Факторы регулирования микробного синтеза

Физико-химические факторы. К регулируемым физико-хими­ческим факторам, оказывающим существенное влияние на рост, развитие микроорганизма и синтез им заданного вещества, отно­сятся влажность, концентрация компонентов питательной среды (осмотическое давление), температура, концентрация молекуляр­ного кислорода (аэрация).

Влажность. Микроорганизмы могут жить и размножаться только в присутствии свободной воды, находящейся главным об­разом в капельно-жидком состоянии. Во-первых, клетка на 80— 90 % состоит из воды; во-вторых, все биохимические реакции протекают в водной среде; при отсутствии воды невозможно пита­ние. Однако потребности микроорганизмов в воде весьма разнооб­разны. Многие формы бактерий и грибов обладают замечательной способностью сохранять жизнеспособность в течение длительных периодов в совершенно сухом состоянии. Наиболее устойчивы к обезвоживанию грибы, способные развиваться при низком водном потенциале (количество термодинамической работы, которая дол­жна быть затрачена организмом для извлечения воды из субстрата). Выживаемость бактерий при высушивании значительно возраста­ет, если они формируют те или иные устойчивые формы.

В пищевой технологии возможность развития микроорганиз­мов на продуктах и в сырье можно учитывать как по величине активности воды, так и по относительной влажности, когда сис­тема продукт-воздух находится в динамическом равновесии: W_отн = a_w* 100%. Бактерии развиваются при W_отн не ниже 95— 90 %, дрожжи - 90-85 %, грибы — 75-60 %.

Влияние воды на развитие микроорганизмов связано с ее по­верхностным натяжением. Снижение поверхностного натяжения питательных сред приводит к изменению физиологических про­цессов в клетке, к изменению клеточной проницаемости и, как следствие, к остановке роста и размножения.

Осмотическое давление. Большое влияние на рост микроорганизмов оказывает концентрация растворенных в воде соединений. Если их содержится мало по сравнению с концент­рацией их в клетке, раствор называется гипотоническим. В гипо­тоническом растворе наблюдается явление плазмоптиза (вода по­ступает внутрь клетки, в результате чего она может лопнуть). В гипертоническом растворе, осмотическое давление которого выше, чем осмотическое давление клетки, наблюдается обратное явление — плазмолиз (обезвоживание). Вода выходит из клетки, в результате чего цитоплазма сжимается, нарушается целостность цитоплазматической мембраны и клетка погибает. Только благо­даря наличию регидной клеточной стенки, регуляторным функ­циям цитоплазматической мембраны большинство бактерий ма­лочувствительны к изменениям концентрации солей (в пределах 0,5-3,0%).

Существуют осмофильные и осмотолерантные микроорганиз­мы. Первые предпочитают среды с высоким осмотическим давле­нием, вторые переносят значительные его колебания. К осмофилам относятся грибы, способные расти на едва увлажненных суб­стратах; некоторые дрожжи, которые сбраживают мед с содержа­нием сахара 70—80 %; Но эти микроорганизмы не выносят высоких концентраций NaCl. '

Микроорганизмы, которые могут жить при очень высоких концентрациях NaCl, называются галофилами. Крайние (экстре­мальные) галофилы выдерживают концентрацию соли более 20 %; умеренные галофилы развиваются при концентрации соли 1—2 %, хорошо растут в среде с массовой долей NaCl 10 % и мо­гут переносить до 20 % NaCl. Большинство гнилостных бактерий прекращают развитие при 10—15 % NaCl.

Температура. Микроорганизмы лишены механизмов, ре­гулирующих температуру, поэтому их существование определяется температурой окружающей среды.

По отношению к температуре микроорганизмы делят на 3 группы:

-психрофилы (криофилы) — холодолюбивые микроорганизмы. Это некоторые морские светящиеся бактерии, железобактерии с оптимумом 10—15 °С, минимумом 0 — минус 11 °С, максимумом 30—35 °С. Психрофилы делятся на облигатные и факультативные. Основное различие между подгруппами состоит в том, что первые при температуре выше 20 °С не способны к росту, а вторые характеризуются более широким диапазоном температур роста (до 35 °С). Сходство же в том, что и те и другие способны к росту при 0 °С и минусовых температурах;

-мезофилы развиваются в диапазоне от 10 до 50 °С, имея тем­пературный оптимум 28—37 °С, минимум 3—10°С, максимум 43—50 °С. К этой группе относится большинство микроорганиз­мов, в том числе гнилостные и болезнетворные бактерии, а также дрожжи.

