Микроорганизмы и окружающая среда

Условия внешней среды имеют в жизни микроорганизмов такое же большое значение, как и в жизни любого живого существа. Влажность, температура, кислотность среды, наличие кислорода и другие факторы влияют на рост микроорганизмов и распространение их в природе.

Влажность среды

Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутствии свободной воды, находящейся в среде главным образом в капельно-жидком виде. Растворенные в такой воде питательные вещества могут поступать в микробную клетку.

Большое влияние на рост микроорганизмов оказывает концентрация растворенных в воде соединений. Если их мало, раствор называется гипотоническим. При оптимальной концентрации этих веществ создаются условия для лучшего роста микроорганизма. Увеличение концентрации вещества приводит к задержке роста организма в связи с повышением осмотического давления в окружающей среде. Раствор с высоким осмотическим давлением называется гипертоническим.

В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление, чем внутри микробной клетки, последние жить не могут. Это объясняется тем, что вода выходит из клетки наружу, клетка обезвоживается и протопласт сжимается. Данное явление носит название плазмолиза. В среде с очень низким осмотическим давлением вода будет поступать внутрь клетки, оболочка которой может лопнуть, такое явление называют плазмоптизом.

Осмотическое давление раствора выражают в единицах осмолярности. Осмолярным называют раствор, содержащий один осмоль вещества в I л растворителя. Способность микроорганизмов развиваться в средах с достаточно широко варьирующей осмолярностью называют осмотолерантностью. Осмотолсрантность организмов обусловлена тем, что внутриклеточная осмолярность их всегда выше, чем осмолярность внешней среды. Микроорганизмы, способные переносить достаточно высокие концентрации растворенных веществ, но лучше растущие при более низком осмотическом давлении раствора, носят название осмотолерантных.

Осмотическое давление клетки у грамположительных бактерий достигает 3″ 10⁶ Па, у грамотрицательных — 4 • 10⁵ — 8 • 10⁵ Па. Следовательно, в растворах с высоким осмотическим давлением — около 9−10⁶ — 9- 10⁷ Па (15—20%-ный NaCl) — создаются условия, в которых невозможен рост бактерий и ряда других организмов.

Высокое осмотическое давление среды не препятствует росту лишь некоторых микроорганизмов, называемых осмофильными, т. е. «любящими» высокое осмотическое давление. Так, многие плесени из родов Aspergillus и Penicillium растут на едва увлажненных субстратах. Осмотическое давление в их клетках достигает 2 • 10⁵ — 2,5 • 10⁵ Па. Даже мед иногда разлагают дрожжи, которые растут при содержании сахара 70—80%. Подобные осмофильные дрожжи развиваются только при высокой концентрации сахара, но нс выносят высокой концентрации солей.

Существуют организмы, способные жить лишь при очень высоких концентрациях солей (NaCl). Это галофильные, т. е. «любящие» высокую концентрацию солей, организмы (от лат. halo — соль). Они представлены двумя основными типами: умеренными галофилами. которые развиваются при содержании соли 1 — 2%, хорошо растут в среде с 10% соли, но выносят даже 20%-ную ее концентрацию (большинство бактерий не переносят концентрации NaCl выше 5%), и экстремально галофильными архебактериями родов Halobacterium и Halococcus, которые требуют содержания 12—15% солей и способны хорошо расти в насыщенном 32%-ном растворе NaCl. Галофилы обнаружены среди различных групп микроорганизмов (прокариот и эукариот).

Действие высоких концентраций солей на микроорганизмы может быть обусловлено как самим растворенным веществом, так и его влиянием на активность воды (a_w). Любое вещество, которое содержится в растворителе, притягивает молекулы растворителя и, следовательно, снижает их подвижность. Активность воды определяют по уравнению.

где Р и Р₀ — соответственно давление пара раствора и растворителя (чистой воды); ОВ — относительная влажность воздуха в системе; я, и п₂ — соответственно число молей растворителя и растворенного вещества.

