Микроорганизмы, как и все живое подвергаются воздействиям условий окружающей среды и находятся в непрерывном взаимодействии её с компонентами. Одни условия способствуют активному развитию микроорганизмов, другие подавляют их жизнедеятельность.

Способность микробов к быстрой изменчивости и смене поколений позволяет им приспосабливаться к различным условиям среды обитания, а также закреплять и передавать поколениям приобретенные признаки. В составе живого вещества биосферы микроорганизмы в соответствии со своими особенностями могут изменять окружающую среду. Являясь деструкторами, они разлагают органическое вещество до неорганических. Процессы питания и дыхания микробов сопровождаются выделением продуктов их обмена которые изменяют химический состав, реакцию и соотношение различных веществ окружающей среды.

Поэтому в изучении экологии микроорганизмов акцентируется внимание на двух моментах: первое – какие изменения вызывают микроскопические организмы в природе; второе – как влияют условия внешней среды на жизнедеятельность микроорганизмов. Знание экологических факторов, стимулирующих и угнетающих их развитие позволяет регулировать деятельность микробов (способствовать развитию полезных или предотвращать вредные воздействия).

Экологические факторы, влияющие на микроорганизмы, делятся на три группы:

1) физические факторы оказывающие наиболее заметное воздействие на микроорганизмы: температура, влажность, различные формы лучистой энергии, ультразвук, осмотическое давление;

2) химические факторы: состав и реакция питательной среды, окислительно-восстановительный потенциал, химические вещества оказывающие антимикробное действие;

3) к биологическим факторам относятся взаимоотношения микроорганизмов с другими организмами.

Наиболее заметное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов оказывают такие факторы среды как температура, влажность, кислотность и химический состав среды, концентрация растворенных веществ, осмотическое давление, свет.

Физические факторы. Температура

Температура один из важнейших факторов, влияющих на развитие микроорганизмов. Она определяет не только интенсивность жизненных процессов, но и возможность существования микроорганизмов.

Основными температурными точками, оказывающими влияние на развитие микробов, являются: температурный оптимум, минимум и максимум.

Температурный режим, соответствующий физиологическим потребностям микроорганизма, при котором данный вид наиболее хорошо развивается относится к температурному оптимуму.

При возникновении температурного минимума или максимума жизнедеятельность микроорганизмов угнетается. Температура, превышающая максимум ведет к гибели, минимальная способствует переходу микробной клетки в состояние анабиоза при котором происходит приостановка жизнедеятельности, но при повышении температуры возможно возвращение к активной жизни.

Для роста каждого вида микроорганизма существует минимум, оптимум и максимум температурного режима. По этому свойству микробы подразделяются на три группы:

- психрофилы хорошо растущие при пониженных значениях температуры с минимальными значениями –10–0 °С с оптимумом 10–15 °С;

- мезофилы оптимальный температурный режим для них наблюдается при 25–35°С, минимум – при 5–10 °С, максимум – при 50–60 °С;

- термофилы микроорганизмы способные расти при высоких температурах оптимальный режим для них при 50–65 °С, максимумом – при температуре более 70 °С.

Приведенных температурных границ микроорганизмы придерживаются при размножении. Другие процессы жизнедеятельности такие как спорообразование, образование пигментов или токсинов возможны и при других значениях температур. Психрофильные микроорганизмы обитают в холодных источниках воды, в водах глубоких морей, океанов и озёр. Хорошо развиваются также в условиях холодильных аппаратов. Сильной устойчивостью обладают плесневые грибы и микроорганизмы вызывающие процессы гниения (-3–9°С). К мезофильной микрофлоре относятся все патогенные, условно-патогенные и большинство сапрофитных микроорганизмов. В навозе, почве, сточных водах, песках пустынь, в термальных водах в больших количествах находятся термофильные микробы. Они являются участниками многих биологических процессов таких как например самосогревание сена и хлопка при высокой их влажности. Участвуют в силосовании кормов и квашении капусты. Являются причиной порчи пастеризованных и стерилизованных продуктов. Знание отношения разных видов микробов к воздействию температур важно при выращивании их в лабораторных условиях на искусственных питательных средах. Для создания оптимальных режимов культивирования используют термостаты. Отношение микроорганизмов к различным значениям температуры учитывается при хранении продуктов питания, медикаментов и других веществ. В этом случае используются как низкие, так и повышение температурные значения. На основе этого применяют несколько технологических приемов обработки и хранения продуктов. Низкие температуры используют для хранения в замороженном и охлажденном состоянии. Для хранения в охлажденном состоянии используют температуру 0 – +4°С, это позволяет хранить продукт сравнительно долгое время, но нарушение этого режим в сторону повышения ведет к интенсивному размножению микробов, которые находились там до охлаждения. Как следствием является порча продукта.

