витамины, произведенные микроорганизмами широко приме­няют в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленно­сти, для косметических средств и других целей.

Кислород и энергетический обмен у микроорганизмов. Синтез ве­ществ клетки из поступивших в нее питательных веществ и мно­гие другие процессы жизнедеятельности протекают с затратой энергии.

У автотрофов источником энергии служит либо видимый свет, либо энергия химических реакций, получаемая при окислении неорганических соединений (NH₃, H₂S и др.).

Гетеротрофы получают энергию в процессе окисления орга­нических соединений. Любое природное органическое вещество и многие синтетические могут быть использованы гетеротрофами.

В зависимости от возможности использования молекулярного кислорода в энергетических процессах, микроорганизмы делятся на две группы:

аэробы, которые окисляют органические вещества с использо­ванием молекулярного кислорода;

анаэробы, не использующие кислород в энергетических про­цессах.

Многие аэробные микроорганизмы, к которым относятся гри­бы, некоторые виды дрожжей, многие бактерии, подобно выс­шим организмам (растения, животные), окисляют органические вещества полностью до углекислого газа и воды. Процесс этот на­зывается дыханием.

Анаэробные микроорганизмы, к которым принадлежат мно­гие бактерии и некоторые виды дрожжей, получают необходи­мую для жизнедеятельности энергию в процессе брожения.

Анаэробные микроорганизмы подразделяют на облигатные, или безусловные, анаэробы, для которых кислород не только не ну­жен, но и вреден, и факультативные, или условные, анаэробы, среди которых различают два типа. Одни лучше развиваются в ана­эробных условиях, хотя могут жить в присутствии кислорода, но не способны его использовать (например, молочно-кислые бак­терии). Другие факультативные анаэробы (например, дрожжи) спо­собны в зависимости от условий развития переключаться с анаэ­робного на аэробный тип получения энергии.

Для аэробных микроорганизмов характерно приостановление жизнедеятельности при недостатке кислорода. Например, в ре­зультате нехватки кислорода дереворазрушающие и деревоокрашивающие грибы сравнительно быстро погибают в древесине при ее затоплении во время сплавов. На этом принципе основано пре­дохранение древесины от загнивания методом дождевания.

Аэробы полезно используют примерно половину энергии и ос­тальная теряется в виде тепла. Этим и объясняется явление само­согревания недостаточно просушенных кип хлопка, шерсти и дру­гих материалов, когда вследствие повышенной влажности в них обильно развиваются различные микроорганизмы. Такое самосог­ревание хлопка или шерсти может привести к их самовозгоранию.

У некоторых микроорганизмов наблюдается выделение неис­пользованной энергии в форме световой. Такой способностью об­ладают некоторые бактерии и грибы. Свечение морской воды, гниющего дерева, рыбы объясняется присутствием в них светя­щихся микроорганизмов.

Кислотность среды. Реакция среды (рН), т.е. степень ее щелоч­ности или кислотности оказывает большое влияние на жизнедея­тельность микроорганизмов. Многие непродовольственные ма­териалы (бумага, стекло, пергамент и др.) могут быть кислыми и щелочными в зависимости от их состава и назначения. Так, водная пленка, находящаяся всегда на поверхности стекла во влажной атмосфере, в зависимости от химического состава сте­кол имеет рН от 5,5 до 9,0.

Величина рН среды влияет:

на ионное состояние среды, следовательно, на доступность мно­гих метаболитов и неорганических ионов для организма;

активность ферментов, в связи с чем может меняться биохи­мическая активность микробов;

электрический заряд поверхности клетки, что обусловливает изменение проницаемости клетки для отдельных ионов;

морфологию, например мицелия, на размножение и образова­ние грибами пигментов.

Жизнедеятельность каждого вида микроорганизмов возмож­на при прочих благоприятных условиях лишь в более или менее определенных границах рН среды, выше и ниже которых она угнетается. Большинство бактерий лучше растет в зоне рН, рав­ной 6,8 — 7,3, т.е. в нейтральной или слабощелочной среде. За не­большим исключением, они не развиваются при рН ниже 4,0 и выше 9,0, но многие могут длительно сохранять жизнеспособность.

