WPŁYW CZYNNIKÓW CHEMICZNYCH I FIZYCZNYCH NA DROBNOUSTROJE
Drobnoustroje, mikroorganizmy, sztuczna grupa nie mająca formalnego charakteru systematycznego, obejmująca drobne, zwykle jednokomórkowe organizmy widoczne pod mikroskopem. Należą do nich bakterie, pierwotniaki, wirusy, liczne glony, niektóre grzyby. Wiele drobnoustrojów pasożytuje w innych organizmach, w tym u człowieka, wywołując choroby zakaźne. Drobnoustroje chorobotwórcze nazywamy zarazkami. Liczne drobnoustroje są niezbędnymi symbiontami organizmów wyższych (np. mikroflora jelitowa i symbiotyczne orzęski pomagają zwierzętom trawić błonnik roślinny). Drobnoustroje są też zasadniczą grupą reducentów w ekosystemach.
Obecnie mikroorganizmy dzieli się na prokariotyczne bakterie (Eubacteria), cyjanobakterie (sinice, Cyanobacteria) i archebakterie (Archaea), oraz eukariotyczne protisty (Protista lub Protoctista), obejmujące dawne pierwotniaki i jednokomórkowe rośliny, niekiedy także najprostsze grzyby. Na pograniczu świata ożywionego umieszcza się Microtatobiotes podzielone na 2 rzędy: riketsje (Rickettsiales) i wirusy (Virales). Nie są zdolne do samodzielnego prowadzenia procesów przemiany materii i wskutek tego mogą się rozmnażać tylko w ścisłym związku z komórkami ustrojów wyższych, wykorzystując ich metabolizm. Są więc ścisłymi pasożytami.
W odpowiednich warunkach mikroorganizmy rozwijają się bardzo dobrze , w niekorzystnych ich rozwój może być zahamowany lub mogą zginąć. Do czynników decydujących o ich rozwoju zalicza się:- obecność lub brak wody - temperaturę- promieniowanie- odczyn środowiska (PH) - ciśnienie
WODA
Bakterie często dobrze znoszą wysuszenie. Usunięcie wody, jako niezbędnego składnika komórki, wstrzymuje metabolizm. W istocie jednak w normalnej temperaturze usunięcie wody nigdy nie jest zupełne. Zachowana zostaje woda związana i hydratacyjna, a zwykle również pewne niewielkie ilości wody wolnej. W rezultacie i zahamowanie metabolizmu nie jest zupełne. Z czasem dochodzi więc do rozregulowania funkcji i rozpadu pewnych struktur oraz śmierci bakterii. Niektóre bakterie, np. krętki, zarazki rzeżączki, pałeczki grypowe i wiele innych form pasożytniczych, są tak wrażliwe, że wysuszenie zwykle je zabija. Większą zdolność przeżywania wykazują nawet i takie wrażliwe bakterie, jeśli wysuszyć je w stanie zamrożenia.
TEMPERATURA
Od temperatury zależna jest szybkość reakcji chemicznych (a więc metabolizmu), a jednocześnie stan fizykochemiczny wielkocząsteczek białkowych i nukleinowych (a więc struktura). Szybkość większości reakcji chemicznych wzrasta dwa do trzech razy przy podniesieniu temperatury o 10°C, oczywiście przy obniżeniu temperatury o 10°C odpowiednio spada dwa do trzech razy. Reakcje zachodzące w organizmie żywym są prawie wyłącznie reakcjami katalizowanymi przez białkowe enzymy, a przebiegającymi w środowisku wody i często przy jej udziale, dlatego też obniżenie temperatury do około 0°C, zmieniając strukturę wody, dodatkowo zwalnia i utrudnia reakcje. Dalszy spadek ciepłoty poniżej 0°, uniemożliwia większość reakcji metabolicznych. Podobnie, podwyższanie temperatury powyżej granicy, przy której naruszana jest struktura białek enzymatycznych (np. ich częściowa lub nieodwracalna denaturacja), nie tylko nie przynosi przyspieszenia reakcji metabolicznych, ale odwrotnie — ich zahamowanie.
