Меню

Влияние физических факторов на микроорганизмы осмотическое давление

Влияние физических, химических и биологических факторов на микроорганизмы

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии имени »

Влияние физических, химических и биологических факторов

Грязнева физических, химических и био­логических факторов на микроорганизмы /Лекция.- М.: ФГОУ ВПО МГАВМиБ.- 20с.

Предназначена для студентов высших учебных заве­де­ний по специальностям 111801 — «Ветеринария», 020207 — «Биофизика», 020208 — «Биохимия», 110501 – «Ветсан­экс­пертиза», 080– «Товароведение и экспер­тиза товаров», 111100 – «Зоотехния».

доктор ветеринарных наук, профессор

доктор ветеринарных наук, профессор

Утверждены учебно-методической и клинической ко­мис­сией факуль­тета ве­теринарной медицины ФГОУ ВПО МГАВМиБ (протокол от 21 марта 2011 г.).

Влияние физических, химических и биологических факторов на микроорганизмы

1. Физические факторы, влияющие на микроорганизмы.

2. Химические факторы.

3. Биологические факторы.

5. Приспособляемость микроорганизмов к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Вопросы для самоконтроля

1. , , Бурла-кова Г. И., Шайкова подготовка студентов по дисциплине «Микробиология» с тестовыми заданиями: Учебное пособие.– М.: ФГОУ ВПО МГАВМиБ, 2008.

2. , Родионова //Методи-ческие рекомендации по изучению дисциплины и выполнению самостоятельной работы для студентов факультета ветеринар-ной медицины очного, заочного и очно-заочного обучения.- М.: ФГОУ ВПО МГАВМиБ.- 2008.

3. , Госманов микробио­логия и иммунология: Учебник.- М.: КолосС.- 2006.

4. , , Скородумов ­тикум по ветеринарной микробиологии.- М.: КолосС.- 2008.

5. Поздеев микробиология: Учебник для ву­зов.- М.: Геотар-Мед.- 2001.

6. , , Банникова морфо­логии популяций патогенных бактерий.- М.: Колос. 2007.

Жизнь микроорганизмов находится в тесной зависимости от условий окружающей среды, поэтому микроорганизмы должны по­стоянно к ней приспосабливаться.

Как на человека, животных и растения, так и на микроорга­низмы существенное влияние оказывают различные факторы внешней среды. Их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические.

Антимикробные факторы окружающей среды

Результаты действия факторов внешней среды на микроорга­низмы:

2. Неблагоприятные (бактериостатическое и бактерицидное действие).

3. Изменяющие свойства микроорганизмов.

Антимикробные факторы окружающей среды используются при стерилизации, дезинфекции, лечении, соблюдении правил асеп­тики и антисептики и др.

1. Физические факторы, влияющие на микроорганизмы

Из физических факторов наибольшее влияние на микроорга­низмы оказывают:

2. Высушивание (лиофильная сушка).

3. Лучистая энергия (СВЧ-энергия, ультрафиолетовые лучи, ионизирующая радиация).

5. Давление (атмосферное, гидростатическое, осмотическое).

7. Кислотность среды (рН среды).

8. Наличие кислорода.

9. Влажность и вязкость среды обитания.

Температура — один из самых мощных факторов воздействия на микроорганизмы. Они или выживают, или погибают, или при­спосабливаются и растут.

Последствия влияния температуры на бактерии:

1. Способность микроорганизмов к выживанию после длитель­ного нахождения в экстремальных температурных условиях.

2. Способность микроорганизмов к росту в экстремальных тем­пературных условиях.

Жизнедеятельность каждого микроорганизма ограничена оп­ределенными температурными границами.

Эту температурную зависимость обычно выражают тремя точ­ками:

§ минимальная (min) температура — ниже которой размножение прекращается;

§ оптимальная (opt) температура — наилучшая температура для роста и развития микроорганизмов;

§ максимальная (max) температура — температура, при которой рост клеток или замедляется, или прекращается совсем.

Оптимальная температура обычно приравнивается к темпера­туре окружающей среды.

Все микроорганизмы по отношению к температуре условно можно разделить на 3 группы: психрофилы, мезофиллы, термо­филы.

Оптимальная температура роста и размножения психрофилов

Психрофилы — это холодолюбивые микроорганизмы, растут при низких температурах: min t — 0°С, opt t — от 10-20°С, max t — до 35°С. К таким микроорганизмам относятся обитатели северных морей и водоемов, а также некоторые патогенные бактерии — возбудители иерсиниоза, псевдомоноза, клебсиеллеза, листериоза и др.

К действию низких температур многие микроорганизмы очень устойчивы. Например, листерии, холерный вибрион, некоторые виды синегнойной палочки (Pseudomonas аtrobacter) долго могут храниться во льду, не утратив при этом своей жизнеспособности.

Некоторые микроорганизмы выдерживают температуру до ми­нус 190°С, а споры бактерий могут выдерживать до минус 250°С. Действие низких температур приостанавливает гнилостные и бро­дильные процессы, поэтому в быту мы пользуемся холодильни­ками.

При низких температурах микроорганизмы впадают в состоя­ние анабиоза, при котором замедляются все процессы жизнедея­тельности, протекающие в клетке. Однако, многие из психрофилов способны быстро вызывать микробиальную порчу пищевых про­дуктов и кормов, хранящихся при 0°С.

Большинство па­тогенных и ус­ловно-патогенных микроорганизмов

Оптимальная температура роста и размножения мезофилов

Мезофилы — это наиболее обширная группа бактерий, в кото­рую входят сапрофиты и почти все патогенные микроорганизмы, так как opt температура для них 37°С (температура тела), min t — 10°С, max t — 50°C.

Термофилы — теплолюбивые бактерии, развиваются при тем­пературе выше 55°С, min t для них — 40°С, max t – до 100°С. Эти микроорганизмы обитают в основном в горячих источниках. Среди термофилов встречается много споровых форм (В. stearothermo-philus. В. aerothermophilus) и анаэробов.

Оптимальная температура роста и размножения термофилов

В уплотненном навозе термофилы бурно развиваются, что со­провождается выделением энергии, при этом температура навоза может достигать 95-98°С.