Для замораживания продуктов используют температуру –12 – 30°С. При таком температурном режиме микроорганизмы не размножаются, активность их приостанавливается, некоторые неопределенно долгое время могут оставаться жизнеспособными в состоянии анабиоза. При хранении продуктов в условиях низких температур имеют значения такие показатели окружающей среды как относительная влажность воздуха, скорость охлаждения и замораживания, наличие обсеменения психрофильной микрофлорой.

Человечеством для хранения продуктов питания, медикаментов и других веществ используются не только низкие, но и высокие температуры. От воздействия высокой температуры, выходящей за пределы максимумов выносливости, происходит гибель микробов. При температуре до 60–70 °С через 15–30 мин, до 80–100 °С – через несколько секунд или минут отмирают бактерии, которые не образуют споры. Споры бактерий обладают термоустойчивостью могут выдерживать температуру 100 °С в течение 1–6 ч, а споры плесневых грибов менее термоустойчивы.

Например, в пищевой промышленности применяют два способа воздействия высоких температур: стерилизация и пастеризация, при которых происходит частичная или полная гибель вегетативных клеток микроорганизмов.

Пастеризация – процесс при котором на пищевой продукт воздействуют температурой 63–80 °С в течение 20–40 мин. В процессе погибают не все микроорганизмы. Термоустойчивые бактерии и споры грибов не погибают. Поэтому после пастеризации продукты немедленно охлаждают и хранят при температурах не выше 10 °С для задерживания прорастания спор и сохранившихся бактериальных клеток. Пастеризации подвергаются молоко и молочные продукты, пиво, соки, икру, консервы и некоторые другие продукты. Пастеризация может быть также кратковременной и осуществляется в течение нескольких секунд при температуре 90–100 °С.

Стерилизация – проводится перегретым паром под давлением в специальных приборах – автоклавах при температуре 112–120 °С в течение 20–60 мин или в сушильных шкафах (сухим жаром) при 160–180°С в течение 1–2 часа.

Физические факторы. Влажность. Микроорганизмы развиваются в увлажненных субстратах имеющих свободную воду в пределах определенного уровня. Когда влажность субстрата уменьшается активность размножения замедляется, а при удалении из субстрата влаги ниже необходимого для микроорганизмов уровня прекращается их жизнедеятельность. Требовательность к уровню влажности субстрата у микроорганизмов различна. По величине минимальной потребности во влаге микроорганизмы делятся на группы: гидрофитов (влаголюбивые), мезофитов (средневлаголюбивые), ксерофитов (сухолюбивые).

Большинство бактерий являются влаголюбивыми, мицелиальные грибы и дрожжи средневлаголюбивыми, но могут быть и гидрофитами. Для жизнедеятельности микроорганизмов имеет значение не абсолютная влажность, а доступность воды, содержащейся в субстрате, она обозначается термином водная активность или а_w.

Водная активность – это отношение давления водяных паров над субстратом(Р) к давлению паров над чистой водой (Ро) при одной и той же температуре: а_w. = Р/Ро.

Водная активность имеет величины от 0 до 1 и показывает относительную влажность субстрата. Микроорганизмов растут при значениях а_w от 0,99 до 0,65–0,61. Оптимумом для многих является величина от 0,99-0,98, в этих пределах находится водная активность скоропортящихся пищевых продуктов (мяса, рыба, плоды, овощи).