У гнилостных бактерий наибольшая протеолитическая актив­ность проявляется при рН выше 7,0.

Для некоторых видов бактерий кислая среда более губительна, чем щелочная. Вегетативные клетки обычно менее устойчивы, чем споры. Особенно неблагоприятна кислая среда для гнилостных бак­терий и бактерий, вызывающих пищевые отравления. Бактерии, которые в процессе жизнедеятельности образуют кислоту, более выносливы к снижению рН. Одни микроорганизмы, например молочно-кислые бактерии, при накоплении в среде известного ко­личества кислоты постепенно погибают. Другие способны регули­ровать реакцию среды, образуя в таких условиях соответствующие вещества, которые либо подкисляют, либо подщелачивают сре­ду, препятствуя сдвигу рН в сторону, неблагоприятную для их развития.

Мицелиальные грибы могут развиваться в широком диапазоне рН от 1,2 до 11,0. Споры грибов прорастают в более узком интер­вале рН по сравнению с мицелием.

Для большинства мицелиальных грибов и дрожжей наиболее благоприятна слабокислая среда с рН 5,0 — 6,0. Например, опти­мальный рост дереворазрушающих грибов наблюдается при рН 3,0, тогда как верхняя граница их жизнедеятельности лежит в облас­ти рН 7,0 — 7,5. Как правило, грибы испытывают угнетение, если рН отклоняется в ту или другую сторону от оптимума. Очень кис­лая и очень щелочная реакции среды токсичны для большинства грибов.

В большинстве случаев микроорганизмы изменяют рН среды, в которой они развиваются. В одних случаях это связано с по­треблением определенных компонентов среды, в других — с об­разованием продуктов жизнедеятельности (органические кисло­ты, аммиак). Интенсивное потребление аниона NO₃ - из соли KNO₃ неизбежно приводит к подщелачиванию среды. Рост гри­бов на белоксодержащих субстратах (кожа, шерсть и др.) сопро­вождается сдвигом рН среды в щелочную сторону в результате образования аммиака. При выращивании некоторых грибов на суб­стратах, содержащих глюкозу, происходит снижение рН среды, так как в результате сбраживания глюкозы накапливаются орга­нические кислоты, увеличивающие концентрацию водородных ионов. Подобный сдвиг рН в кислую сторону наблюдается при росте Chaethomium globosum и Trichoderma viride на среде, содер­жащей бумагу.

Неодинаковое отношение микроорганизмов к реакции среды является одной из причин наблюдаемой в природных условиях смены одних форм микроорганизмов другими. Зная реакцию раз­личных микроорганизмов на рН среды и регулируя последнюю, можно подавлять или стимулировать их развитие, что имеет боль­шое практическое значение.

До сих пор накоплено мало сведений о микроорганизмах, жи­вущих как при высоких, так и при низких значениях рН, немного известно и о механизмах, обеспечивающих выживаемость в этих условиях. Однако возрастание загрязнения окружающей среды за счет промышленных вод, участившихся «кислых» дождей, в буду­щем может привести к появлению новых местообитаний организ­мов, способных переносить подобного рода экстремальные усло­вия. Это повлечет за собой и увеличение опасности микробного повреждения различных объектов.

Концентрация растворенных веществ в среде. В природе микро­организмы живут на субстратах с разнообразным содержанием растворенных веществ, а, следовательно, и с различным осмо­тическим давлением. Соответственно среде обитания у микроор­ганизмов изменяется и внутриклеточное осмотическое давление.

Нормальное развитие микроорганизма происходит, когда его внутриклеточное осмотическое давление несколько выше, чем дав­ление в питательном субстрате. В этом случае в клетку извне по­ступает вода, цитоплазма плотно прилегает к стенке, слегка рас­тягивая ее. Такое состояние клетки называют тургорным.

