Влияние факторов окружающей среды на микробы. Влияние физических и химических факторов среды на бактерии Причина гибели микроорганизмов при воздействии ионизирующего излучения

Радиационная микробиология - это отрасль микробиологии, изучающая действие ультрафиолетового и ионизирующего излучений на микроорганизмы. Исследования в области радиационной микробиологии имеют целью: 1) изучение механизмов биологического действия ультрафиолетового и ионизирующих излучений на микроорганизмы; 2) использование радиации как фактора, вызывающего наследственную изменчивость или гибель бактерий.

Микроорганизмы служат широко используемым объектом радиобиологических экспериментов для исследования общих закономерностей действия излучений на клетку. В этой области радиационная микробиология непосредственно смыкается с радиобиологией (см.). Радиационная микробиология решает вместе с тем важные практические задачи, имеющие народнохозяйственное значение, например применение излучений как фактора переделки природы микроорганизмов с целью получения больших выходов биологически ценных веществ (антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот). На стерилизующем эффекте излучений основан метод «холодной» стерилизации (см.), которая часто имеет преимущества перед стерилизацией теплом или антисептиками, а иногда оказывается единственно возможной.

Действие ионизирующей радиации на наследственность было впервые обнаружено в опытах на микроорганизмах. В 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов обнаружили, что под влиянием рентгеновского излучения у микроорганизмов возникают изменения, стойко сохраняющиеся в последующих поколениях (мутации). Это наблюдение положило начало развитию новой отрасли знаний - радиационной генетике (см.). Радиационная микробиология учитывает вскрытые этой наукой закономерности, в частности то, что в определенном диапазоне доз излучения количество мутантных форм увеличивается пропорционально дозе. При помощи ионизирующей радиации естественная частота мутационного процесса может быть увеличена в десятки раз. При этом, конечно, увеличивается выход самых разнообразных наследственно измененных вариантов, затрагивающих различные наследуемые признаки микроорганизмов. Именно поэтому само по себе облучение без последующей селекции не может служить способом получения измененных в желаемом направлении форм микроорганизмов. Облучение лишь обеспечивает появление в микробной популяции большего числа вариантов с наследственными изменениями. Последующая селекция по интересующему признаку позволяет быстрее и с большей вероятностью успеха отобрать необходимый для тех или иных нужд вариант. Так, например, селекция штаммов-продуцентов пенициллина Penicillium chrysogenum с предварительным воздействием рентгеновского и ультрафиолетового излучений позволила американским микробиологам отобрать варианты с продуктивностью, более чем в 100 раз превышающей выработку пенициллина исходным штаммом. Использование мутантов, индуцированных нейтронами, - рентгеновским и ультрафиолетовым излучениями или химическими мутагенами, в 15-30 раз повысило продуктивность штаммов-продуцентов стрептомицина, хлортетрациклина, окситетрациклина. Ведутся работы по радиационной селекции других важных в производственном отношении штаммов микроорганизмов (вакцинных, токсигенных, продуцентов аминокислот и т. п.).

Проблемы радиационной микробиологии, относящиеся к использованию стерилизующего действия радиации, прежде всего связаны с определением доз радиации и условий облучения, обеспечивающих гибель микроорганизмов. Бактерицидное действие рентгеновых лучей было известно уже в конце прошлого столетия. Однако практическое использование ионизирующих излучений для целей стерилизации стало возможным только в последние годы благодаря созданию мощных облучателей, в частности гамма-облучателей, заряженных радиоактивным кобальтом. Современные гамма-облучатели дают возможность обеспечивать огромные дозы радиации в короткое время и в больших объемах облучаемого объекта. Необходимость в создании установок большой мощности для целей стерилизации объясняется относительно высокой радиорезистентностью микроорганизмов. Если для млекопитающих летальные дозы облучения колеблются в пределах 400-1000 рад, то инактивация микробов в зависимости от условий облучения происходит только при использовании доз порядка сотен тысяч или миллионов рад.

Бактерицидное действие ионизирующих излучений зависит от ряда факторов. Высушивание микроорганизмов приводит к повышению радиорезистентности. Аналогичное действие оказывают уменьшение парциального давления кислорода в облучаемом объекте, понижение температуры во время облучения, а также условия, создаваемые после облучения. В случаях облучения микробных культур чувствительность микроорганизмов меняется в зависимости от цикла развития культуры.

