Основи мікробіології

Вплив факторів зовнішнього середовища на життєдіяльність мікроорганізмів

Успішна боротьба з мікроорганізмами й ефективне використання їх у виробничих процесах можливі за умов розуміння їх взаємодії із зовнішнім середовищем. Застосовуючи мікроорганізми для виробництва харчових продуктів, недостатньо тільки вибрати активні культури, необхідно створити оптимальні умови для їхнього розвитку. Регулюючи умови існування, можна не тільки керувати життєдіяльністю мікроорганізмів, але й викликати бажані їх зміни.

Фактори поділяються на три групи:

Фізичні

Хімічні

Біологічні

Фізичні фактори: температура, вологість, осмотичний тиск або концентрація розчинених речовин у середовищі, радіоактивні випромювання, радіохвилі, магнітне поле, гідростатичний тиск, вплив невагомості, промениста енергія, ультразвук.

Температура

Механізм регуляції температури клітин у мікроорганізмів відсутній, тому що для різних груп виявлено температурний діапазон. Він характеризується трьома кардинальними точками : мінімум, оптимум, максимум.

Мінімальна температура – це така, нижче якої припиняється ріст і розмноження бактерій. Вони переходять спочатку в анабіоз і абіоз.

Оптимальна температура відповідає найвищий швидкості росту і розмноження мікроорганізмів.

Максимальна температура – це та, вище якої ріст неможливий, бактерії переходять в стан анабіозу, а потім – абіозу.

В залежності від трьох кардинальних точок бактерії розділяють на групи:

Представники психрофілів: Thamnidium, Penicillum, Pseudomonas. Живуть в холодних морях і на крайній півночі.

Представники мезофілів: Escherichia coli, C. Botulinum, Bac. Subtilis. Всі патогенні, гнилостні.

Представники термофілів: Lactobacillus bulgaricus та ін. Зустрічаються в гарячих джерелах, в торфі, в грунті.

На згубній дії високих температур засновано багато прийомів знищення мікроорганізмів у харчових продуктах і в різних інших об’єктах, наприклад, кип’ятіння, варіння, обсмажування, бланшування продуктів харчування, стерилізація, обробка паром виробничого устаткування.

У харчовій промисловості широко застосовують два способи впливу високих температур на мікроорганізми: пастеризацію і стерилізацію.

Пастеризація – це нагрівання продукту до 90 – 100 ºС, тривалість процесу залежить від температури і звичайно складає 20 – 40 хв. При пастеризації гинуть не всі мікроорганізми. Деякі термостійкі бактерії, а також спори багатьох бактерій залишаються живими. У зв’язку з цим пастеризовані продукти варто охолоджувати до температури не вище 10 ºС і зберігати на холоді, щоб затримати проростання спор і розвиток збереження клітин. Пастеризують молоко, пиво, ікру, фруктові соки і деякі інші продукти.

Стерилізація – це нагрівання при температурах вище 100 ºС протягом певного часу, при якому відбувається загибель вегетативних клітин мікроорганізмів і їхніх спор. Стерилізації піддають різні банкові консерви, багато предметів і матеріалів, які використовуються в медичній і мікробіологічній практиці.

Вплив холоду

Холодильна технологія базується на постулаті, що більшість мікроорганізмів (мезофіли і термофіли) не здатні розмножуватися при температурі нижче нуля. В промисловості застосовуються два способи зберігання під дією холода – в охолодженому стані не вище 4 ºС і при заморожуванні не вище -8 ºС. Але відомі факти, що деякі мезофільні організми витримують тимчасово низькі температури. Наприклад, Clostridium Botulinum зберігається протягом одного року при температурі – 16 ºС. Існують спори, які витримують температуру – 190 ºС, а в природних кригах знайдено життєздатні мікроорганізми, які перебували там 12 тисяч років.

Фактори загибелі мікроорганізмів під дією холоду

Механічна дія кристалів льоду.

При малій швидкості тепло відводу і повільному тривалому заморожуванні часом 10 хвилин до температури -80 ºС в міжклітинному просторі утворюються великі кристали. При цьому гине частина мікроорганізмів. При швидкому заморожуванні за короткий термін ( до 20 хвилин) і у середині клітини і між ними утворюються дрібні кристали, які разом формують суцільні моноліти льоду. Більшість мікроорганізмів гине. В даному випадку це явище зветься вітрифікацією.

Осмотичний тиск.

Внаслідок виморожування води, солі, монози концентруються і в середовищі утворюється гіпертонічний розчин, підвищений осмотичний тиск в оточуючим середовищі який спричиняє плазмоліз бактерій і вони переходять у стан анабіозу і потім абіозу.