Działalność życiowa organizmów, a więc i bakterii, zachodzić zatem może w pewnych określonych granicach, nieco różnych dla różnych gatunków. Zależność szybkości większości procesów biologicznych od wysokości temperatury można scharakteryzować trzema głównymi punktami (ryc. 1). Odpowiadające tym punktom temperatury zostały określone jako minimalne, optymalne i maksymalne. Poniżej temperatury minimalnej wzrost bakterii ulega zupełnemu zahamowaniu. Znacznemu zwolnieniu lub zupełnemu zahamowaniu ulegają inne procesy metaboliczne. Przy temperaturze optymalnej drobnoustroje rozmnażają się najszybciej. Należy pamiętać, że temperatura optymalna dla wzrostu
bakterii często nie pokrywa się z optymalną ciepłotą przebiegu różnych procesów metabolicznych, np. fermentacji, proteolizy lub wytwarzania toksyn. Również temperatura optymalna dla wytwarzania pigmentu, rzęsek czy endospor u wielu gatunków bakterii nie jest identyczna z optymalną temperaturą rozmnażania. Powyżej temperatury maksymalnej bakterie przestają rosnąć i rozmnażać się. Zahamowaniu lub znacznemu zwolnieniu ulega aktywność enzymów. Te trzy temperatury są uzależnione w znacznej mierze od innych warunków środowiskowych, a przede wszystkim od samych bakterii, które różnią się wrażliwością na zmiany w ciepłocie.
Ryc. 1. Temperatury kardynalne bakterii psychro, mezo- i termofilnych.
Ma — temperatura maksymalna, powyżej której bakterie nie rosną i zamierają, Mi — temperatura minimalna, poniżej której bakterie są nieaktywne i nie rosną, O — temperatura optymalna, w jakiej aktywność bakterii jest największa
Ze względu na różnice w optimum, minimum i maksimum wzrostu, bakterie dzieli się zwykle na trzy grupy:
a) bakterie psychrofilne — zimnolubne
b) bakterie mezofilne — rosnące w średnich temperaturach
c) bakterie termofilne — ciepłolubne.
Bakterie psychrofilne. Do tej grupy zalicza się bakterie żyjące w zimnych źródłach, głębokich jeziorach i w morzach. Optimum wzrostu dla tych mikroorganizmów przypada poniżej 20°C. Minimalna temperatura zwykle zbliża się do temperatury zamarzania środowiska. Zamarzanie mechanicznie hamuje rozwój bakterii. Temperatura maksymalna waha się od 25 do 30°C. Należy jednak pamiętać, że wiele bakterii psychrofilnych (np. form morskich) w warunkach laboratoryjnych zachowuje się jak typowe mezofile. Ostatnio czynione są próby wyodrębnienia jako psychrofili tylko tych bakterii, których rozwój jest możliwy poniżej 10°C, a hamowany jest już przy temperaturze około 20°C. Badania nad tym zagadnieniem mają nie tylko wartość teoretyczną, ale również wielkie znaczenie dla chłodnictwa i przechowywania żywności.
Bakterie mezofilne. Do grupy bakterii mezofilnych zalicza się drobnoustroje pasożytnicze i znaczną większość saprofitów. Optimum wzrostu waha się, w zależności od gatunku bakterii, od 20 do 40 °C. Optimum temperatury wzrostu większości bakterii chorobotwórczych dla człowieka i zwierząt ciepłokrwistych zbliżone jest do temperatury organizmu, tj. około 37°C. Minimalna ciepłota wzrostu mezofilów zwykle waha się od 10 do 25°C, a maksymalna — od 40 do 45 °C. Bakterie pasożytnicze, specjalnie zaś pasożyty bezwzględne, często są wrażliwe na nawet stosunkowo małe wahania temperatury. Przykładem mogą być krętki blade (zarazki kiły) lub gonokoki (zarazki rzeżączki).
Bakterie termofilne. Bakterie termofilne są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Żyją one w gorących źródłach, w nawozie, glebie, fermentujących resztkach roślinnych (np. w tytoniu, sianie), w jelitach niektórych zwierząt. Optimum wzrostu waha się od 45 do 60°C, minimum od 25 do 45°C, a maksimum od 70 do 80°C. Najwyższa temperatura, w której żyją formy wegetatywne bakterii, wynosi 98 °C (gorące źródła Islandii). Termo-file dzielą niektórzy badacze na dwie podgrupy: stenotermofile (rosnące tylko przy temperaturze 60°C i więcej stopni) i euritermofile (rosnące zarówno w 60, jak i w 30°C).
Inni proponują podział termofili na bezwzględne (o optimum wzrostu przy 65 — 70°C, nie rosnące poniżej 40 — 42 °C), względne (rosnące przy 30°C, o maksymalnej temperaturze wzrostu 50 — 65°C) oraz termo tolerancyjne (dobrze rosnące w 30°C, ale znoszące temperatury 45 — 50°C). Większość bakterii termofilnych tworzy przetrwalniki. Należą tu na przykład Bacillus coagulans, B. stearothermophilus, Clostridium thermosaccharo-lyticum i Desulfomotomaculum nigricans. Znamy jednak też nieprzetrwalnikujące termo-file, np. Lactobacillus thermophilus, o optimum wzrostu przy 50 — 61 °C, a rosnący jeszcze przy 65°C.