Различные микроорганизмы обладают различной радиорезистентностью. Так, например, для достижения стерилизующего эффекта при облучении взвесей неспорообразующих бактерий (Bact. coli, Proteus vulgaris) необходимо облучение в дозах 100 000-500 000 рад. Для инактивации спор спорообразующих микроорганизмов необходимы большие дозы - 1 500 000-2 500 000 рад.- Еще более устойчивы вирусы: стерилизующий эффект наступает только при облучениях в дозах 3 000 000- 5 000 000 рад.

Ближний ультрафиолет (УФ) - излучение с длиной волны 400 - 320 нм - даже в невысоких дозах оказывает на бактерий определенное действие. Так, при освещении ближним УФ подвижных клеток Е. coli или Salmonella typhimurium сначала наблюдается увеличение частоты кувырканий клеток, т.е. репеллентный эффект, затем кувыркания полностью прекращаются и наступает паралич жгутиков, т.е. свет нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофором является флавопротеин.

В сублетальных дозах ближний УФ вызывает замедление роста культур, главным образом за счет удлинения лаг-фазы. Скорость деления клеток также несколько снижается, подавляется способность бактерий поддерживать развитие фага и угнетается индукция ферментов. Эти эффекты определяются в основном поглощением УФ-лучей 4-тиоуридином - необычным основанием, присутствующим в 8-й позиции у многих тРНК прокариот (но не у эукариот). Наибольший эффект оказывает свет длиной волны около 340 нм. Возбужденный светом 4-гиоуредин образует сшивки с цитозином, находящимся в 13-м положении в тРНК, что препятствует связыванию тРНК с аминокислотами и приводит к увеличению образования гуанозинтрифосфата на рибосомах и к приостановке синтеза РНК и белка соответственно. У Bacillus subtillis обнаружена и другая чувствительная к ближнему УФ-система, у которой воспринимающим свет хромофором является менахинон.

При относительно высоких дозах облучения ближним УФ наблюдаются мутагенные и летальные эффекты. Нарушение ДНК вызывают не столько сами УФ-лучи, сколько различные другие возбужденные светом молекулы. И в этих эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4- тиоуредином. Мутагенное и летальное действие ближнего УФ в значительной степени зависит от присутствия кислорода.

Летальный эффект при облучении ближним УФ может быть связан с повреждением не только ДНК, но и мембран, в частности их транспортных систем. Чувствительность к ближнему УФ бактерии может сильно зависеть от стадии роста культуры, что не наблюдается при действии дальнего УФ.

Эффект действия ближнего УФ может быть опосредован фотосенсибилизатором. Так, в присутствии акридина у E.coli ближний УФ вызывает нарушение как ДНК, так и внешней цитоплазматической мембран, в результате чего клетки становятся чувствительными к лизоциму, детергентам, осмотическому шоку.

Ближний УФ может при невысоких дозах облучения вызывать фотопроекцию, т.е. снижать биологический эффект последующего облучения дальним УФ. Представление о механизме этого эффекта противоречивы. При относительно высоких дозах облучения ближним УФ может наблюдаться и противоположный эффект, т.е. усиление действия последующего облучения дальним УФ.

Средний УФ - это излучение с длиной волны 320 - 290 нм, и дальний УФ - с длиной волны 290 - 200 нм. Биологические эффекты действия среднего и дальнего УФ сходны. Как уже упоминалось, при облучении солнечным светом гибель бактерий связана в основном с действием УФ. Нижний предел длины волны света, попадающего на земную поверхность, составляет около 290 нм, в исследованиях же используют источники света с меньшей длиной волны. Считают, что резистентность организма к солнечной радиации, как правило, соответствует его устойчивости к неионизирующему излучению от искусственных источников.

ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240 - 300 нм, т.е. в области среднего и дальнего УФ, с пиком поглощения в области 254 нм. Этим объясняется высокая мутагенная и летальная эффективность облучения средним и дальним УФ. Образование пиримидиновых димеров в ДНК является основным механизмом, обусловливающим летальный и мутагенный эффекты. В состав димеров могут входить 2 соседних тиминовых или цитозиновых остатка либо 1 тиминовый и 1 цитозиновый остатки. Под влиянием УФ-облучения происходит также гидроксилирование цитозина и урацила, образование цитозин-тиминовых аддуктов, сшивок ДНК с белком, формирование поперечных сшивок ДНК, разрывы цепей и денатурация ДНК. Такие повреждения возрастают при повышении интенсивности облучения.