Среди мезофилов встречаются формы с высоким максимумом или низким минимумом, которые переносят, высокие температу­ры. Это термотолерантные микроорганизмы, имеющие оптимум 30 °С, максимум 55-60 °С;

-термофилы — теплолюбивые микроорганизмы, имеющие оп­тимум 55—60 °С, максимум 75—80 и минимум 18—30 °С. К этой группе относятся почвенные бактерии, микроскопические гри­бы и актиномицеты.

Возможность существования термофилов при высоких тем­пературах обусловлена особым состоянием липидных компо­нентов клеточных мембран; высокой термостабильностью бел­ков и ферментов; термостабильностью клеточных ультра-структур.

Микроорганизмы по-разному относятся к предельным (низ­ким и высоким) температурам. Если низкие температуры (минус 190 °С, минус 252 °С) микробные клетки переносят, сохраняя пос­ле размораживания способность к росту, то под влиянием высо­ких температур они довольно быстро погибают.

Низкие температуры (даже вблизи абсолютного нуля) приоста­навливают жизнедеятельность микроорганизмов, переводя клетку в состояние скрытой жизни — анабиоз. Очевидно, в клетке изме­няется вязкость протоплазмы, дисперсионность белковых частиц, инактивируются ферменты. Это может длиться десятки лет. Но большинство микроорганизмов при низких температурах медлен­но погибают, что используется для предохранения пищевых про­дуктов от порчи.

Высокие температуры вызывают свертывание протоплазмы, коагуляцию белков, инактивацию ферментов у психро- и мезофилов. При этом во влажной среде бактерии гибнут скорее, чем в су­хой. Наиболее устойчивы к нагреванию — споры. Известны такие виды спор, которые выдерживают 2—3 -часовое кипячение и поги­бают лишь при 120—130 °С.

Молекулярный кислород. Все микроорганизмы значительно различаются по отношению к молекулярному кисло­роду. Однако можно выделить по крайней мере три группы орга­низмов, похожих по его использованию.

Облигатные (строгие) аэробы нуждаются в кислороде, так как получают энергию только путем дыхания. К этой группе относит­ся большая часть бактерий и грибов.

Облигатные анаэробы — это микроорганизмы, для которых кис­лород токсичен. Они могут расти только в бескислородной среде, получая энергию в процессе брожения, например бактерии Clostridium.

Факультативные анаэробы — это микроорганизмы (например, дрожжи), которые имеют анаэробный тип обмена веществ, но нечувствительны к кислороду, т. е. в зависимости от условии среды они получают энергию в процессе брожения или посредством ды­хания.

Среди факультативных анаэробов выделяются аэротолерант­ные молочнокислые бактерии, которые могут расти в присутствии молекулярного кислорода, но, имея бродильный (анаэробный) тип обмена, не могут его использовать.

Значение физико-химических факторов для жизнедеятельнос­ти клеток также велико.

Кислотность среды (рН). Концентрация водородных ионов, или рН среды, оказывает значительное влияние на микро­организмы. Уже малейшие колебания создают возможность или невозможность существования микробов. Впрочем, многие бакте­рии относительно малочувствительны к изменениям рН среды в пределах от 6 до 9, хотя при быстрых его изменениях возможен кратковременный (на 30 мин) сдвиг кислотности внутри клетки, которая впоследствии восстанавливается.

Действие кислотности среды может быть прямым, когда ионы Н⁺ непосредственно воздействуют на организм, или косвенным, когда снижается лишь степень диссоциации веществ, имеющих существенное значение для клетки. Так, например, снижая сте­пень диссоциации слабых кислот и оснований, фактор рН увели­чивает их способность проникать в клетку, так как физиологичес­ки активны именно недиссоциированные кислоты. В зависимости от рН может изменяться стабильность макромолекул, заряд на по­верхности клетки и т. д. В связи с этим рН имеет существенное значение для роста и развития микроорганизмов, а также для на­копления ими продуктов метаболизма.

В биотехнологии при получении продуктов метаболизма уста­новление и поддержание оптимальной величины рН на заданном уровне имеют важное значение. Так, при спиртовом брожении, протекающем при рН 4,0, образуются этанол и диоксид углерода. При сдвиге рН в щелочную сторону (рН -7,5) брожение протека­ет с образованием спирта, диоксида углерода и уксусной кислоты, т. е. с нивелированием рН в ту или иную сторону изменяется на­правление метаболизма клетки.

Окислительно-восстановительный потенци­ал (rН₂). Если рН выражает степень кислотности и щелочности, то r Н₂ — степень аэробности. Окислительно-восстановительный потенциал характеризует способность веществ быть донорами или акцепторами электронов. Он может быть измерен эксперимен­тально для любой окислительно-восстановительной системы.