Вологість.

Зменшення показника „ водна активність” і доступної води гальмує фізіологічні процеси – розвиток, метаболізм, дихання трофіїв. Бактерії переходять в анабіоз і гинуть.

Однак заморожування не спричиняє стерилізуючої дії. У заморожених продуктах завжди є живі життєздатні мікроорганізми. Під час розморожування продуктів, особливо при витіканні з них соку, мікроорганізми знову розмножуються і викликають псування. Тому відтаювати заморожені харчові продукти слід безпосередньо перед вживанням.

Холодостійкість

Холодостійкість – це відношення мікроорганізмів до впливу низьких температур. Психрофільні бактерії мають мінімальну кардинальну точку – 12 ºС – нижче неї вони не розмножуються і переходять у стан анабіозу. Механізм адаптації до стану холоду у різних мікроорганізмів різноманітні. У деяких Грамнегативних в цитоплазматичній мембрані і в стінці клітини є велика кількість ліпідів. Стабілізація мембран відбувається за рахунок підвищення в них концентрації полі ненасичених жирних кислот, а резистентність спор Грампозитивних до дії холода пов’язана з низькою концентрацією вологи.

Термостійкість

Термостійкість – відношення мікроорганізмів до температури, які перевищують максимальну кардинальну точку. Термостійкість спор пов’язана з малою концентрацією води та наявністю дипіколінату Са. У деяких термостійкість пов’язана з низькою концентрацією полі ненасичених жирних кислот.

В харчовій промисловості застосовують два методи – пастеризація і стерилізація.

Ефективність стерилізації залежить від початкового вмісту бактерій: чим кількість їх більше, тим більше залишається живих клітин у продукті і вони викликають псування.

Вологість

У вегетативних клітинах бактерій міститься до 85% води, з нею транспортуються поживні речовини у середину, а метаболіти – назовні . Мікроорганізми розвиваються тільки в субстратах з вільною водою, а зв’язані форми води для них недоступні. При видаленні вологи нижче мінімального рівня розмноження припиняється. В залежності від критерію мінімальної потреби мікроорганізмів в волозі і доступність води мікроорганізми класифікують на групи:

гідрофіти

мезофіти

ксерофіти

Водна активність харчових продуктів знаходиться в тих же межах, що і у більшості бактерій, тому вони утворюють сприятливі умови для розвитку бактерій, тому продукти псуються. Продукти, у яких активність води менша ніж 0,7 можуть довгостроково зберігатися без мікробного псування. В технології застосовується зберігання продуктів харчування у вигляді сухих продуктів. Але вони не є стерильними і в них є залишкова мікрофлора: дріжджі, молочнокислі і коки.

Здавна застосовується зберігання різних харчових продуктів у сухому вигляді. Сухі продукти не є стерильними і завжди містять різні мікроорганізми, серед яких можуть бути і патогенні форми. У висушеному стані багато мікроорганізмів зберігаються життєздатними протягом тривалого часу. Наприклад, червоно тифозні бактерії, більшість стафілококів і мікрококів, молочнокислі бактерії можуть зберігатися в сухому вигляді тижнями і місяцями, а оцтовокислі бактерії відмирають швидко. Стійкі до висушування дріжджі. Спори бактерій у висушеному стані зберігають здатність до проростання протягом десятків років. Зволоження сухих продуктів у період зберігання може спричинити їх псування внаслідок розвитку збережених на них мікроорганізмів.

Сублімаційне сушіння продуктів (висушування у вакуумі із замороженого стану) сприяє значно кращому збереженню їх харчової якості. Однак мікроорганізми добре переносять таке висушування і навіть після багаторічного перебування в цьому стані зберігають життєздатність. Тому до продуктів, що піддаються такому висушуванню, варто пред’являти суворі санітарно-гігієнічні вимоги.

Концентрація розчинних речовин у середовищі або осмотичний тиск

Внутрішньоклітинний осмотичний тиск у різних мікроорганізмів коливається в широких межах. В одних, наприклад, у багатьох збудників псування харчових продуктів, він складає 0,5 – 1,5 МПа, в інших – значно більше. Величина осмотичного тиску клітинного соку деяких плісеневих грибів з роду Aspergillus досягає 20 МПа, ґрунтових бактерій 5 – 8 МПа. Навіть у представників одного виду, що живуть у різних умовах, внутрішньоклітинний осмотичний тиск може значно коливатися.

В пріроді мікроорганізми зустрічаються в субстратах з різноманітним вмістом розчинених речовин, а, отже, з різним осмотичним тиском. Мікроорганізми, що можуть жити при високому осмотичному тиску, називаються осмофільними.