Ионизирующее излучение составляет определенный компонент естественной радиации, определяемый нестабильными изотопами, постоянно находящимися в почве и атмосферных осадках. В областях залегания радиоактивных минералов естественный фон радиации повышен. Изотопы могут попадать в живые организмы и тогда они подвергаются внутреннему облучению. Бактерии иногда способны накапливать некоторые элементы в очень больших количествах.

Ионизирующее излучение возникает также под влиянием космических лучей. Космическое пространство служит источником первичных космических лучей, которые дают начало вторичным, воздействующим на живые организмы. Интенсивность такого излучения зависит от географической широты, особенно от высоты над уровнем моря, и приблизительно удваивается каждые 1500 м. В период солнечных вспышек фон космической радиации повышен. Искусственное ионизирующее излучение возникает в результате испытаний ядерного оружия, работы АЭС, применения радиоизотопов в медицинских, научных и других целях. Наличие таких источников - причина того, что микроорганизмы в наши дни подвергаются высоким дозам облучения.

Ионизирующие излучения также вызывают повреждения ДНК, которые принято подразделять на прямые и опосредованные, возникающие в связи с образованием свободных радикалов. Повреждения преимущественно представляют собой одноцепочечные или двухцепочечные разрывы молекулы ДНК.

Радиорезистентность различных бактерий варьирует в очень широких пределах и контролируется многими генами. Сравнительно легко могут быть получены мутанты, более радиорезистентные или радиочувствительные. Радиорезистентность зависит прежде всего от работы различных систем репарации и регуляции. При этом степени устойчивости организма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям, могут не совпадать. Различные репарационные системы бактерий будут рассмотрены ниже.

Установлена связь радиоустойчивости бактерий с особенностями ее местообитания. Так, микроорганизмы, выделенные из радоновых минеральных источников, оказываются в 3 - 10 раз более резистентными к радиации, чем организмы тех же видов, выделенные из нерадиоактивной воды. В охладительных системах ядерных реакторов, где средняя доза излучения превышает 10 6 ФЭР (физический эквивалент рентгена), обитают разные бактерии, в частности представители рода Pseudomonas. Однако в основном трудно найти разумное объяснение адаптационного значения высокой радиоустойчивости некоторых бактерий. Особенно высока радиоустойчивость некоторых кокков, выделенных из облученных продуктов. В данном случае очевидно, что облучение могло служить фактором отбора, но не фактором, вызвавшим адаптацию. Так, доза УФ, необходимая для инактивации 90% клеток УФ-резистентного штамма Е. coli, составляет около 1000 эрг/мм “ 2 , в то время как для достижения такого же эффекта у Deinococcus radiodurans требуется доза в 10000 - 15000 эрг/мм" 2 или 5 х 10 5 рад в случае радиоактивного облучения. Еще большей устойчивостью к УФ- и у-излучению обладает кокк Deinococcus radiophilus. Как уже упоминалось, уровень радиорезистентности определяется главным образом степенью развитости репарационных систем. Deinococcus radiodurans, видимо, способен репарировать даже двухнитевые разрывы ДНК, летальные для большинства микроорганизмов.

Степень радиоустойчивости некоторых бактерий значительно превышает предельный уровень радиации, с которым организмы могут сталкиваться в природе. Наиболее вероятным объяснением этого несоответствия может быть предположение о том, что радиоустойчивость - лишь одно из многообразных проявлений действия систем широкого назначения. Правильнее было бы говорить о степени устойчивости бактерий к определенным нарушениям в структуре их клеток, чем об устойчивости к воздействию определенных факторов среды, поскольку одинаковые нарушения могут быть вызваны разными причинами. Это относится прежде всего к системам репарации повреждений ДНК.

Биологи называют бактерии эволюционным рецептом успеха - настолько они устойчивы к любым условиям внешней среды. Некоторые из них прекрасно себя чувствуют даже при смертельных дозах радиации.

Микробиолог Джон Батиста из Университета Луизианы повидал немало. Однако о своей первой встрече с микробом, в шутку прозванным «Конан-супербактерия», он сказал: «Честное слово, мне было нелегко поверить в реальность существования подобного организма».

В начале 1960-х годов Томас Брок обнаружил в Йеллоустонском национальном парке бактерии, выдерживавшие температуры, близкие к точке кипения. После этого микробиологи стали находить всё новые виды микробов экстремалов. Однако Конан превзошел всех: самый устойчивый микроорганизм, он выдерживает трескучий мороз, испепеляющую жару, кислотные ванны и яды. Но поразительней всего была его реакция на высокие дозы радиоактивного облучения. Даже 1500-кратное превышение дозы, смертельной для прочих организмов, не приносило бактерии никакого вреда.

