Тема 12 Действие физических факторов на микроорганизмы
1 Влияние температуры. Влияние гидростатического давления
2 Характер действия различных видов радиации на микроорганизмы
3 Рост микроорганизмов в зависимости от концентрации растворов
4 Отношение микроорганизмов к молекулярному кислороду
5 Значение рН среды для роста микроорганизмов
6 Репарация повреждений ДНК у микроорганизмов
1 Влияние температуры. Влияние гидростатического давления
Все физико-химические процессы, которые обеспечивают функциональную активность клетки, а также состояние ее макромолекул, в большей или меньшей степени зависят от температуры. При высокой температуре белки, и др. компоненты клетки могут необратимо инактивироваться, что приводит к ее гибели. При низкой температуре также нарушаются процессы биосинтеза.
По отношению к температуре бактерии делят на три основные группы: мезофилы, психрофилы и термофилы.
Большинство известных видов прокариот относится к мезофилам, для них оптимальные температуры роста лежат в пределах 20–42 ºС. Типичным представителем мезофилов является E. coli.
Микроорганизмы, способные нормально расти при низких 0–20 °С температурах, называют психрофильными. Облигатные психрофилы обитают в морях Арктики и Антарктики, на вечных снегах, в воде колодцев и родников. Эти бактерии играют важную роль в круговороте веществ в регионах с низкими температурами. Факультативные психрофилы встречаются в почвах и водах холодной и умеренной зоны, вызывают порчу продуктов.
К термофильным относят микроорганизмы, которые растут при температуре выше 45–50 ºС. Примером факультативных термофилов являются гомоферментативные молочнокислые бактерии, они обитают на поверхности растений, в молочных продуктах, вине, фруктовых соках, присутствуют в микрофлоре млекопитающих. Экстремальные термофилы растут при 40-90 0С, обитают в горячих источниках, в районах вулканической деятельности.
Влияние гидростатического давления
Высокие значения гидростатического давления приводят к разрушению клеточных структур, происходит денатурация белков, прекращается деление, клетки приобретают нитевидную форму. Однако выявлены бактерии, которые живут на глубине 7000 м и более, где давление достигает более 1000 атмосфер. Из осадков на дне океанов выделяют бактерии двух групп: баротолерантные и пьезофильные (барофильные). Баротолерантные бактерии размножаются как при обычном, так и при давлении в несколько сот атмосфер. Пьезофильные (менее многочисленная группа) при давлении в сотни атмосфер дают больший урожай биомассы, чем при атмосферном давлении. Пьезофильные бактерии (например, бактерии вида Bacillus submarinus) – это обитатели глубоководных впадин морей и океанов.
2 Характер действия различных видов радиации на микроорганизмы
Микроорганизмы подвержены воздействию различных видов электромагнитных излучений. Эффект воздействия зависит от дозы облучения и длины волны. Наиболее длинноволновая радиация (радиоволны – длина волны более 1100 нм) не вызывает биологического эффекта.
Инфракрасные лучи (700–1100 нм и более) оказывают тепловое воздействие на микроорганизмы, используются бактериями в процессе фотосинтеза.
Видимая часть спектра (300–700 нм) используется цианобактериями и др. фототрофными бактериями в процессе фотосинтеза.
УФ-лучи (10–300 нм) могут оказывать на микроорганизмы как микробоцидное, так и мутагенное действие, что определяется видом микроорганизмов и дозой облучения. Наибольший летальный эффект УФ-лучей наблюдается при длине волны 260 нм, при которой отмечается максимум поглощения УФ-лучей молекулами ДНК. Также УФ-лучи поглощают белки и др. макромолекулы, что приводит к нарушению их структуры и функций.
Ионизирующая радиация (рентгеновское и гамма-излучение, с длиной волны менее 10 нм), вызывает летальный для клетки эффект. Она действует на биополимеры опосредованно, вызывая образование свободных радикалов и органических перекисей, которые реагируют с нуклеиновыми кислотами и белками, вызывая одно- и двунитевые разрывы цепей ДНК, изменения азотистых оснований и т. д. Чувствительность микроорганизмов различных групп к ионизирующей радиации проявляется в разной степени. Абсолютным «чемпионом» являются бактерии Micrococcus radiodurans, которые обитают в водах атомных реакторов, встречаются в залежах урановых руд.
3 Рост микроорганизмов в зависимости от концентрации растворов
Концентрация веществ, растворенных в окружающей среде, т. е. осмотическое давление, также оказывает большое влияние на жизнеспособность микроорганизмов: чем концентрированнее раствор, тем труднее клетке поглощать из него воду. В гипертонических растворах происходит обезвоживание клеток (плазмолиз) и полное прекращение роста. Это явление называется физиологической сухостью. Однако некоторые микроорганизмы способны нормально развиваться в достаточно концентрированных растворах. Такие микроорганизмы называют осмофильными.