Бактерии развиваются при водной активности субстрата 0,94–0,90. Дрожжи – 0,88–0,85, мицелиальные грибы – 0,8. Некоторые виды бактерий, дрожжей, мицелиальных грибов растут, но медленно при водной активности – 0,75–0,62.

Таким образом, для сохранения продуктов без микробной порчи водная активность продукта должна быть величину менее 0,7.

При недостатке воды некоторые бактерии образуют слизистые капсулы, которые впитывают из окружающей среды воду. Высушивание субстрата не всегда ведет к гибели микробов. Некоторые микробные клетки могут переходит в состояние анабиоза. Бактерии при высушивании могут сохранить жизнеспособность в зависимости от температуры, водородного показателя, концентрации солей. Устойчивы к высушиванию мелкоклеточные формы, кокки также переносят высушивание лучше, чем палочкообразные бактерии, грамположительные бактерии устойчивее грамотрицательных и микоплазм. Легко переносят высушивание микобактерии по причине того, что их массивные клеточные стенки содержат большое количество липидов, препятствующих потере воды. Способность образования спор и цист позволяет также бактериям перенести условия острого дефицита влаги.

Высушивание субстрата используется в технологии производства кормов и продуктов питания. Лиофилизация процесс быстрого замораживания с высушиванием под низким давлением. Это метод используют в изготовлении биопрепаратов и сохранения чистых культур микробов.

Свет. Действие излучения. Немногим микроорганизмам свет нужен для нормального развития, для подавляющего большинства он губителен.  Солнечные лучи обладают сильным антимикробным действием. Например, при облучении солнечным светом в течение трех минут гибнут 99,9% кишечной палочки Escherichia coli. Солнечный свет оказывает летальное повреждение, мутации и фотолиз некоторых видов бактерий.

Ультрафиолетовые лучи и ионизирующее излучение. УФ излучение длиной волн 400–320 нм вызывает у подвижных бактерий нарушение механизмов движения и таксиса даже в небольших дозах. Увеличение экспозиции УФ и длины волн ведет к замедлению роста культур бактериальных клеток, подавляет возбуждение ферментов, нарушает биосинтез белка и вызывает гибель бактерий.

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) ртутно-кварцевых ламп применяется для обеззараживания воздуха помещений в медицине, в животноводстве, в производствах где должны соблюдаться стерильные условия такие как производство лекарственных средств, лабораторные боксы. Также применяется для обеззараживания воды, некоторых продуктов питания, а также отходов производств.

Ионизирующее излучение. Является компонентом естественной радиации, вызываемым нестабильными изотопами постоянно находящихся в почве и атмосферных осадках. Там, где есть залегания радиоактивных минералов бывает повышен естественный радиационный фон. При попадании в организм изотопов, происходит внутреннее облучение. Бактерии могут накапливать некоторые элементы в значительных количествах. Ионизирующее излучение используется для стерилизации биопрепаратов, перевязочного материала, инструментов.

Химические факторы. Известны множество химических веществ, которые оказывают различное действие на микроорганизмы. Есть химические вещества, которые оказывают бактерицидное действие такие вещества называют антисептиками. Их используют в санитарной медицине, на предприятиях пищевой промышленности, общественного питания и других отраслях для борьбы с болезнетворными микробами. Такие антисептики как сорбиновая, и бензойная кислота используются в пищевой индустрии в качестве пищевых добавок в технологии изготовления соков, кремов, салатов и др.

Концентрация растворенных веществ и осмотическое давление. Внутриклеточное осмотическое давление создается концентрацией растворенных веществ в цитоплазме клетки. У микроорганизмов оно колеблется в широких пределах поэтому микроорганизмы могут обитать в пресной воде и соленых водах морей. Высокие концентрации осмотически активных веществ вызывают плазмолиз микробных клеток.

В качестве осмотически активных веществ, для консервирования пищевых продуктов, используют поваренную соль и сахар. Большинство бактерий почти не чувствительно к концентрации поваренной соли (NаСL) в пределах 0,5–2 %, но уже 3 %-ная ее концентрация является неблагоприятным для некоторых микроорганизмов.