Впервые Конан был обнаружен в 1950-х годах в испорченных мясных консервах, предназначавшихся для армии. Для защиты от заражения бактериями консервы в США обычно стерилизуют с помощью радиоактивного излучения. Тем сильнее удивились ученые, когда увидели в банках розовую плесень с запахом гнилой капусты, явно бактериального происхождения. Они были озадачены. Ведь обычно радиация вызывает в живых организмах глубокие повреждения генетического материала. Если количество таких повреждений превысит некий критический уровень, микроорганизм погибает. Но для Конана закон не писан. Какие же механизмы спасают невзрачную кроху от смерти в любой ситуации?

Поставленные в тупик микробиологи занялись разгадкой тайны Конана. Они исследовали его генетический материал до и после воздействия радиации и проанализировали обменные процессы. К их удивлению, результаты свидетельствовали, что Конан тоже сильно страдает от радиации, но при этом умеет преодолевать ее гибельные последствия.

Если некоторые яды или ионизирующее излучение наносят сравнительно незначительный вред лишь одной из двух нитей ДНК организма, то радиоактивное излучение вызывает повреждение обеих нитей ДНК, а их восстановление часто бывает непосильным для организма. Так, для гибели живущей в кишечнике человека кишечной палочки достаточно двух-трех таких повреждений ДНК.

Конан же, напротив, быстро восстанавливал две сотни подобных «поломок». Дело в том, что в процессе эволюции у него выработались эффективные механизмы восстановления генных повреждений - в том числе появился особый фермент, который отыскивает подходящие «запчасти» в наследственном материале, копирует их и вставляет в поврежденные участки.

Восстановлению ДНК у Конана способствует еще одно обстоятельство: геном Конана состоит из четырех кольцевых молекул ДНК, причем в каждой клетке геном присутствует не в одной, как у большинства бактерий, а в нескольких копиях. Именно благодаря этим копиям и происходит восстановление поврежденных участков. Поскольку клетка наиболее уязвима для радиации в момент деления, когда кольцевая молекула ДНК должна разомкнуться, Конан выработал еще один способ защиты: три молекулы бактерия оставляет свернутыми в кольцо, а четвертую использует для нужд воспроизведения. Если под воздействием радиации эта хромосома получает повреждения, запасные хромосомы служат матрицами, с которых организм копирует правильные последовательности генов.

В 2007 г. микробиолог Майкл Дж. Дейли обнаружил еще одну причину гиперстойкости Конана: эта бактерия отличается невероятно высокой внутриклеточной концентрацией марганца -элемента, который также способствует восстановлению повреждений ДНК.

И все же, несмотря на сделанные открытия, загадка сверхустойчивости Конана к радиации до конца еще не разгадана. Исследования идут полным ходом: ученые надеются эффективно использовать Конана для очистки почв, загрязненных радиацией.

Солнечное излучение, проходящее через верхние слои атмосферы и достигающее поверхности Земли состоит из электромагнитных волн с длиной 300-10.000 нм.

75 % падающего на Землю света - это видимая часть спектра – охватывает диапазон 390-760 нм . Эта часть воспринимается человеческим взглядом.

20 % - инфракрасное излучение (ближнее) с λ волн от 790 нм и далее (790-1100).

5 % - УФ с λ волн 300-380 нм.

Озоновый слой поглощает волны с длиной 220-300 нм .

Влияние видимого света на микроорганизмы

Видимый свет используется фотосинтезирующими микроорганизмами. Спектральный состав ФАР различен для разных групп микроорганизмов и зависит от набора пигментов. Оксигенный фотосинтез (цианобактерии, прохлорофиты) возможен в диапазоне от 300 до 750 нм. У этих бактерий хлорофилл а и b , с максимумом поглощения 680-685 и 650-660 нм, соответственно. У цианобактерий фикобилипротеиды (красные и синие пигменты) поглощают свет с длиной 450-700 нм.

Аноксигенный фотосинтез (пурпурные, зеленые бактерии) – в диапазоне от 300 до 1100 нм. Бактериохлорофилл b поглощает свет с длиной волны 1020-1040 вплоть до 1100 нм.

У всех фотосинтезирующих прокариот дополнительные светособирающие пигменты – каротиноиды, поглощающие свет в синей и сине-зеленой части спектра (450-550 нм).

Фототрофные бактерии обитают в анаэробной зоне водоемов, где есть H 2 S. На глубину 10-30 м инфракрасное излучение не проникает, максимум энергии приходится на свет λ волн 450-500 нм.