Вегетативные формы Споры

Температурные диапазоны гибели микроорганизмов

Споры бактерий гораздо устойчивей к высоким температурам, чем вегетативные формы бактерий. Например, споры бацилл си­бирской язвы выдерживают кипячение в течение 2 часов.

Все микроорганизмы, включая и споровые, погибают при тем­пературе 165-170°С в течение 1 часа.

Действие высоких температур на микроорганизмы положено в основу стерилизации.

Высушивание. Для нормальной жизнедеятельности микроор­ганизмов нужна вода. Высушивание приводит к обезвоживанию цитоплазмы и нарушается целостность цитоплазматической мем­браны, что ведет к гибели клетки.

Некоторые микроорганизмы (многие виды кокков) под влия­нием высушивания погибают уже через несколько минут.

Более устойчивыми к высушиванию являются возбудители ту­беркулеза, которые могут сохранять свою жизнеспособность до 9 месяцев, а также капсульные формы бактерий.

Особенно устойчивыми к высушиванию являются споры. На­пример, споры возбудителя сибирской язвы могут сохраняться в почве более 100 лет.

Для хранения микроорганизмов в музеях микробных культур и изготовления сухих вакцинных препаратов из бактерий применя­ется метод лиофильной сушки.

Сущность метода состоит в том, что в аппаратах для лиофиль­ной сушки – лиофилизаторах микроорганизмы сначала заморажи­вают, а потом высушивают при положительной температуре в ус­ловиях вакуума. При этом цитоплазма бактерий замерзает и пре­вращается в лед, а потом этот лед испаряется и клетка остается жива (переход воды из замороженного состояния в газообразное, минуя жидкую фазу — сублимация).

Замороженные бактерии (I этап лиофильного высушивания)

Образование внеклеточного (а) и внутриклеточного (б) льда при лиофильном высушивании бактерий

Лиофильно высушенные диплококки

При правильном лиофильном высушивании микробные клетки переходят в состояние анабиоза и сохраняют свои биологические свойства в течение нескольких лет.

Лифильно высушенные живая (а) и погибшая (б) бактерии

Если режим лиофильного высушивания не соблюдался (а для разных видов бактерий он различен), то клеточная стенка у бакте­рий разрывается и они гибнут.

Лучистая энергия. Существуют разные формы лучистой энер­гии, характеризующиеся различными свойствами, силой и харак­тером действия на микроорганизмы.

В природе бактериальные клетки постоянно подвергаются воз­действию солнечной радиации.

Прямые солнечные лучи губительно действуют на микроорга­низмы. Это относится к ультрафиолетовому спектру солнечного света (УФ-лучи).

Действие ультрафиолетовых лучей на живые организмы

Животные и человек

Вследствие присущей УФ-лучам высокой химической и биоло­гической активности, они вызывают у микроорганизмов инактива­цию ферментов, коагуляцию белков, разрушают ДНК в результате чего наступает гибель клетки. При этом обеззараживается только поверхность облученных объектов из-за низкой проникающей спо­собности этих лучей.

Патогенные бактерии более чувствительны к действию УФ-лу­чей, чем сапрофиты, поэтому в бактериологической лаборатории микроорганизмы выращивают и хранят в темноте.

Опыт Бухнера показывает, насколько УФ-лучи губительно дей­ствуют на бактерии: чашку Петри с плотной средой засевают сплошным газоном. Часть посева накрывают бумагой, и ставят чашку Петри на солнце, а затем через некоторое время (15-30 мин) ее ставят в термостат.

Прорастают только те микроорганизмы, которые находились под бумагой. Поэтому значение солнечного света для обеззараживания ок­ружающей среды очень велико.

Бактерицидное действие УФ-лучей используют для стерилиза­ции закрытых помещений: операционных, микробиологических боксов, учебных аудиторий кафедры микробиологии. Для этого применяют бактерицидные лампы ультрафиолетового излучения с длиной волны 200-400 нм.

На микроорганизмы оказывают влияние и другие виды лучи­стой энергии — это рентгеновское излучение, α-, β- и γ-лучи, кото­рые оказывают губительное действие на микроорганизмы только в больших дозах. Эти лучи разрушают ДНК клетки. В последние годы радиационным методом стерилизуют изделия для одноразо­вого использования — шприцы, шовный материал, чашки Петри.

Малые дозы излучений, наоборот, могут стимулировать рост микроорганизмов и вызывать у них мутации.

СВЧ-энергия. Вызывая нагрев среды, СВЧ-энергия действует губительно на микроорганизмы, при этом происходит повреждение клетки.

СВЧ-энергия влияет на генетические признаки микроорганиз­мов, на изменение интенсивности деления клетки, активность не­которых ферментов, гемолитические свойства.

Ионизирующая радиация. Характерной особенностью этих из­лучений является их способность вызывать процесс ионизации.

Ультразвук. Неся с собой большой запас энергии, ультразву­ковые волны вызывают ряд физических, химических и биологиче­ских явлений. С помощью ультразвуковых (УЗ) волн можно вы­звать инактивацию ферментов, витаминов, токсинов, разрушить разнообразные материалы и вещества, многоклеточные и одно­клеточные организмы.

Ультразвуковые волны при частоте колебания 1-1,3 мГц в те­чение 10 мин оказывает бактерицидный эффект на клетки микро­организмов. Ультразвук способствует разрыву клеточных стенок и мембран, повреждению флагеллина у подвижных форм микроор­ганизмов. Влияние ультразвука основано на механическом разру­шении микроорганизмов в результате возникновения высокого давления внутри клетки, разжижения и вспенивания цитоплазмы или на появлении гидроксильных радикалов и атомарного кисло­рода в водной среде цитоплазмы.

Ультразвук используют для разрушения микроорганизмов с целью получения растворимых антигенов при производстве субъ­единичных вакцин и стерилизации продуктов: молока, фруктовых соков.

Читайте также:  Баллонные гидроаккумуляторы высокого давления

Используемые для этих целей приборы, испускающие ультра­звук, называют ультразвуковыми дезинтеграторами (УЗД).

Высокое давление. К высокому атмосферному или гидроста­тическому давлению бактерии, а особенно споры, очень устой­чивы (барофильные микроорганизмы). В природе встречаются бактерии, которые живут в морях и океанах на глубине м под давлением от 100 до 900 атм. Эти бактерии являются са­профитными и относятся к археям.