Жизнедеятельность гнилостных бактерий, например, подавляется при концентрации поваренной соли 3–4 %, а при 7–10 % они погибают. Шарообразные бактерии более стойки к повышенным концентрациям соли чем палочковидные гнилостные бактерии.

Развитие некоторых возбудителей пищевых отравлений (ботулинуса, сальмонелл) угнетается при 6–10 % концентрации соли, но есть бактерии, которые могут сохранять жизнеспособность даже при 20 %. Микроорганизмы, которые могут развиваться при высоких концентрациях поваренной соли (20 % и выше) называют галофилами (солелюбивыми). Влияние концентрации соли, на развитие микроорганизмов также зависит от таких условий среды как, температура и рН. Развитие дрожжевых клеток в соленых продуктах подавляется в кислой среде если содержании соли составляет 14 %, а в нейтральной 20 %.

Понижении температуры усиливается подавляющее действие соли. При температуре 0 °С и 8 % соли наблюдается угнетение роста мицелиальных грибов, а повышение температуры до 20 °С требует для такого же эффекта уже 12%-ое содержание соли. Действие поваренной соли усиливается в присутствии нитратов и нитритов.

Угнетающее действие соли на рост микроорганизмов вызывается не только повышением осмотического давления. Поваренная соль оказывает токсическое действие на микроорганизмы: угнетаются процессы дыхания, нарушаются функции клеточных мембран и др. Многие микроорганизмы в плазмолизированном состоянии могут длительное время не погибать, у них замедляется лишь активная деятельность, поэтому при переработке сырья необходимо строгое соблюдение санитарно-гигиенических требований.

Порча соленых товаров (мясо, рыба и др.) возникает из-за влияния галофильных и солеустойчивых микроорганизмов. Например, причиной покраснения крепко соленой рыбы называемое «фуксин», является галофильная бактерия, обладающая красным пигментом. Для предотвращения развития микроорганизмов соленые товары хранят в условиях низких температур.

Биологические факторы. Между микроскопическим организмами существуют различные формы взаимоотношений характеризуемое как биотические факторы это: симбиоз – отношения приносящие взаимную выгоду для симбионтов; метабиоз – характеризуется таким типом отношений, когда жизнедеятельность одного вида микробов осуществляется за счет другого без принесения ему вреда; паразитизм – жизнь одного вида возможен за счёт другого с оказанием вредного воздействия; при антагонизме идёт угнетение одного вида другим с гибелью угнетаемого вида. В качестве примера можно привести деятельность молочнокислых бактерий, которые сбраживают молочный сахар в кислоту, а молочная кислота подавляет рост гнилостных бактерий. Антагонистические взаимоотношения микроорганизмов используется человеком при квашении овощей или для поддержания нормальной микрофлоры кишечника. При антагонистической деятельности микроорганизмом выделяется в окружающую среду вещества, обладающие антимикробными, бактериостатическим, бактерицидными и фунгицидными качествами называемые антибиотиками. Антибиотики нашли применение в медицине в качестве лекарственных препаратов, в животноводстве как кормовая добавка, в пищевой промышленности как консерванты пищевых продуктов (низин). Антибиотическими свойствами обладают и фитонциды вещества содержащие многие растения (лук, чеснок, редька, хрен, пряности и др.). Фитонцидными свойствами обладают также эфирные масла, антоцианы и другие вещества, они оказывают губительное воздействие на многие виды патогенных микроорганизмов и на бактерии вызывающие гниение.

 

Задания для самостоятельной работы

 

1. Экологических факторов оказывающие влияние на жизнедеятельность микроорганизмов.
2. Основные температурные точки, оказывающие влияние на развитие микробов.
3. Экологические группы микроорганизмов по отношению к температурному режиму.
4. Процесс пастеризации, виды пастеризации.
5. Определение явления – водная активность субстрата.
6. Экологические группы микроорганизмов по отношению к влаге.
7. Процесс называемый лиофилизация. Область его применения.
8. Действие на микроорганизмы ультрафиолетовых лучей и ионизирующего излучения.
9. Химические факторы, оказывающие влияние на развитие микроорганизмов.
10. Биологические факторы, оказывающие влияние на жизнедеятельность микробов.