Видимый свет влияет на поведение фототрофных бактерий. Наблюдается явление фототаксиса . Ф. – это реакция бактерий на изменение спектрального состава света или освещенности. У эубактерий фоторецепторами служат бактериохлорофиллы и каротиноиды. У архей обнаружены специальные сенсорные пигменты (у галобактерий сенсорные родопсины). Положительный фототаксис – движение бактерий к свету, отрицательный – движение клеток в сторону уменьшения освещенности.

Для некоторых бактерий, не использующих энергию света, он служит в качестве регулятора определенных процессов обмена. Так, у водной бактерии P. putida наблюдали активацию светом некоторых ферментов, что можно рассматривать как адаптацию, поскольку именно при освещении начинается синтез фитопланктона, продукты, которого используются этой гетеротрофной бактерией.

Для некоторых нефотосинтезирующих бактерий характерна фотохромность. Фотохромность – это зависимость образования пигментов от освещения. Характерна для миксобактерий, многих актиномицетов и близких им микроорганизмам. Например, синтез каротиноидов некоторыми микобактериями стимулируется синим цветом. Фотохромность может контролироваться как хромосомными, так и плазмидными генами. Пигменты способны защищать эти микроорганизмы от действия видимого цвета.

Солнечный свет обладает сильным антимикробным действием. Действие видимого света ответственно менее, чем за 1 % летальный повреждений (80 % летальных повреждений связано с действием света длиной волны менее 312 нм). Видимый свет длиной волны 450 нм индуцирует замены пар оснований и мутации сдвига рамки у E. coli . Световые волны длиной 550 нм, и особенно 410 нм вызывают фотолизис Myxococcus xanthus . Эффект определяется поглощением света железопорфиринами.

Существуют вещества фотосенсибилизаторы, в молекуле которых имеется хромофор, поглощающий свет и передающий его энергию другим молекулам, не способным поглощать свет. Через бесцветные клетки свет проходит без последствий. Но если ввести в такую клетку фотосенсибилизатор, она повреждается. Природные фотосенсибилизаторы – хлорофилл, фикобилины, порфирины и др.

Влияние инфракрасного излучения на микроорганизмы

Для излучения с длиной волны более 1100 нм к настоящему времени не зарегистрировано каких-либо биологических эффектов. Основное действие инфракрасного излучения – нагревание.

Влияние ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы

Для микроорганизмов наиболее опасно УФ-излучение. Различают ближний, средний и дальний УФ.

Ближний УФ – это излучение с длиной волны 400-320 нм .

Средний УФ – λ=320-290 нм .

Дальний УФ – λ=290-200 нм .

Ближний УФ в небольших дозах нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофором является флавопротеин.

В сублетальных дозах вызывает замедление роста, скорость деления клеток, угнетается индукция ферментов, способность бактерий поддерживать развитие фага.

Эти эффекты определяются тем, что у бактерий в т-РНК в 8-й позиции присутствует необычное основание 4-тиоуридин (отсутствует у эукариот). Это основание интенсивно поглощает УФ, наибольший эффект оказывает свет с длиной волны 340 нм. Возбужденный светом 4-тиоуридин связывается с цитозином, находящемся в 13-м положении в т-РНК, что препятствует связыванию т-РНК с аминокислотами, и, следовательно, ведет к приостановке синтеза белка.

При относительно высоких дозах ближнего УФ – мутагенный и летальный эффекты. Нарушения ДНК при этом не столько сами УФ-лучи, сколько другие возбужденные светом молекулы. Также в этих эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4-тиоуридином. Мутагенное и летальное действие зависит от присутствия кислорода.

Летальный эффект связан не только с повреждениями ДНК, но и мембран (их транспортных систем).

Биологические эффекты среднего и дальнего УФ сходны. ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240-300 нм., т.е. в области среднего и дальнего УФ с пиком поглощения в области 254 нм В лаб. УФ-лампах преобладает излучение в области 260 нм (нижний предел длины волны света, падающего на земную поверхность, около 290 нм).

Средний и дальний УФ вызывает мутагенный и летальный эффекты. Основной механизм повреждающего действия – образования пиримидиновых димеров . В состав димеров могут входить два соседних тиминовых (Т-Т) или цитозиновых (С-С) или тиминовый и цитозиновый (Т-С). Образование димеров происходит за счет ковалентных взаимодействий между основаниями ДНК. Кроме этого, происходит разрыв водородных связей в ДНК. Это (и 1, и 2) ведет к появлению нежизнеспособных мутантов. Также под действием УФ происходит гидроксилирование цитозина и урацила, образование сшивок ДНК с белком, формирование поперечных сшивок ДНК, денатурация ДНК.