Осмофильные микроорганизмы, для которых требуется высокое содержание NaCl, получили название галофильных. У таких бактерий концентрация солей в цитоплазме равна концентрации внешнего раствора, однако в клетках преобладает не натрий, а калий. Галофильные бактерии обнаружены в соленых озерах (Большое соленое озеро в США, Мертвое море в Израиле), в солончаковых почвах. Они обычно вызывают порчу соленой рыбы и мяса.
4 Значение рН среды для роста микроорганизмов
Концентрация ионов водорода в окружающей среде действует на микроорганизмы двояко: 1) непосредственно на полупроницаемость цитоплазматической мембраны; 2) косвенно или опосредованно: а) через влияние на ионное состояние и доступность многих ионов и метаболитов; б) равновесие зарядов на поверхности клетки; в) стабильность макромолекул;
В зависимости от отношения к кислотности среды бактерии могут быть разделены на несколько групп:
1) нейтрофилы – оптимальное значение рН для роста составляет 6–8. К этой группе относится большинство известных микроорганизмов;
2) ацидофилы – оптимальная кислотность среды для роста при рН ниже 4. Кислые условия встречаются в ряде озер, болот, горячих источниках;
3) алкалофилы – оптимальные условия для развития находятся в пределах значений рН 9,0–10,5, которые встречаются в щелочных почвах, в местах скопления экскрементов животных.
Хотя микроорганизмы могут выполнять процессы жизнедеятельности в условиях различной рН среды, реакция внутри их клеток поддерживается близкой к нейтральной, что достигается из-за наличия в цитоплазме буферных систем и низкой полупроницаемости мембраны для ионов водорода.
5 Отношение микроорганизмов к молекулярному кислороду
Клетки микроорганизмов не могут существовать без кислорода. Основным источником кислорода является вода, он содержится в СО2 и многих органических соединениях. Многим микроорганизмам помимо этого необходим молекулярный кислород. Главная функция О2 состоит в том, что он служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании; при этом он восстанавливается до воды. По отношению к молекулярному кислороду все бактерии можно разделить на несколько физиологических групп:
1) облигатные аэробы – бактерии, способные получать энергию только путем аэробного дыхания и поэтому им нужен О2. Среди них следует выделить микроаэрофилы – это бактерии, которые нуждаются в О2 для получения энергии, но растут они только при низком его содержании в среде (2–5 %);
2) факультативные анаэробы (или факультативные аэробы) – бактерии, способные расти как в присутствии, так и в отсутствии О2. Они могут переключать свой энергетический метаболизм с аэробного дыхания на брожение или анаэробное дыхание. Примером таких бактерий служат некоторые виды молочнокислых бактерий. Среди факультативных анаэробов следует выделить аэротолерантные бактерии, которые могут расти в присутствии атмосферного кислорода, но не способны его использовать в качестве акцепторов электронов, получая энергию исключительно с помощью брожения;
3) облигатные анаэробы – могут расти только в среде, лишенной молекулярного кислорода, поскольку он токсичен для них. К числу строгих анаэробов относятся некоторые маслянокислые бактерии.
Токсичность молекулярного кислорода для анаэробных бактерий связана с отсутствием в их клетках механизмов, которые обеспечивают детоксикацию сильных окислителей, образующихся в его присутствии.
6 Репарация повреждения ДНК у микроорганизмов
Репарация (репаративный синтез) - восстановление нативной первичной структуры молекулы ДНК, т. е. исправление повреждений, спонтанно возникающих в процессе репликации и рекомбинации, либо вызванных действием внешних факторов. Репарация происходит с помощью набора специфических репаративных ферментов. Дефектность репарации ДНК наблюдается при некоторых наследственных кожных заболеваниях человека.
Различают три основных механизма репарации ДНК: 1) фотореактивация; 2) темновая (эксцизионная) репарация; 3) пострепликативная репарация.
1) Фотореактивация – восстановление молекул ДНК, поврежденных УФ-лучами, в результате последующего воздействия на них видимого света. Это самый простой и прямой механизм репарации.
2) Системы темновой репарации удаляют неправильно спаренные либо поврежденные основания из ДНК и затем синтезируют новую последовательность ДНК, которая замещает их.
3) Пострепликативная репарация. Восстановление повреждений происходит после репликации ДНК. Этот тип репарации не происходит в клетках, дефектных по рекомбинации, еще ее называют рекомбинационной репарацией. В результате рекомбинационной репарации у части дочерних молекул ДНК сохраняются повреждения ее первичной структуры.
У бактерий E. coli имеется особый механизм репарации. Система SOS-репарации включается тогда, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что жизнь клетки поставлена под угрозу. В этом случае клетка мобилизует дополнительные ресурсы и спасает свою жизнь путем ошибок. Среди выживших клеток повышается уровень мутирования.
Установлено, что многие воздействия, которые повреждают ДНК либо ингибируют ее репликацию у бактерий E. coli, индуцируют серию фенотипических изменений, получивших название SOS-ответа.
В настоящее время идентифицировано 11 генов, которые участвуют в SOS-ответе в результате активации их продуктов. Некоторые из sos-генов активны только в поврежденных клетках; другие активны и в необработанных. Механизм SOS-ответа является обратимым.