Величины a_w, лимитирующие рост различных бактерий, колеблются в пределах 0,99—0,50. Большая часть микроорганизмов не растут при активности воды ниже 0,95, а микроорганизмы, растущие при активности воды ниже 0,50, до настоящего времени не известны. При низкой водной активности лучше всего развиваются актиномицеты, мицелиальные грибы и дрожжи. Большинство бактерий требуют достаточно высоких значений (0,99—0,90).

Считают, что не всегда можно заранее сказать, будет ли растворенное вещество оказывать на бактерии специфическое воздействие или влиять на доступность воды. Например, ряд бактерий и дрожжей на средах с сахарами растут при значительно более низких значениях a_w, чем на средах с солями. В то же время минимальное значение a_w, при котором могут развиваться некоторые штаммы болезнетворных бактерий (стафилококк, сальмонеллы и др.), в растворах сахаров и солей одинаково и равно 0,85. Для роста каждого микроорганизма имеется свое оптимальное значение а".

Если водная активность станет ниже оптимума a_w в присутствии того или иного растворенного вещества, то микроорганизм вынужден будет тратить часть доступной энергии на осморегуляцию, обеспечение энергией транспортных систем и синтез низкомолекулярных осмопротекторов (пролина, бетаина, глутаминовой кислоты и др.). При пониженной водной активности организм находится в условиях осмотического стресса, что приводит к уменьшению скорости роста и снижению общего количества образуемой биомассы. Неспособность микроорганизмов расти на средах с высокими концентрациями солей (NaCl) или сахаров успешно используют в пишевой промышленности для консервирования различных продуктов.

Водная активность раствора меняется двумя путями — матричным и осмотическим. Осмотическое изменение водной активности происходит в результате взаимодействия молекул воды с растворенными веществами, матричное определяется адсорбцией молекул воды на поверхностях твердых субстратов.

Установлено, что микроорганизмы проявляют более высокую чувствительность к матричному водному стрессу, чем к осмотическому. В том случае, если бактериальная клетка подвергается осмотическому стрессу, она может использовать какое-то количество растворенных веществ из среды и повысить концентрацию внутри клетки. При матричном стрессе, который наблюдается в среде с низкой концентрацией растворенных веществ, микроорганизмы не способны поглощать осмотически активные вещества. Такие микробы вынуждены либо сами вновь синтезировать растворимые вещества, либо осуществлять деградацию внутриклеточных макромолекул.

Большое внимание уделяют изучению значения воды для микроорганизмов в засушливых условиях и роли воды в жизнедеятельности микроорганизмов в природе.

Обстоятельные исследования влияния недостатка воды (водного стресса) или высушивания на живые организмы выполнены на грибах, бактериях, водорослях и др. Установлено, что большинство микроорганизмов переносят высушивание хорошо. Наиболее устойчивые к обезвоживанию компоненты почвенного микробоценоза — грибы. Способность грибов переносить водный стресс и функционировать при низком водном потенциале^[1] важна для поддержания непрерывности круговорота питательных веществ в природе.

Существует предположение о том, что при недостатке воды бактерии используют метаболическую воду, образующуюся в клетке в результате окисления органического вещества кислородом воздуха. Так, из 1 кг глюкозы организм может получить 600 г воды по уравнению

Устойчивость к обезвоживанию у разных бактерий неодинакова. Например, численность жизнеспособных клеток Pseudomonas, внесенных в воздушно-сухую почву после выдерживания в течение месяца, снижается в 100 раз. В то же время Azotobacter остается жизнеспособным в почве лаже через лесятки лет ее хранения в воздушно-сухом состоянии. Интересны исследования, показавшие, что водный стресс приводит к возрастанию содержания актиномицетов среди других микроорганизмов, обнаруживаемых в почве. Это связано с большей выживаемостью актиномицетов в почве по сравнению с грибами и бактериями. Следовательно, выживаемость микроорганизма в сухой почве существенно возрастает, если он способен формировать те или иные устойчивые формы. Так, вегетативные клетки Pseudomonas довольно чувствительны к водному стрессу, в то время как цисты азотобактера и споры актиномицетов проявляют значительную устойчивость к нему.