Бактерии переносят давление атм, а споры бакте­рий — до 20000 атм. При таком высоком давлении снижается ак­тивность бактериальных ферментов и токсинов.

Сочетанное действие повышенных температур и повышенного давления используется в паровых стерилизаторах (автоклавах) для стерилизации паром под давлением.

Важным фактором является внутриклеточное осмотическое давление у различных микроорганизмов.

Влияние осмотического давления на микробную клетку:

1. Плазмолиз (потеря воды и гибель клетки) происходит с мик­роорганизмами, если их помещают в среду с более высоким осмо­тическим давлением.

2. Плазмоптиз (поступление воды в клетку и разрыв клеточной стенки) – происходит с микроорганизмами при перемещении их в среду с низким осмотическим давлением.

Осмотическое давление в клетке регулирует цитоплазматиче­ская мембрана. При высоком осмотическом давлении окружающей среды происходит плазмолиз. Плазмолиз явление обратимое, и если понизить осмотическое давление окружающего микроорга­низмы раствора, вода поступает внутрь клетки и возникает явле­ние противоположное плазмолизу — плазмоптиз.

Микроорганизмы, приспособившиеся к развитию в среде с вы­соким осмотическим давлением, называются осмофильными.

Микроорганизмы, развивающиеся в среде с высокой концен­трацией солей, носят название галофилов (солелюбивых).

Губительное действие высоких концентраций соли и сахара широко используется для консервирования пищевых продуктов.

Действие электричества на микроорганизмы: токи низкой и высокой частоты приводят к колебаниям молекул всех элементов микробной клетки и равномерному нагреванию всей ее массы.

Важным условием нормальной жизнедеятельности микроорга­низмов является поддержание постоянного значения внутрикле­точного рН — концентрация водородных ионов.

Классификация микроорганизмов по отношению

к концентрации водородных ионов в среде (рН)

Для ацидофилов оптимальная для жизни рН -6,0-7,0; для алка­лофилов — 9,0-10,0; для нейтралофилов — 7,5.

Значение рН оказывает существенное влияние на синтез того или иного метаболита.

В ряде случаев оптимум для роста культуры и образования продукта неодинаков. С увеличением температуры культивирова­ния диапозон переносимых значений рН сужается.

Содержание растворенного кислорода (О2) в среде обеспечи­вает метаболические процессы аэробов. Кислород, являясь ак­цептором ионов Н+; замедляет или полностью подавляет развитие анаэробов.

Содержание растворенного диоксида углерода (СО2) в среде необходимо для метаболизма автотрофов, у гетеротрофов может как стимулировать, так и подавлять метаболические процессы.

Вязкость среды определяет диффузию питательных веществ из объема среды к поверхности клетки.

2. Химические факторы

Известно, что изменение состава и концентрации питательных элементов питательной среды может затормозить, прекратить или стимулировать процессы роста и размножения бактериальной по­пуляции. Следовательно, химические факторы способны влиять на жизнедеятельность микроорганизмов.

Степень воздействия химического агента на микроорганизм может быть различной. Она зависит от химического соединения, его концентрации, продолжительности воздействия, а так же от индивидуальных свойств микроорганизма.

Бактериостатическое действие регистрируется в том случае, если химическое вещество подавляет размножение бактерий, а после его удаления процесс размножения восстанавливается.

Бактерицидное действие вызывает необратимую гибель мик­роорганизмов.

Некоторые химические вещества безразличны для бактерий, другие могут стимулировать процессы их развития или являться питанием для бактерий. Например, соль NaCl в малых количест­вах добавляют в питательные среды.

Химические вещества, способные оказывать бактерицидное действие на разные группы микроорганизмов, используют для де­зинфекции.

Дезинфекция (уничтожение инфекции, обеззараживание объ­ектов окружающей среды) – это комплекс мероприятий, направ­ленный на уничтожение возбудителей инфекционных болезней в окружающей среде.

Другими словами, дезинфекция – это уничтожение патогенных микроорганизмов во внешней среде с помощью химических ве­ществ, обладающих антимикробным действием.

К химическим веществам, действующим на микроорганизмы относятся:

2. Поверхностно-активные вещества.

4. Соли тяжелых металлов.

8. Фенолы, крезолы и их производные.

9. Альдегиды (формальдегид, формалин).

По механизму противомикробного действия все химические вещества подразделяются на 5 классов:

1. Денатурирующие белки – коагулируют и свертывают белки.

2. Омыляющие белки – приводят к набуханию и растворению белков.

3. Окисляющие белки — повреждают сульфгидрильные группы активных белков.

4. Реагирующие с фосфатнокислыми группами нуклеиновых кислот.

5. Поверхностно активные вещества — вызывают повреждения клеточной стенки.

§ фенол, крезол и их производные — бактерицидное действие связано с повреждением клеточной стенки и денатурацией белков цитоплазмы;

§ формальдегид — бактерицидное действие обусловлено дегид­ратацией поверхностных слоев и денатурацией белка;

§ спирты — бактерицидное действие обусловлено способностью отнимать воду и свертывать белки;

§ соли тяжелых металлов (сулема, мертиолат, соли ртути, се­ребра, цинка, свинца, меди) — положительно заряженные ионы ме­таллов адсорбируются на отрицательно заряженной поверхности бактерий и изменяют проницаемость их цитоплазматической мем­браны, при этом изменяется структура дыхательных ферментов и разобщаются процессы окисления и фосфорилирования в мито­хондриях.

Омыляющие белки – щелочи, гашеная известь.

Окисляющие белки (хлор, бром, йодосодержащие, перекись водорода, перманганат калия) — выделяют активный атомарный кислород, вызывая цепную реакцию свободнорадикального пере­кисного окисления липидов, что ведет к деструкции мембран и белков микроорганизмов.

Поверхностно-активные вещества (жирные кислоты, мыла, моющие средства, детергенты) — изменяют энергетическое соот­ношение поверхности микробной клетки (заряд с отрицательного меняется на положительный), что нарушает проницаемость и ос­мотическое равновесие.