Warto podkreślić, że wśród bakterii znajdujemy organizmy zdolne do wzrostu przy bardzo wysokiej temperaturze (ponad 90°C). Termofilne sinice, jak wiadomo, nie rosną w temperaturze ponad 73 — 75°C, a grzyby i glony ponad 56 — 60°C.
PROMIENIOWANIE
Wpływ promieniowania na przykładzie promieni UV
Osobliwe jest też zachowanie się bakterii w stosunku do różnych rodzajów promieniowania. Bakterie oraz inne drobnoustroje (np. pełzaki) odznaczają się mniejszą wrażliwością na promienie ultrafioletowe i jonizujące niż wyższe Eukaryota. Należy jednak pamiętać, że i wśród bakterii napotykamy na wielkie zróżnicowanie pod tym względem, np. dla jednego z mutantów Escherichia coli śmiertelne jest już naświetlenie promieniami ultrafioletowymi o energii l erg/mm2, a wyjątkowo oporna bakteria, Micrococcus radio-durans, ginie dopiero przy 7•10-4 J/mm2. Ta sama bakteria jest zabijana dopiero przy napromieniowaniu 750 krad promieni jonizujących, podczas gdy Psudomonas ginie już przy 2 krad. Tworzenie dimerów tyminy oraz tyminy i cytozyny nie jest jednak jedynym szkodliwym skutkiem naświetlania bakterii promieniami ultrafioletowymi. W jednoniciowym DNA oraz w RNA dochodzi też do hydratacji cytozyny i uracylu. Uwodnieniu podlega podwójne wiązanie miedzy węglami 6 i 5. Uszkodzenia tego typu usuwane są spontanicznie. Po 48 minutach w 25°C połowa hydratów cytozyny przemienia się w cytozyne. Promienie ultrafioletowe nie powodują pękania nici DNA, natomiast wysokie dawki (tysiące ergów na milimetr kwadratowy) prowadzą do powstania wiązań (krzyżowych połączeń, cross-links) między dwiema nićmi DNA. Przy naświetlaniu promieniami o nieco dłuższej fali (280 nm), pochłanianymi głównie przez białka, dochodzi do tworzenia powiązań pomiędzy tymi ostatnimi a DNA. Śmiertelność M.radioduram pod wpływem promieni o tej długości fali jest pewno powodowana przez tego typu zmiany. Również w niskich temperaturach ( -79°C), kiedy mogą być tworzone jedynie nieliczne dimery tyminy, główna rola przypada połączeniu między białkiem i DNA.
Prawdopodobnie duże znaczenie ma też pośrednie oddziaływanie promieni ultrafioletowych poprzez środowisko. Pod ich wpływem powstają również w podłożu duże zmiany, w wyniku których pojawiają się wolne rodniki (np. [OH] itd.) oraz związki niestałe o charakterze nadtlenków. Związki te działają utleniająco na inne składniki zawarte w środowisku, a ponadto i przede wszystkim, podobnie jak wszelkie substancje utleniające, wywierają wpływ toksyczny na komórki. Dlatego też pożywka, naświetlona w warunkach tlenowych promieniami ultrafioletowymi, staje się nieprzydatna dla hodowli bakterii. Nagromadzone w czasie naświetlania związki o charakterze nadtlenków działają trująco na wprowadzane do podłoża bakterie. Efekt naświetlania zależy zatem również od warunków środowiskowych, przy czym najsilniejszy jest w warunkach tlenowych. Podobnie też dodanie do środowiska związków (np. cysteiny), obniżających potencjał oksydacyjno-redukcyjny, zmniejsza efekt działania promieni ultrafioletowych. O znaczeniu nadtlenków w bakteriobójczym działaniu ultrafioletu świadczy też i to, że bakteria wyjątkowo oporna na to promieniowanie, M. radiodurans, zawiera aż 289,0 jednostek dysmutazy nadtlenków i 7,0 j. katalazy na l mg s.m., podczas gdy znacznie wrażliwsza na ultrafiolet Escherichia coli zawiera jedynie 6,1 j. dysmutazy i 1,8