В связи с повреждающим и летальным действием УФ-лучи, несмотря на то, что это наиболее богатые энергией лучи, в процессе фотосинтеза не используются. Нижний предел фотосинтеза – это использование волн с длиной 450 нм.

Влияние ионизирующего излучения на микроорганизмы

Ионизирующее излучение – это излучение с очень высокой энергией, способно выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием положительных и отрицательных ионов. Полагают, что ионизация – основная причина радиационного повреждения цитоплазмы, и степень повреждения пропорциональна числу пар ионов.

Свет и большая часть солнечного излучения не обладают такой способностью.

Источником ионизирующего излучения служат радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах. Также поступает из космоса. В период солнечных вспышек повышается радиационный фон.

Искусственное ионизирующее излучение возникает в результате испытаний ядерного оружия, работы АЭС, применения радиоизотопов в медицине, науке и т.д.

Важное экологическое значение имеют следующие виды ионизирующего излучения :

1. α-излучение – корпускулярное излучение – это ядра атомов гелия. Длина пробега в воздухе несколько см. Их останавливает лист бумаги или роговой слой кожи человека. Однако, будучи остановленными вызывают сильную локальную ионизацию.

2. β-излучение - корпускулярное излучение – это быстрые электроны. Длина пробега в воздухе несколько метров, а в ткани несколько см.

α-излучение и β-излучение обладают наибольшим эффектом, будучи поглощены живой тканью.

3. γ-излучение – ионизирующее электромагнитное излучение. Обладает высокой проникающей способностью. Легко проникает в живые ткани. Может оказывать действие, когда источник излучения находится вне организма.

4. Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение, очень близко к γ-излучению.

К ионизирующему излучению наиболее устойчивы микроорганизмы (более 10 6 Рад). 1 Рад – это такая доза излучения, при которой на 1 г ткани приходится 100 эрг энергии. 1 Рентген=1 Рад. Млекопитающие чувствительны к дозе 100 Рад.

Механизм повреждающего действия

Основная мишень для ионизирующего излучения – ДНК. Повреждения ДНК бывают прямыми и опосредованными. Прямые – это одноцепочечные или двухцепочечные разрывы ДНК. Бывают редко.

Более часты опосредованные повреждения. Возникают в связи с образованием свободных радикалов, которые вызывают одно- и двухцепочечные разрывы (модифицируют пиримидиновые основания), что ведет к денатурации ДНК. Кроме того, возникающие свободные радикалы вызывают денатурацию белка. Все это приводит к гибели микроорганизмов, в т.ч. вирусов.

Механизмы радиоустойчивости

1. Основным механизмом радиорезистентности (как к УФ, так и ионизирующему облучению) является хорошо отлаженная система репарации ДНК.

2. Пигменты (каротиноиды) обладают радиопротекторными свойствами, но обеспечивают эффективную защиту от действия УФ.

3. Наличие в клетках веществ-радиопротекторов (например, серусодержащие аминокислоты у D. radiophilus ), защищает клетку от излучения, но этот механизм недостаточен.

4. Клеточная стенка может играть роль в системах репарации ДНК. У D. radiophilus под действием радиации высвобождается фермент экзонуклеаза, участвующий в репарации ДНК.

5. Увеличенное содержание ДНК.

Радиорезистентность микроорганизмов варьирует в широких пределах. Степень устойчивости организма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям могут не совпадать.

Одним из наиболее резистентных к УФ-излучению считается морской жгутиконосец Bodo marina . Устойчивость может быть связана с особенностями места обитания. Так, микроорганизмы, выделенные из родоновых источников, оказываются в 3-10 раз более резистентными к радиации, чем их сородичи из обычных мест обитания.

В охладительных системах ядерных реакторах, где доза излучения превышает 10 6 ФЭР (физический эквивалент рентгена) обитают разные бактерии, в т.ч. рода Рseudomonas .

Одна из наиболее устойчивых бактерий как к УФ, так и γ-излучению относится к дейнококкам (р. Deinococcus ) – D. radiophilus . Эта бактерия, видимо, способна репарировать даже двухнитевые разрывы ДНК, летальные для большинства микроорганизмов.

Температура – один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность размножения микроорганизмов.