Галогены (хлорсодержащие: хлорная известь, хлорамин Б, ди­хлор-1, сульфохлорантин, хлорцин и др.; йодосодержащие: спир­товый раствор йода, йодинол, йодоформ, раствор Люголя и др.) – разрушают ферментативные структуры бактериальной клетки, уг­нетают гидролитическую и дегидрогеназную активность бактерий, инактивируют такие ферменты, как амилазы и протеазы, денату­рируют белки цитоплазмы, а также выделяют атомарный кисло­род, оказывающий окисляющее действие на микроорганизмы.

Красители (бриллиантовый зеленый, риванол, трипофлавин, метиленовая синь) — обладают сродством к фосфорно-кислым гру-ппам нуклеиновых кислот и нарушают процесс деления бактерий. Многие красители используются в составе антисептиков.

Бактерицидный эффект кислот (салициловая, борная) и ще­лочей (едкий натр) на микроорганизмы обуславливается:

§ изменением рН среды;

§ образованием кислотных и щелочных альбуминатов.

Новое поколение дезинфицирующих средств – четвертичные аммонийные соединения (ЧАС) и их соли.

Одним из наиболее эффективных дезинфицирующих средств на сегодняшний день является Велтолен — жидкий концентрат на основе уникальной отечественной, запатентованной субстанции «Велтон» (клатрат ЧАС с карбамидом).

Велтолен оказывает бактерицидное, фунгицидное, спорули­цидное и вирулицидное действие в невысоких концентрациях, безвреден для животных и человека, экологически безопасен.

Механизмы противомикробного действия Велтолена

Антимикробное действие 0,5%-ного раствора Велтолена на возбудителя сибирской язвы B. аnthracis при экспозиция 5 мин. вы­зывает вакуолизацию цитоплазмы бактерий и отслоение клеточ­ной стенки.

Антимикробное действие 0,5% раствора Велтолена

Антимикробное действие 0,5% раствора Велтолена на возбу­дителя сибирской при экспозиция 15 мин. вызывает отслоение клеточной стенки, ее разрыв и вакуолизацию цитоплазмы.

Антимикробное действие 0,5% раствора Велтолена

Антимикробное действие 0,5% раствора Велтолена на возбу­дителя сибирской при экспозиция 60 мин. вызывает разрушение большей части бактериальных клеток с потерей клеточной стенки и выхода наружу клеточного детрита. Часть спор под действием Велтолена формирует миелиновые фигуры.

Антимикробное действие 0,5% раствора Велтолена

Активность различных дезинфицирующих веществ не одина­кова и зависит от времени экспозиции, концентрации, темпера­туры дезинфицирующих растворов и окружающей среды.

Дезинфекция с помощью химических веществ в качестве со­ставляющей входит в совокупность мер, направленных на уничто­жение микроорганизмов не только в окружающей среде, но и в макроорганизме, например, в ране и является основой асептики и антисептики.

Асептика — это комплекс профилактических мероприятий, на­правленных на предупреждение попадания микроорганизмов в рану или организм человека и животного.

Антисептика — это комплекс мероприятий, направленных на уничтожение микроорганизмов в ране или в организме в целом, на предупреждение и ликвидацию воспалительного процесса.

Антисептики — это противомикробные вещества, которые ис­пользуются для обеззараживания биологических поверхностей.

К антисептическим химическим веществам относятся краси­тели (метиленовый синий, бриллиантовый зеленый) — обладают денатурирующим и литическим эффектом, и производные 8-окси-хинолина (хинозол, нитроксалин, хинолон) и нитрофурана (фура­цилин, фуразолидон), которые нарушают биосинтетические и ферментативные процессы в бактериальной клетке.

3. Биологические факторы

К биологическим факторам, негативно воздействующим на микроорганизмы, можно отнести:

§ защитные факторы организма (клеточные и гуморальные).

Во внешней среде и в организме человека и животных обитает огромное количество разных видов микроорганизмов, которые по — разному взаимодействуют между собой.

Основные виды взаимоотношений микроорганизмов:

Антагонизм — подавление одних видов микроорганизмов дру­гими (конкуренция, паразитизм, антибиоз).

Конкуренция — один микробный вид обладает большей приспо­собляемостью к условиям среды и при интенсивном размножении вызывает истощение питательной среды, тем самым препятствует росту других микроорганизмов (конкуренция за источник питания).

Паразитизм — пользу от сожительства получает лишь паразит, нанося вред хозяину (гибель хозяина).

Антибиоз — способность одного вида микроорганизма выде­лять токсические вещества, угнетающие жизнедеятельность дру­гих видов (антибиотики).

Под влиянием бактерий-антагонистов:

§ микроорганизмы перестают расти и размножаться;

§ клетки микроорганизмов лизируются (растворяются);

§ тормозятся или останавливаются биохимические процессы внутри клеток, например дыхание, синтез аминокислот.

Наиболее резко антагонизм проявляется у актиномицетов, бак­терий и грибов: кишечная палочка подавляет возбудителя сибир­ской язвы, синегнойная палочка активно подавляет возбудителя чумы, актиномицеты угнетают рост дрожжевых клеток.

Чаще всего антагонисты действуют на конкурентов продуктами обмена веществ, в том числе антибиотиками, либо вытесняют их вследствие более интенсивного размножения или преимущест­венного потребления пищи.

Метабиоз — один из микроорганизмов использует продукт жиз­недеятельности другого и создает условия для его развития.

Например, почвенные бактерии аммонификаторы ферменти­руют питательный субстрат с образованием аммиака, который ус­ваивают нитрификаторы, в результате чего бурно размножаются.

Читайте также:  Полиэтилен низкого давления гост для пищевой

аммиак

Комменсализм — сосуществование двух разных микроорганиз­мов, полезное для одного из них (комменсала) и безразличное для другого (хозяина).

Например, сенная палочка, попав в пищеварительный тракт животного, вырабатывает полезные для жизнедеятельности лак­тобактерий вещества, в то время, как лактобактерии не оказывают на сенную палочку никакого действия.

Среди эпифитной и нормальной микрофлоры организма чело­века и животных комменсализм широко распространен.

Провести строгое различие между комменсализмом и симбио­зом порой нелегко, т. к. эти взаимоотношения микроорганизмов очень сходны.