j. katalazy na l mg s.m. Mechanizmom usuwającym uszkodzenia DNA wywołane przez promienie UV podlegają tylko pewne typy uszkodzeń, np. dimery pirymidyn. Ponieważ są one jednak odpowiedzialne za większość śmiertelnych efektów promieniowania, te mechanizmy naprawy uszkodzeń odgrywają dużą rolę. Fotoreaktywacja usuwa u Escherichia coli najwyżej 50-80% uszkodzeń. Pozostałe, nie usuwane przez fotoreaktywację, są przypuszczalnie związane z innymi zmianami w komórce niż dimeryzacja pirymidyn. Efekty mutagenne promieni ultrafioletowych już znamy. Z biologicznego punktu widzenia nie mniej ważne jest to, że promienie te wykazują wyraźne właściwości bakteriobójcze. Przy zastosowaniu odpowiednio dobranego czasu oraz natężenia promieniowania może dojść do zupełnego wyjałowienia naświetlanego środowiska. Przy mniejszej intensywności promieniowania procent bakterii, ulegających zabiciu, maleje. Bakteriobójcze działanie fal ultrafioletowych jest różne w zależności od długości fal. Najsilniejsze właściwości bakteriobójcze wykazują fale o długości od około 230 do 275 nm, a więc fale absorbowane przez kwasy nukleinowe i białka. W związku z tym różna jest również ilość energii potrzebnej do wywołania tego samego efektu przy zastosowaniu promieniowania o różnej długości fal. Na przykład promieniowanie o długości fali 267,5 nm zabija 50% komórek Escherichia coli przy natężeniu 88 • 10-7 J/mm2. Przy falach o długości 302 nm ten sam efekt osiąga się dopiero przy natężeniu 3,15 • 10-4 J/mm2, o długości zaś 315 nm — przy 25 • 10-4 J/mm2. Przetrwalniki bakteryjne są około dwukrotnie bardziej oporne na promieniowanie ultrafioletowe niż formy wegetatywne. Promieniowanie ultrafioletowe, poza właściwościami bakteriobójczymi, wykazują również zdolność wywoływania mutacji, unieczynniania surowic swoistych, toksyn bakteryjnych itp.
WPŁYW CIŚNIENIA NA DROBNOUSTROJE
CIŚNIENIE OSMOTYCZNE
Bakterie są mało wrażliwe na zmiany wartości osmotycznej podłoża. Nie oznacza to jednak, że wzrost i czynności fizjologiczne są niezależne od tego czynnika. Wprost przeciwnie, większość bakterii może rosnąć tylko przy określonym ciśnieniu osmotycznym i po przekroczeniu pewnej granicy funkcje ich zostają zahamowane. Tylko nieliczne bakterie glebowe, słodkowodne i pasożytnicze mogą żyć w środowisku zawierającym kilka procent NaCl lub większe stężenie cukru. Zdolne są do tego raczej nieliczne formy, jak np. bakterie mlekowe (Lactobacillus i wiele gatunków Streptococcus) oraz wspomniane już bakterie osmofilne. Te ostatnie, żyjące w solankach, zwykle nie znoszą obniżenia stężenia soli. Również liczne bakterie morskie wymagają dodatku soli do zwykłego podłoża odżywczego.
CIŚNIENIE MECHANICZNE
Bakterie są niewrażliwe na znaczne nawet podwyższenie ciśnienia mechanicznego. Escherichia coli, Salmonella typhii, niektóre ziarniaki nie giną poddane ciśnieniu nawet 5 000 atmosfer. Przetrwalniki są jeszcze mniej wrażliwe na podwyższone ciśnienie. Na przykład endospory Bacillus subtilis nie tracą zdolności kiełkowania po zadziałaniu na nie ciśnieniem 20 000 atmosfer przez okres 45 minut. Próby wykonywane na preparatach enzymatycznych wykazały, że enzymy są jeszcze mniej wrażliwe na ciśnienie mechaniczne niż komórki bakterii. Na przykład diastaza nie ulega inaktywacji przy ciśnieniu 13 000 atmosfer, trypsyna zaś zachowuje aktywność jeszcze pod działaniem 17 000 atmosfer. Toksyny bakteryjne (tężcowa i błonicza) są zupełnie unieczynniane dopiero przy ciśnieniu ponad 12 000 atmosfer. Niewiele można dziś powiedzieć o mechanizmie uszkadzającego działania wysokich ciśnień na bakterie. Wiąże się ono ze zmianami natury chemicznej i fizycznej (np. zmniejszenie objętości, zmiany w szybkości zachodzenia reakcji chemicznych itd.).
Wzrost większości bakterii ustaje jednak zwykle przy ciśnieniu większym niż 600 atmosfer. Oporniejsze na działanie ciśnienia są bakterie morskie. Niektóre z nich rosną lepiej przy ciśnieniu 600 atmosfer niż w warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego. Bakterie takie nazywa się barofilnymi.
WPŁYW PH ...
kryswiec