При попадании микроорганизма в субстрат с ничтожно малым содержанием веществ (например, в дистиллированную воду) на­ступает плазмоптис клетки — цитоплазма быстро переполняется водой и клеточная стенка разрывается.

Многие микроорганизмы весьма чувствительны даже к неболь­шому повышению концентрации веществ в среде. Превышение осмотического давления субстрата над внутриклеточным вызыва­ет обезвоживание — плазмолиз клеток, при этом поступление в них питательных веществ приостанавливается. В плазмолизированном состоянии одни микроорганизмы могут длительно сохранять жизнеспособность, другие более или менее быстро погибают.

Большинство бактерий малочувствительны к концентрации NaCl в пределах 0,5 — 2%, но 3%-е содержание этого вещества в среде неблагоприятно действует на многие микроорганизмы.

При концентрации поваренной соли около 3 — 4 % размноже­ние многих гнилостных бактерий подавляется, а при концентра­ции NaCl 7 — 10 % их размножение прекращается. Палочковидные гнилостные бактерии менее стойки, чем кокки.

Угнетающее воздействие соли на рост микроорганизмов обусловлено не только повышением осмотического давления, но и тем, что при высоких концентрациях в субстрате поваренная соль оказывает токсическое действие на микроорганизмы, подавляя про­цессы дыхания, нарушая функции клеточных мембран и др.

Химические вещества. Действие химических веществ на микро­организмы может быть различным. Среди химических веществ могут быть такие, которые способны задерживать развитие микроорга­низмов и даже вызывать их гибель.

Вещества, губительно действующие на микроорганизмы, на­зывают антисептиками. Характер действия их разнообразен. Одни подавляют жизнедеятельность или задерживают размножение чув­ствительных к ним микробов; такое действие называют бактериостатическим (в отношении бактерий), или фунгистатическим (в отношении мицелиальных грибов). Другие вещества вызывают гибель микроорганизмов, оказывая на них бактерицидное или фунгицидное действие. В очень малых дозах многие химические яды оказывают даже благоприятное действие, стимулируя размноже­ние или биохимическую активность микробов.

Чувствительность различных микроорганизмов к одному и тому же антисептику неодинакова. Споры устойчивее вегетативных клеток.

Из неорганических соединений наиболее сильнодействующи­ми являются соли тяжелых металлов. Ионы некоторых тяжелых металлов, золота, меди и особенно серебра, присутствующие в растворах даже в ничтожно малых концентрациях, не поддающихся непосредственному определению, оказывают, тем не менее, гу­бительное действие на микроорганизмы.

Бактерицидное действие проявляют многие окислители (хлор, йод, перекись водорода, марганцовокислый калий); минеральные кислоты (сернистая, борная, плавиковая).

Воздействуют на микроорганизмы сероводород, окись углеро­да, сернистый газ.

Многие органические соединения ядовиты для микробов. В раз­личной степени губительно воздействие фенолов, альдегидов, осо­бенно формальдегида, спиртов, некоторых органических кислот (са­лициловая, уксусная, бензойная, сорбиновая). Воздействие этих кис­лот связано, главным образом, не со снижением рН среды, а с проникновением в клетку недиссоциированных молекул этих кислот. Бактерицидным действием обладают эфирные масла, смолы, дубиль­ные вещества, многие красители (бриллиантовая зелень, фуксин).

Механизм действия антисептиков различен. Многие из них по­вреждают клеточные стенки, нарушают проницаемость цитоплазматической мембраны. Проникая в клетку, они вступают во взаи­модействие с теми или иными ее компонентами, в результате чего значительно нарушаются обменные процессы. Соли тяжелых металлов, формалин, фенолы воздействуют на белки цитоплазмы и являются ядами для ферментов. Спирты, эфиры растворяют липиды клеточных мембран.

Антисептические вещества используют для защиты текстиль­ных материалов, древесины, бумаги, изделий из нее и других ма­териалов и объектов от микробных поражений.