Мутуализм — взаимодействие между двумя видами микроорга­низмов, приносящие обоюдную пользу, т. е. в популяции каждого из этих видов бактерии растут, выживают и размножаются с боль­шим успехом, чем в присутствии других видов микроорганизмов.

Такое сожительство создает благоприятные условия для обоих партнеров (взаимовыгодный симбиоз-мутуализм).

Преимущества мутуализма могут быть разные. Чаще всего они заключаются в том, что по крайней мере один из партнеров ис­пользует другого в качестве пищевого ресурса, тогда как другой получает защиту от бактерий-антагонистов или благоприятные для роста и размножения условия.

Сателлизм — стимуляция роста и размножения одного микроор­ганизма продуктами жизнедеятельности другого.

Синергизм — усиление физиологических функций и свойств при совместном выращивании.

Хищничество – нападение одного вида бактерии на другой с целью использование другого вида в качестве пищи.

Жизненный цикл бделловибрионов – хищных бактерий

Bdellovibrio bacteriovorus проникает в сальмонеллу

Нейтрализм – микроорганизмы не оказывают друг на друга ни­какого влия­ния.

Наибольший интерес для науки и практики представляют раз­личные биологически активные вещества, образующиеся в про­цессе жизнедеятельности микроорганизмов, и одними их них яв­ляется антибиотики.

Антибиотики — продукты метаболизма живых организмов или их аналоги, получаемые синтетическим путем, способные избира­тельно подавлять рост микроорганизмов.

Термин «антибиотик» был предложен В. Вюименом в 1889 г., чтобы обозначить действующий агент процесса «антибиоза», т. е. сопротивления, оказываемого одним живым организмом другому.

В 1929 году А. Флемингом был открыт пенициллин, который в 1940 году удалось выделить в кристаллическом виде.

Механизм действия антибиотиков на бактерии

По механизму биологического действия

По спектру биологичес-

По химическому строению

Род Pseudomo-nas: пиоцианин,

Ингибирует син­тез клеточной стенки (пеницил­лины, цефало-спорины)

Узкого спек­тра (пеницил-лины, цефа­лоспорины)

Ациклические соединения (микозамин, пирозамин)

Род Streptomyces: тетрациклины, стрептомицины, эритромицин.

Род Мicromono-spora: гентами­цины, сизомицин.

Нарушает фун-кцию мембран

Широкого спектра (тет­рациклины, хлорамфени­кол, гентами­цин, тобра­мицин)

Алициклические соединения (ак­тидион, туевая кислота).

Подавляет син­тез РНК (канами-цин, неомицин) и синтез ДНК (ак­тидион, эдеин)

Ароматические соединения (гал­ловая кислота, хлорамфеникол).

Ингибиторы син­теза пуринов и пиримидинов (азасерин)

Противо­грибные (нистатин, кандицин)

Кислородсоде-ржащие гетеро­циклические соединения (пе­ницилловая ки­слота, карлина­оксид)

Лишайники, растения, водо­росли (усниновая кислота, хлорел­лин)

Подавляет син­тез белка (кана­мицин, тетра­циклины, эрит­ромицин, хло­рамфеникол)

Ингибиторы ды­хания (усниновая кислота, пиоциа­нин). Ингибиторы окислительного фосфорилирова­ния (валиноми­цин, олигомицин)

Аминоглико­зиды (тобрами­цин, гентами­цин, стрептоми­цины).

«Феномен жемчужного ожерелья» у возбуди­теля сибирской язвы при выращивании его на пи­тательной среде с пени­циллином

В результате дейст­вия на B. аnthracis пени-циллина, у возбудителя разрушается клеточная стенка, образуются ша­ровидные протопласты, соединенные между собой в виде нитки бус.

Пенициллин способен вызвать разрушение клеточной стенки у многих видов бактерий. До недавнего времени к нему были осо­бенно чувствительны стафилококки и стрептококки.

У большинства грамотрицательных бактерий к пенициллину выработалась устойчивость, связанная с их способностью синте­зировать фермент пенициллиназу, разрушающий пенициллин.

Воздействие пенициллина на кишечную палочку

(не полное разрушение клеточной стенки с последующим

Зоны ингибирования роста бактерий антибиотиками

(метод стандартных бумажных дисков)

Наряду с антибиотиками на микроорганизмы негативно влияют бактерии-антагонисты, на основе которых созданы биопрепараты, называемые пробиотиками.

Пробиотики – это биопрепараты, которые содержат живые, антагонистически активные в отношении патогенных и условно-па­тогенных микроорганизмов «полезные» бактерии (лактобациллы, бифидобактерии и др.), применяемые для профилактики и лече­ния инфекционных (в основном, желудочно-кишечных) болезней человека и животных.

Пробиотики широко используются в медицине и ветеринарии для профилактики дисбактериоза, восстановления кишечного био­ценоза при стрессах и антибиотикотерапии.

Эффективность применения различных пробиотиков зависит от видового состава входящих в них микроорганизмов.

Возможные механизмы действия пробиотиков:

1. Подавление живых патогенных и условно-патогенных мик­роорганизмов.

а) продукция антибактериальных веществ — бактериоцинов;

б) конкуренция за источники питания;

в) конкуренция за рецепторы адгезии.

2. Влияние на микробный антагонизм.

а) уменьшение ферментативной активности;

б) увеличение ферментативной активности.

3. Стимуляция иммунитета.

а) увеличение уровня антител;

б) увеличение активности макрофагов.