Микроорганизмы могут расти и проявлять свою жизнедеятельность в определенном температурном диапазоне и в зависимости от отношения к температуре делятся на психрофилы, мезофилы и термофилы. Температурные диапазоны роста и развития микроорганизмов этих групп приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1 Деление микроорганизмов на группы в зависимости

от отношения к температуре

микроорганизмов		Т(°С) максим.		Отдельные представители
1. Психрофилы (холодолюбивые)				Бактерии, обитающие в холодильниках, морские бактерии
2. Мезофилы				Большинство грибов, дрожжей, бактерий
3. Термофилы (теплолюбвые)				Бактерии, обитающие в горячих источниках. Большинство образуют устойчивые споры

Разделение микроорганизмов на 3 группы весьма условно, так как микроорганизмы могут приспосабливаться к несвойственной им температуре.

Температурные пределы роста определяются терморезистентностью ферментов и клеточных структур, содержащих белки.

Среди мезофилов встречаются формы с высоким температурным максимумом и низким минимумом. Такие микроорганизмы называют термотолерантными.

Действие высоких температур на микроорганизмы. Повышение температуры выше максимальной может привести к гибели клеток. Гибель микроорганизмов наступает не мгновенно, а во времени. При незначительном повышении температуры выше максимальной микроорганизмы могут испытывать «тепловой шок» и после недлительного пребывания в таком состоянии они могут реактивироваться.

Механизм губительного действия высоких температур связан с денатурацией клеточных белков. На температуру денатурации белков влияет содержание в них воды (чем меньше воды в белке, тем выше температура денатурации). Молодые вегетативные клетки, богатые свободной водой, погибают при нагревании быстрее, чем старые, обезвоженные.

Термоустойчивость – способность микроорганизмов выдерживать длительное нагревание при температурах, превышающих температурный максимум их развития.

Гибель микроорганизмов наступает при разных значениях температур и зависит от вида микроорганизма. Так, при нагревании во влажной среде в течение 15 мин при температуре 50–60 °С погибает большинство грибов и дрожжей; при 60–70 °С – вегетативные клетки большинства бактерий, споры грибов и дрожжей уничтожаются при 65–80° С. Наибольшей термоустойчивостью обладают вегетативные клетки термофилов (90–100 °С) и споры бактерий (120 °С).

Высокая термоустойчивость термофилов связана с тем, что, во первых, белки и ферменты их клеток более устойчивы к температуре, во вторых, в них содержится меньше влаги. Кроме того, скорость синтеза различных клеточных структур у термофилов выше скорости их разрушения.

Термоустойчивость спор бактерий связана с малым содержанием в них свободной влаги, многослойнойоболочкой, в состав которой входит кальциевая сольдипиколиновой кислоты.

На губительном действии высоких температур основаны различные методы уничтожения микроорганизмов в пищевых продуктах. Это кипячение, варка, бланширование, обжарка, а также стерилизация и пастеризация. Пастеризация – процесс нагревания до 100˚С при котором происходит уничтожение вегетативных клеток микроорганизмов. Стерилизация – полное уничтожение вегетативных клеток и спор микроорганизмов. Процесс стерилизации ведут при температуре выше 100 °С.

Влияние низких температур на микроорганизмы. К низким температурам микроорганизмы более устойчивы, чем к высоким. Несмотря на то, что размножение и биохимическая активность микроорганизмов при температуре ниже минимальной прекращаются, гибели клеток не происходит, т.к. микроорганизмы переходят в состояние анабиоза (скрытой жизни) и остаются жизнеспособными длительное время. При повышении температуры клетки начинают интенсивно размножаться.

Причинами гибели микроорганизмов при действии низких температур являются:

Нарушение обмена веществ;

Повышение осмотического давления среды вследствие вымораживания воды;

В клетках могут образоваться кристаллики льда, разрушающие клеточную стенку.

Низкая температура используется при хранении продуктов в охлажденном состоянии (при температуре от 10 до –2 °С) или в замороженном виде (от –12 до –30 °С).

Лучистая энергия. В природе микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию солнечной радиации. Свет необходим для жизнедеятельности фототрофов. Хемотрофы могут расти и в темноте, а при длительном воздействии солнечной радиации эти микроорганизмы могут погибнуть.

Воздействие лучистой энергии подчиняется законам фотохимии: изменения в клетках могут быть вызваны только поглощенными лучами. Следовательно, для эффективности облучения имеет значение проникающая способность лучей, которая зависит от длины волны и дозы.