Бактерії-галофіли можуть рости на середовищах з високим вмістом солей. Облігатні галофіти обов’язково потребують високої концентрації NaCl, факультативні галофіти нормально розмножуються при різних концентраціях хлориду натрію. Галофітами являються мікрококи, лактобацили, деякі микроміцети, вібріони, спірили.

В нормі внутрішньоклітинний тиск бактерій, який зветься тургор, перевищує осмотичний тиск середовища і досягає 1,5 МПа або 15 атмосфер.

Існує три стану бактерій в залежності від осмотичного тиску:

плазмоліз

плазмоптис

тургор

А також бактерій на осмофільних і галофільних

Промениста енергія

Промениста енергія – це енергія у вигляді електромагнітних хвиль. Різні спектри променистої енергії мають різну довжину хвиль, яка визначає їх характер і властивості.

Електромагнітні хвилі поділяються на групи:

радіохвилі – у них найбільша довжина хвилі 1500 нм;

світлові промені поділяються на три підгрупи: інфрачервоні (760 нм), видимі (760-380 нм), ультрафіолетові промені (380-200 нм);

іонізуюча радіація – найбільш коротка хвильова частина спектру.

Дія на прокаріоти різних видів випромінювання залежить від їх енергії і дози випромінювання. Ультрафіолетові випромінювання використовується для дезінфекції повітря в холодильних камерах, виробничих приміщеннях. За 6 годин ультрафіолетове опромінення знищують 80% бактерій і грибів. Використовують ультрафіолетове опромінення при розливі, фасуванні, пакуванні продуктів, для обробки питної води, знезаражування тари. Можливе застосування для стерилізації соків в тонкому шарі. До ультрафіолетових променей стійкі коки, які містять каротиноїди, деякі види грибів та бактерій. В харчовій промисловості застосовують гамма-промені, промені високої та надвисокої частоти, ультразвук. За допомогою ультразвукових хвиль досягається явище кавітації. На мікроорганізми діють гідравлічні удари, іонізується вода, змінюються хімічні властивості деяких речовин і вони згубно діють на клітину.

Радіохвилі – це електромагнітні хвилі, які характерізуються відносно великою довжиною – від міліметрів до кілометрів. Проходження короткочасних і ультракоротких радіохвиль через середовище індикує в ньому виникнення перемінних струмів високої та надвисокої частот. Поглинута розташованим в електромагнітному полі об’єктом електрична енергія перетворюється на теплову. Об’єкт нагрівається швидко і рівномірно по всій масі до високих температур. Загибель мікроорганізмів в електромагнітному полі високої інтенсивності настає внаслідок теплового ефекту.

Ультразвук

Ультразвук – це високочастотні коливання звукових хвиль. Ультразвук чинить могутню бактерицидну дію на прокаріоти. Сила цієї дії залежить від частоти коливань, тривалості впливу, а також від фізіологічного стану й індивідуальних особливостей мікроорганізму. При тривалому озвучуванні мікробної культури спостерігається 100% летальний ефект.

Механізм бактерицидної дії ультразвуку полягає в незворотних фізико-хімічних змінах життєво важливих компонентів мікробної клітини і механічних ушкодженнях усіх клітинних структур, що їх призводить електрогідравлічний ефект ультразвуку.

Хімічні фактори

Серед хімічних факторів розрізняють три группи:

реакція середовища – рН;

окиснювально-відновні умови;

антисептики.

Реакція середовища рН

Реакція середовища рН визначається концентрацією іонів Н і іонів ОН у водному розчині. Для кількісної характеристики реакції середовища вводять величину рН – водневий показник, який характеризує ступінь кислотності ( 7:1) або лужності (7:14). рН впливає на транспорт поживних речовин, на їх концентрацію всередині, на активність ферментів, денатурацію білків. В залежності від відношення до діапазону рН мікроорганізми класифікують на:

нейтрофіли – для них оптимальне значення рН 6,5...7,5;

ацидофіли і кислотно толерантні - оптимальне рН нижче 5;

алкалофіли – рН вище 7.

Життєдіяльність кожного виду мікроорганізмів можлива при інших сприятливих умовах лише в більш-менш визначених границях рН середовища, вище і нижче яких вона пригнічується.

Але виявляється загальна тенденція: для бактерій кисле середовище згубніше лужного, особливо для гнильних і збудників харчових отруєнь. Вегетативні клітини звичайно менш стійкі, ніж спори.

Реакція середовища впливає на розчинність речовин поживного субстрату і надходження їх у клітину. Зміна реакції середовища нерідко супроводжується підвищенням концентрації токсичних для мікробних клітин сполук. При зсуві рН у кислу сторону і підвищенні температури спостерігається різке збільшення швидкості денатурації білків у клітинах мікроорганізмів.