Пробиотические препараты, выпускаемые в странах –

членах ЕС и используемые в них виды микроорганизмов

Жидкое ацидофильное мо­локо, продукты класса йогур­тов (повсеместно)

L. acidophilus, B. bifidum, B. longum

Биоград, Бифийогурт Йога-Лайн, Лактоприв, Эугалин, Витацидофилюс, Омнифлора Мутафлор, Коливит, Симби­офлор, Лактана-Б (Германия)

L. acidophilus, S. thermophilus, B. longum, B. bifidum, E. coli

Гефилак, Бактолак (Финлян­дия)

L. rhamnosum, L. casei, S. faecium

Йокульт, Бифидер, Тойоцерин, Лакрис, Грауген, Кальспорин, Миаризан, Королак, Биофер­мин, Балантол, Лактофед (Япония)

L. rhamnosum, L. casei, E. coli, B. cereus, L. sporo-genes, B. subtilis, B. thermophilus, C. butyricum, B. pseudolongum, S. faecalis, L. acidophilus, B. toyo

B. bifidum, L. acidophilus, P. acidilactis

Синелак, Ортобактер, Бифи­диген, Лиобифидус, Пробио­мин, Нормофлор, Биолакталь (Франция)

L. bulgaricus, L. acidophilus, B. longum E. coli, S. thermophilus, B. bifidum

S. thermophilus, L. bulgaricus, L. acidophilus

Комплекс кишечной микро­флоры

Вентракс оцидо (Швеция)

L. acidophilus, S. faecium, S. thermophilus

Гастрофарм, Нормофлор (Болгария)

L. acidophilus, L. bulgaricus

Био-Плюс2 (Германия, Дания)

B. subtilis, B. licheniformis

Протексин, Припалак (Голлан­дия)

Эсид-Пак-4-Уэй, Лакто-Сак (США)

S. thermophilus, L. acidophilus

Кроме перечисленных видов бактерий, в ряде стран в составе пробиотиков для животных используют Saccaharomyces cerevisiae, Candida pintolopesii, Aspergillus niger и Aspergillus ory­sae.

К молочнокислым бактериям, широко используемым для про­изводства пробиотиков, относятся молочнокислые стрептококки (S. lactis и S. cremoris) и лактобактерии (L. acidophilum, L. casei, L. plantarum, L. bulgaricum).

Метаболиты молочнокислых бактерий и их регуляторные функции

Синергизм сочетания с уксусной, пропионовой, масляной кисло­тами. Синтез внутри — и внеклеточ­ного лактоферрина.

Ингибиция роста патогенных микро­организмов. Снижение синтеза ток­синов у плесневых грибов корма.

Поддержание анаэробных условий и высокого парциального давления.

Снижение дыхательного потен­циала у аэробных кишечных бакте­рий.

Образование гипотиоцината в бак­териях. Истощение ферментной системы у каталазозависящих мик­роорганизмов. Инактивация клеточ­ных энзимов.

Токсическое действие на каталазо­положительную микрофлору. Сни­жение синтеза белков, ограничение передачи генетической информа­ции, снижение факторов адгезии у грамотрицательных бактерий.

Связывание антилизоцимного фактора у энтеропатогенных бак­терий. Лизис клеточных стенок бактерий.

Повышение фагоцитарной актив­ности макрофагов. Снижение коло­низационной активности у грамот­рицательных бактерий. Неспеци­фическая стимуляция макрофагов.

Ограничение синтеза белков. На­рушение процессов транспорта через клеточную мембрану, сниже­ние синтеза ДНК, уплотнение ядерного материала, изменение рибосом и лизосом.

Бактерицидное и бактериостатиче­ское действие. Сдерживание про­цессов деления бактерий, наруше­ние передачи наследственной ин­формации. Деструкция рецептор­ных связей.

В России чистые культуры молочнокислых бактерий стали применять с 1890 года. Большой вклад в разработку способов при­готовления чистых культур, сохранения их в сухом виде и исполь­зования в производстве кисломолочных продуктов внёсли и .

Бактериофаги — это вирусы, обладающие способностью про­никать в бактериальные клетки, репродуктироваться в них и вызы­вать их лизис.

Бактериофаги широко распространены в природе — в воде, почве, сточных водах, в кишечнике животных, человека, птиц, в раковых опухолях растений, молоке, овощах.

Источником бактериофагов патогенных микроорганизмов яв­ляются больные люди и животные и бактерионосители. Бактерио­фаги выделяются с содержимым кишечника, мочой, его обнаружи­вали в мокроте, слюне, гное, носовом секрете. Особенно большое количество бактериофагов выделяется в период выздоровления.

По своему строению бактериофаги подразделяются на 5 групп.

Схематическое изображение представителей различных групп бактериофагов

Сфериче­ские в форме икосаэдра

С коротким хвостовым отростком

Булавовидной формы с длин­ным несокра­щающимся отростком

Булавовидной формы с от­ростком слож­ного строения

одноните­вая ДНК или РНК

1. Нитевидные бактериофаги представляют собой длинные гибкие палочки длинной 700-850 нм., и состоят из трубкообразного капсида, построенного по спиральному типу симметрии из отдель­ных белковых капсомеров, в котором заключена однонитевая ДНК.

2. Мелкие сферические бактериофаги, имеющие форму икоса­эдра, без дифференцированного отростка или его аналогов на вершинах икосаэдра. Фаги этой группы могут содержать одноните­вую ДНК или РНК. На бактериальных газонах такие фаги образуют крупные (8-10 мм.) негативные колонии.

3. Бактериофаги, обладающие четко выраженным хвостовым отростком небольшого размера. В головке такого фага находится базальная пластинка.

4. Бактериофаги булавовидной формы с длинным несокра­щающимся отростком. Это наиболее распространенные фаги, по­ражающие различные виды кишечной палочки, возбудителя рожи свиней и сибирской язвы. Размеры головок у таких фагов варьи­руют от 50 до 100 нм и представляют собой удлиненные много­гранники, содержащие двухнитевую ДНК.

5. ДНК содержащие фаги булавовидной формы имеют мощный отросток сложного строения. Он состоит из наружного сокращаю­щегося чехла, внутреннего жесткого полого стержня и хорошо вы­раженной базальной пластинки, которая имеет разное количество выростов, шипов и нитей. При сокращении чехол укорачивается, обнажая конец внутреннего стержня, который способен проникать через бактериальную стенку.

Бактерии с адсорбированными на их поверхности фагами

Фаги более устойчивы во внешней среде, чем бактерии. Вы­держивают давление до 6000 атм., устойчивы к действию радиа­ции, до 13 лет не теряют своих литических свойств, находясь в за­паянных ампулах.

Некоторые вещества, например, хлороформ и ферментатив­ные яды (цианид, флорид), не оказывают влияния на фаги, но вы­зывают гибель бактерий.

Однако фаги быстро погибают при кипячении, действии кислот, УФ-лучей.