Доза облучения, в свою очередь, определяется интенсивностью и временем воздействия. Кроме того, эффект воздействия лучистой энергии зависит от вида микроорганизма, характера облучаемого субстрата, степени обсемененности его микроорганизмами, а также от температуры.

Низкие интенсивности видимого света (350–750 нм) и ультрафиолетовых лучей (150–300 нм), а также низкие дозы ионизирующих излучений либо не влияют на жизнедеятельность микроорганизмов, либо приводят к ускорению их роста и стимуляции метаболических процессов, что связано с поглощением квантов света определенными компонентами или веществами клеток и переходом их в электронно-возбужденное состояние.

Более высокие дозы излучений вызывают торможение отдельных процессов обмена, а действие ультрафиолетовых и рентгеновских лучей может привести к изменению наследственных свойств микроорганизмов - мутациям, что широко используется для получения высокопродуктивных штаммов.

Гибель микроорганизмов под действием ультрафиолетовых лучей связана:

С инактивацией клеточных ферментов;

С разрушением нуклеиновых кислот;

С образованием в облучаемой среде перекиси водорода, озона и т.д.

Следует отметить, что наиболее устойчивыми к действию ультрафиолетовых лучей являются споры бактерий, затем споры грибов и дрожжей, далее окрашенные (пигментированные)клетки бактерий.Наименее устойчивы вегетативные клетки бактерий.

Гибель микроорганизмов под действием ионизирующих излучений вызвана:

Радиолизом воды в клетках и субстрате. При этом образуются свободные радикалы, атомарный водород, перекиси, которые, вступая во взаимодействие с другими веществами клетки, вызывают большое количество реакций, не свойственных нормально живущей клетке;

Инактивацией ферментов, разрушением мембранных структур, ядерного аппарата.

Радиоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах, причем микроорганизмы значительно радиоустойчивей высших организмов (в сотни и тысячи раз). Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений споры бактерий, затем грибы и дрожжи и далее бактерии.

Губительное действие ультрафиолетовых и рентгеновских γ-лучей используется на практике.

Ультрафиолетовыми лучами дезинфицируют воздух холодильных камер, лечебных и производственных помещений, используют бактерицидные свойства ультрафиолетовых лучей для дезинфекции воды.

Обработка пищевых продуктов низкими дозами гамма-излуче-ний называется радуризацией.

Электромагнитные колебания и ультразвук. Радиоволны - это электромагнитные волны, характеризующиеся относительно большой длиной (от миллиметров до километров) и частотами от 3·10 4 до 3·10 11 герц.

Прохождение коротких и ультрарадиоволн через среду вызывает возникновение в ней переменных токов высокой (ВЧ) и сверхвысокой частоты (СВЧ). В электромагнитном поле электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Гибель микроорганизмов в электромагнитном поле высокой интенсивности наступает в результате теплового эффекта, но полностью механизм действия СВЧ-энергии на микроорганизмы не раскрыт.

В последние годы сверхвысокочастотная электромагнитная обработка пищевых продуктов все более широко применяется в пищевой промышленности (для варки, сушки, выпечки, разогревания, размораживания, пастеризации и стерилизации пищевых продуктов). По сравнению с традиционным способом тепловой обработки время нагревания СВЧ-энергией до одной и той же температуры сокращается во много раз, в связи с чем полнее сохраняются вкусовые и питательные свойства продукта.

Ультразвук. Ультразвуком называют механические колебания с частотами более 20 000 колебаний в секунду (20 кГц).

Природа губительного действия ультразвука на микроорганизмы связана:

С кавитационным эффектом. При распространении в жидкости УЗ-волн происходит быстро чередующееся разряжение и сжатие частиц жидкости. При разряжении в среде образуются мельчайшие полые пространства – «пузырьки», заполняющиеся парами окружающей среды и газами. При сжатии, в момент захлопывания кавитационных «пузырьков», возникает мощная гидравлическая ударная волна, вызывающая разрушительное действие;

с электрохимическим действием УЗ-энергии. В водной среде происходит ионизация молекул воды и активация растворенного в ней кислорода. При этом образуются вещества, обладающие большой реакционной способностью, которые обуславливают ряд химических процессов, неблагоприятно действующих на живые организмы.

Благодаря специфическим свойствам ультразвук все более широко применяют вразличныхобластях техники и технологии многихотраслей народного хозяйства. Ведутся исследования по применению УЗ-энергии для стерилизации питьевой воды, пищевых продуктов (молока, фруктовых соков, вин), мойки и стерилизации стеклянной тары.