Стійкість прокаріотів до кислого і лужного середовища пояснюється специфікою хімізму функціонування їх клітинних бар’єрів. Крім цього, у процесі метаболізму вони здатні видаляти з клітини іони Н чи ОН, підтримуючи внутрішньоклітинне значення рН у нейтральному діапазоні.

Окислювально-відновні умови

Мікроорганізми розрізняють по потребах в умовах аерації. Тому їх класифікують за типами дихання: на аеробів та анаеробів. Аеробні клітини окислюють субстрати з виділенням енергії за реакцією:

С6 Н12 О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2 О +Q

Енергія, яка вивільнюється застосовується бактеріями на біосинтез, механічну роботу і виділення енергії у вигляді світла і тепла. Теплова енергія, яка вивільнюється при диханні викликає явище термогінез, він має місце при самозігріванні або самозапалюванні зерна. Мікроби, які перетворюють хімічну енергію в світло називають фотогенними, а процес фотогенез. Анаероби не можуть застосовувати атмосферний кисень для отримання енергії вони використовують анаеробні дегідрогенази. Цей принцип відкрив Пастер і дав назву бродіння: спиртове, маслянокисле. Розрізняють підтипи облігатні та факультативні анаероби. Облігатні анаероби в лабораторіях визначаються за допомогою середовища Кітт-Тароцці. Факультативних анаеробів не виявлено.

Окисно-відновний потенціал середовища впливає не тільки на ріст і розмноження аеробних і анаеробних мікроорганізмів, але і на їх обмін речовин. Регулюючи окисно-відновні умови середовища, можна загальмувати або викликати активний розвиток тієї чи іншої групи мікроорганізмів. Можливо, наприклад, викликати ріст анаеробів у присутності повітря, додаванням речовин, які редукують та знижують окисно-відновний потенціал середовища. І навпаки, можна культивувати аероби в анаеробних умовах, підвищити рН середовища за рахунок введення речовин, які мають окисні властивості.

Антисептики

Антисептики – це хімічні сполуки, які згубно діють на мікроорганізми, їх дія зветься бактеріостатичною, коли затримується ріст та розмноження і бактерицидна – тобто загибель бактерій. Ефект дії антисептиків залежить від хімічної природи, концентрації часу експозиції та ін. факторів.

Класифікація антисептиків:

неорганічні солі – солі важких металів. Механізм дії – денатурація білка, інактивація ферментів.

окислювачі – хлор, хлорамін, хлорне вапно, спирт, розчин йоду, перманганат калію, перекис водню. Механізм дії – хлор та озон призводять до накопичення вільних активних радикалів. Формальдегід викликає денатурацію білка. Хлорамін використовують для дезінфекції в медицині, на харчових підприємствах, хлор використовують для знезараження питної води.

органічні сполуки – 70% розчин етанолу, фенол, крезол, формальдегід, поверхнево активні речовини. Механізм дії для більшості – розчинення ліпідів мембран.

Механізм дії антисептиків різний. Більшість з них порушують проникність цитоплазматичної мембрани, а після проникнення в клітину вступають у взаємодію з її компонентами, в результаті чого значно порушуються життєві процеси. Солі важких металів, формалін, феноли викликають коагуляцію білкових речовин клітини і є ферментними отрутами. Спирти, ефіри розчиняють ліпіди клітинних мембран. Хлор і озон викликають активні окисні процеси, не властиві матаболізму мікробної клітини, а також руйнують ферментні системи.

Оскільки чутливість різних мікроорганізмів до одного хімічного консерванту неоднакова, доцільне застосування їх суміші, підбираючи її склад з таким розрахунком, щоб один консервант доповнював інший у відношенні впливу на мікробі оту продукту.

Біологічні фактори

У природному середовищі існування в процесі еволюції сформувалися дуже складні і різноманітні взаємини між певними видами і групами мікроорганізмів. Серед різних ценозів значне місце в природних умовах посідають мікробіоценози – спільність мікроорганізмів. Спільне існування різних організмів одержало назву симбіозу. Симбіотичні відношення можна підрозділити на конкурентні та асоціативні (взаємно сприятливі). Асоціативні взаємовідносини мікроорганізмів у природі зустрічаються дуже часто. Серед них можна виділити декілька основних видів.

Симбіоз визначає тісні асоціативні взаємини мікроорганізмів, які стимулюють і підтримують розвиток один одного. Симбіонти спільно завжди краще розвиваються краще, ніж кожний з них окремо.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7