Разрушенная фагами бактерия

(выход бактериофагов из бактериальной клетки методом взрыва)

Фаги обладают строгой специфичностью, т. е. способны пара­зитировать только в определенном виде микроорганизмов.

Фаги с более строгой специфичностью, которые паразитируют только на определенных представителях данного вида, называ­ются типовыми.

Читайте также:  Снижает ли артериальное давление корвалол или

Фаги, которые лизируют микроорганизмы близких видов, назы­ваются поливалентными.

По механизму взаимодействия с клетками фаги подразделя­ются на вирулентные и умеренные.

Феномен бактериофагии, вызываемый вирулентными фагами, проходит в 5 фаз:

1) адсорбция — с помощью нитей хвостового отростка;

2) проникновение в клетку;

3) репродукция белка и нуклеиновой кислоты внутри клетки;

4) сборка и формирование зрелых фагов;

5) лизис клетки, выход фага из клетки.

Умеренные фаги не лизируют все клетки, а с некоторыми всту­пают в симбиоз. Клетка выживает. Умеренный фаг превращается в профаг, который не обладает литическим действием.

Лизогенизация бактерий сопровождается изменением их мор­фологических, культуральных, ферментативных, антигенных и биологических свойств.

Клеточные факторы иммунитета – это макрофаги и фаго­циты, которые уничтожают возбудителей, попавших в организм человека или животных.

Захват макрофагом бактерий

(в центре бактерия, окруженная антителами)

Гуморальные факторы иммунитета — антитела (белки, син­тезируемые В-лимфоцитами), которые специфически связываются с микроорганизмами, образуя комплекс «антиген-антитело», что приводит к гибели микроорганизма.

В микробиологии лабораторная посуда, питательные среды, растворы, некоторые виды оборудования и приборы должны быть стерильны.

Стерильность — понятие абсолютное, оно означает полное от­сутствие микроорганизмов, как на поверхности, так и внутри сте­рильного объекта.

Стерилизация (обеспложивание) — это полное уничтожение ве­гетативных форм микроорганизмов и их спор в различных мате­риалах.

Существуют физические, химические и механические способы стерилизации.

Физические методы стерилизации с использованием высокой температуры:

2. Стерилизация сухим жаром.

4. Стерилизация текучим паром.

8. Рентгеновское излучение.

К наиболее распространенным способам физической стерили­зации относятся автоклавирование и сухожаровая стерилизация.

Автоклавирование — это стерилизация паром под давлением, которая проводится в специальных аппаратах — автоклавах. Авто­клав представляет собой металлический цилиндр с прочными стенками, состоящий из двух камер: парообразующей и стерили­зующей. В автоклаве создается повышенное давление, что приво­дит к увеличению температуры кипения воды. Паром под давле­нием стерилизуют питательные среды, патологический материал, инструментарий, белье и т. д.

Наиболее распространенный режим работы автоклава — 2 атм. (120°С), в течение 15-20 мин. Началом стерилизации считают мо­мент закипания воды.

К работе с автоклавом допускаются подготовленные специали­сты, которые строго выполняют правила техники безопасности.

Сухожаровая стерилизация — проводится в печах Пастера (су­хожаровой шкаф). Это шкаф с двойными стенками, изготовленный из металла и асбеста, нагревающийся с помощью электричества и снабженный термометром. Сухим жаром стерилизуют, в основном, лабораторную посуду. Обеззараживание материала в нем проис­ходит при 160°С в течение 1 часа.

В бактериологических лабораториях используется такой вид стерилизации, как прокаливание над огнем (фломбирование). Этот способ применяют для обеззараживания бактериологических пе­тель, шпателей, пипеток. Для прокаливания над огнем используют спиртовки или газовые горелки.

К физическим способам стерилизации относятся также УФ-лучи и рентгеновское излучение. Такую стерилизацию проводят в тех случаях, когда стерилизуемые предметы не выдерживают вы­сокой температуры.

Тиндализация (двухступенчатая стерилизация) используется для обеззараживания материала, обсемененного спорами бакте­рий. При этом используется два режима нагревания материала – первый режим является оптимальным для прорастания спор и пе­рехода споровой формы бактерий в вегетативную, а второй режим направлен на уничтожение вегетативных клеток микроорганизмов.

Механическая стерилизация (фильтрующая стерилизация) — проводится при помощи фильтров (керамических, стеклянных, ас­бестовых) и особенно мембранных ультрафильтров из коллоид­ных растворов нитроцеллюлозы.

Классификация мембранных методов стерилизации

в зависимости от размеров фильтруемых частиц и размеров пор в мембранах

Фильтрующая стерилизация позволяет освобождать жидкости (биопрепараты, сыворотку крови, лекарства) от бактерий, грибов, простейших и вирусов, в зависимости от размеров пор в фильтре.

Для ускорения фильтрации создают повышенное давление в емкости с фильтруемой жидкостью или пониженное давление в емкости с фильтратом.

В микробиологической практике часто используют асбестовые фильтры Зейтца, Шамберлана. Такие фильтры рассчитаны на од­норазовое применение.

Химическая стерилизация — этот вид стерилизации применя­ется ограниченно. Чаще всего используют химические вещества для предупреждения бактериального загрязнения питательных сред и иммунобиологических препаратов.

При химической стерилизации возможно использование двух токсичных газов: окиси этилена и формальдегида. Эти вещества в присутствии воды могут инактивировать ферменты, ДНК и РНК бактерий, что приводит бактериальные клетки к гибели.

Стерилизация газами осуществляется в присутствии пара при 50-80°С в специальных камерах. Этот вид стерилизации опасен для окружающих, однако существуют объекты, которые могут быть повреждены при нагревании и поэтому их можно стерилизовать только газом. Например, некоторые приборы.

Для проведения стерилизации тех или иных объектов необхо­димо строго соблюдать установленный режим стерилизации (на­пример, для питательных сред он указан в рецепте приготовле­ния).

При проведении стерилизации в автоклаве необходимо осуще­ствлять контроль стерилизации.

Существует 3 вида контроля:

1. Химический — в автоклав при каждой загрузке кладут бен­зойную кислоту, мочевину, запаянные в ампулы, или индикаторы стерилизации ТВИ — 120°С — 1 атм.; ТВИ — 132°С — 2 атм.