В условиях недостатка воды некоторые микроорганизмы обволакиваются гидрофильными слизистыми капсулами, которые активно поглошают влагу. Бактерии, обитающие на корнях пустынных растений, выделяют такие значительные количества гигроскопической слизи, что обеспечивают водой не только самих себя, но и растения.

Снижение водного потенциала обусловливает подавление в почве таких важных процессов, как нитрификация и симбиотическая азотфиксация. Поэтому при оценке влияния засухи на сельскохозяйственные растения не следует недооценивать воздействие водного стресса на почвенные микроорганизмы и осуществляемые ими процессы.

При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются. В целом ряде высушенных пищевых продуктов (рыба, мясо, фрукты и др.) хотя и сохраняется много живых организмов, но развиваться они не могут. При увлажнении высушенных продуктов начинается интенсивное размножение микроорганизмов, что приводит к порче продуктов.

Высушивание микроорганизмов в глубоком вакууме обеспечивает сохранение их жизнеспособности в течение многих лет, так как в таких высушенных клетках биологические процессы резко замедлены. Метод быстрого высушивания в условиях вакуума в средах специального состава широко используют для сохранения производственных и музейных культур. Существует метод получения сухих культур микроорганизмов высушиванием из замороженного состояния (-76 °С) под высоким вакуумом. Этот процесс называют лиофилизацией.

Жизнеспособность бактерий при высушивании определяется многими факторами — температурой, реакцией среды, составом солевого раствора и т. п. Причем бактерии с мелкими клетками устойчивее, чем с крупными; кокки устойчивее палочек; грамположительные бактерии устойчивее к высушиванию, чем грамотрицательные и тем более микоплазмы. Высокой устойчивостью к высушиванию обладают микобактерии, клеточные стенки которых содержат большое количество липидов. Споры не только бактерий, но и других микроорганизмов хорошо переносят высушивание.

Влияние воды на развитие микроорганизмов связано с ее поверхностным натяжением. Последнее служит показателем силового поля поверхности воды. Поверхностное натяжение воды при 20 °C равно 7,3* 10^-2Н/м.

Известно очень мало веществ, способных повышать поверхностное натяжение, но много — обусловливающих его понижение. Это так называемые поверхностно-активные вещества. Они снижают поверхностное натяжение благодаря тому, что не образуют с водой гомогенных растворов, а находятся на ее поверхности в значительно более высокой концентрации, чем в массе воды. Снижение поверхностного натяжения зависит от соотношения концентрации данного вещества на поверхности и в массе воды.

Мыльные растворы или другие вещества, понижающие поверхностное натяжение, например алифатические спирты с длинной цепью или желчные кислоты, токсичны для микроорганизмов. Снижение поверхностного натяжения питательных сред вызывает изменения физиологических процессов в клетке, что проявляется в изменении клеточной проницаемости (разрушение осмотического барьера), а в конечном итоге приводит к остановке размножения и роста микроорганизма.

На средах с низким поверхностным натяжением размножение некоторых видов бактерий приостанавливается, при этом образуются очень крупные деформированные клетки, задерживается или даже полностью прекращается образование спор. Ряд бактерий вообще не растут на средах с низким поверхностным натяжением.

Многие поверхностно-активные вещества добавляют к дезинфицирующим средствам для повышения смачивающей способности последних. Например, смесь мыла (поверхностно-активное вещество), фенола и крезола (обладают бактерицидными свойствами) — весьма эффективное дезинфицирующее средство.

• [1] Водный потенциал — количество термодинамической работы, кото рая должна быть затрачена организмом дзя извлечения воды. Потенциал во ды обычно выражают в барах (I бар = I06 дин *см~2 * * *). Потенциал чистой во ды равен 0. Все растворы по отношению к чистой воде имеют отрицатель ные потенциалы, выражаемые в отрицательных барах.