При достижении заданного режима стерилизации указанные вещества меняют свой цвет, а термовременные индикаторы тем­неют.

2. Термический — 2 раза в месяц максимальным термометром во время стерилизации проводят замер температуры в контроль­ных точках, которая должна достичь заданных параметров.

3. Биологический — проводится 2 раза в год. В контрольных точках помещают пробирки со споровой культурой Bacillus stearothermophilies, погибающей при 120°С в течение 15 мин. По­сле стерилизации пробирки помещают в термостат при t — 55°С на 48 часов. При достижении заданного режима рост тест-культуры отсутствует: фиолетовой цвет среды в пробирках не меняется.

Для сохранения стерильности стерилизуемые предметы должны иметь упаковку, не допускающую микробного загрязнения.

5. Приспособляемость микроорганизмов

к неблагоприятным факторам окружающей среды

Приспособляемостью микроорганизмов к неблагоприятным факторам внешней среды является изменчивость — приобретение микроорганизмами признаков, позволяющих им выжить и отли­чающих их от предыдущих поколений.

По диапазону изменчивость микроорганизмов подразделяется:

Внутривидовая изменчивость микроорганизмов встречается наиболее часто. При этом, основные видовые признаки бактерий сохраняются (например, приобретение бактериями устойчивости к антибиотикам).

Видообразующая изменчивость микроорганизмов встречается

чрезвычайно редко, при этом происходят глубокие изменения на­следственной структуры (генотипа) микроорганизмов (например, изменение обмена веществ).

Формы проявления изменчивости:

1. Фенотипическая изменчивость или модификация микроорга­низмов (ненаследственная, без изменения генотипа) возникает как ответ клетки на неблагоприятные условия ее существования. Эта адаптивная реакция на внешние раздражители не сопровождается изменением генотипа и поэтому не передается по наследству. Мо­гут измениться морфология (округление, удлинение клетки), куль­туральные свойства (стафилококки не образуют пигмент при не­достатке кислорода), биохимические или ферментативные свой­ства (выработка адаптивных ферментов у эшерихий — фермент лактаза на среде с лактозой). При фенотипической изменчивости кАк правило, через определенное время происходит возврат к ис­ходному состоянию («новый фенотип» утрачивается).

2. Генотипическая изменчивость (наследуемая) — возникает в результате мутаций и генетических рекомбинаций. При этом смена фенотипа связана с изменением генотипа и передается по на­следству. Нет возврата к исходному фенотипу.

Мутации (от лат. mutatio — изменять) — это стойко передаваемые по наследству структурные изменения генов, связанные с реорга­низацией нуклеотидов в молекуле ДНК. При мутациях изменяются участки геномов (т. е. наследственного аппарата).

Бактериальные мутации могут быть спонтанными (самопроиз­вольными) и индуцированными (направленными), т. е. появляются в результате обработки микроорганизмов специальными мутаге­нами (химическими веществами, температурой, излучением и т. д.).

В результате бактериальных мутаций могут отмечаться:

§ изменение морфологических свойств микроорганизмов;

§ изменение культуральных свойств;

§ возникновение у микроорганизмов устойчивости к лекарствен­ным препаратам;

§ ослабление патогенных свойств и др.

К генетическим рекомбинациям относятся рекомбинации ге­нов, которые происходят вследствие трансформации, трансдукции и конъюгации.

Трансформация —передача генетического материала от бак­терии-донора бактерии-реципиенту при помощи изолированной ДНК другой клетки.

Бактерии, способные воспринимать ДНК другой клетки, назы­ваются компетентными.

Состояние компетентности часто совпадает с логарифмиче­ской фазой роста.

Для трансформации необходимо создавать особые условия, например, при добавлении в питательную среду неорганических фосфатов частота трансформации повышается.

Трансдукция — это перенос наследственного материала от бактерии-донора к бактерии-реципиенту бактериофагом.

Например, с помощью бактериофага можно воспроизвести трансдукцию жгутиков, ферментативные свойства, резистентность к антибиотикам, токсигенность и другие признаки.

Конъюгация — передача генетического материала от одной бактерии другой путем непосредственного контакта. Причем про­исходит односторонний перенос генетического материала — от до­нора реципиенту. Необходимым условием для конъюгации явля­ется наличие у донора цитоплазматической кольцевой молекулы ДНК — плазмиды и специфического фактора плодовитости F. У грамотрицательных бактерий обнаружены половые F-волоски, че­рез которые происходит перенос генетического материала. Клетки, играющие роль донора, обозначают F+, а реципиенты – F–-.

3. Промежуточная изменчивость — диссоциация. В однородной популяции бактерий появляются различные по биологическим свойствам клетки, образующие две формы колоний – R (шерохо­ватые, с рваными краями, часто связанные с приобретением бак­териями патогенных свойств) и S (круглые, гладкие, блестящие).

На микроорганизмы во внешней среде воздействует огромное количество разнообразных неблагоприятных факторов, что за­ставляет их постоянно совершенствоваться, приспосабливаться и эволюционировать.

Именно неблагоприятные факторы внешней среды являются для микроорганизмов движущей силой видообразования.

Вопросы для самоконтроля

1. Результаты действия факторов внешней среды на микроорганизмы.

2. Какие физические факторы оказывают наибольшее влияние на микроорганизмы?

3. Каков температурный диапазон выращивания разных видов микроорганизмов?

4. В чем сущность лиофильного высушивания микроорганизмов?

5. Опишите опыт Бухнера.

6. Значение осмотического давления для бактерий.

7. На какие группы классифицируют микроорганизмы по отношению к концентрации водородных ионов в среде?

8. Что такое дезинфекция и дезинфектанты?

9. Классификация химических веществ по механизму противомикробного действия.

10. Какие средства называют антисептиками?

11. Перечислите биологические факторы, негативно воздействующие на микроорганизмы.

12. Какие взаимоотношения между бактериями обуславливает антагонистический симбиоз?

13. Каков механизм действия антибиотиков на бактерии?

14. Назовите возможные механизмы действия пробиотиков.

15. На какие группы подразделяют бактериофаги?

16. Что такое фильтрующая стерилизация?

17. Назовите отличия между фенотипической и генотипической изменчивостью бактерий.

Источник

Adblock
detector