В живой клетке окислительно-восстановительный потенциал возникает между клеточной стенкой и ионами питательной среды. Многие бактерии окисляют вещества, возникающие в процессе метаболизма и имеющие относительно низкий потенциал rН₂. Именно по этому фактору все микроорганизмы подразделяются на аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы.

В настоящее время, изменяя окислитель­но-восстановительный потенциал в среде, можно управлять син­тезом микробной клетки. Для аэробов rН₂ = 10 + 30, для анаэро­бов — не более 20 для жизнедеятельности и не более 3—5 для раз­множения.

Аэробы имеют систему дыхательных ферментов и в качестве акцептора водорода используют кислород воздуха. Анаэробы по­лучают энергию за счет сопряженного окисления-восстановления субстратов без участия кислорода воздуха. В целенаправленной организации биосинтеза веществ суще­ственную роль играют химические вещества. Попадая в микроб­ную клетку, они взаимодействуют с теми или иными ее составными компонентами и нарушают функции клетки. Результатом такого воздействия может быть остановка роста (бактериостатический эф­фект) или гибель микроорганизма (бактерицидный эффект). Мик­роорганизмы, имея малый объем или большую поверхность, погло­щают различные вещества из внешней среды. Характер действия этих веществ зависит от их природы, особенностей микроорга­низма, факторов внешней среды, времени воздействия, концен­трации веществ и т. д. Так, растворы сахарозы с массовой долей 0,2—3 % оказывают стимулирующее воздействие, а свыше 50 % — бактериостатическое.

Свойство химических веществ влиять на жизнедеятельность микроорганизов используется в пищевой технологии, медицине, сельском хозяйстве, например для дезинфекции. Так, наиболее часто употребляемые на пищевых предприятиях дезинфицирую­щие вещества — это этанол с объемной долей 50—70 %, фенол (карболовая кислота) с массовой долей 3—5 %, хлорная известь — 0,5—5, иод — 2, формалин — 1, щелочи — 1 %.

Бактериостатическое и бактерицидное действие на микроорга­низмы оказывают соли серебра, меди, галогенов (иод, бром) и др. Биологические факторы. Все живые существа, включая микро­организмы, обитают в природе не изолированно, а в биоценозах, где представители различных видов оказывают существенное вли­яние друг на друга. Под биологическими факторами понимают взаимоотношения между живыми существами, возникающие в природных условиях.

В процессе эволюции каждая группа организмов приспособи­лась к другим окружающим ее существам. Лишь немногие приоб­рели способность развиваться в физико-химических нишах, т. е. там, где не могут развиваться другие особи.

Между живыми существами выработались отношения зави­симости, адаптации к существованию с другой формой жизни. После того как прокариоты и эукариоты поднялись на современ­ный уровень развития, появились более совершенные формы жизни — животные и растения, появились возможные места оби­тания для микроорганизмов. Таким образом, создалось множе­ство взаимных или односторонних отношений между организма­ми. Это биологическое явление — тесное совместное существо­вание разных видов — называют симбиозом (от греч. simbiosis — сожительство).

Симбиотические отношения широко варьируют по степени взаимной близости. Исходя из этого, в зависимости от пространственных отношений их можно условно разделить на две катего­рии: эктосимбиоз (внешнее положение микроорганизма по от­ношению к хозяину) и эндосимбиоз (когда микроорганизм раз­вивается внутри клеток хозяина). Особый случай симбиоза — синантропные организмы (животные, растения, грибы и микроор­ганизмы), которые приспособились к существованию рядом с че­ловеком. По относительной выгоде, получаемой каждым из партнеров, различают мутуалистический и антагонистический симбиозы.

Явление симбиоза широко используется в биотехнологии: при составлении многокомпонентных заквасок; производстве различ­ных продуктов, где необходимо развить или подавить сопутствую­щую микрофлору.

Различают следующие виды симбиоза.

Метабиоз — форма взаимоотношений, когда продукты обме­на одного вида микроорганизма служат питательным материа­лом для другого. Например, дрожжи, развиваясь в сахаристых суб­стратах, образуют спирт. После этого в культуральной среде, со­держащей спирт, могут развиваться уксуснокислые бактерии, окисляющие спирт в уксусную кислоту, в то время как последняя используется микроскопическими грибами, которые окисляют ее до диоксида углерода и воды. Гнилостные бактерии разлагают органические субстраты до аммиака, который впоследствии окис­ляется бактериями-нитрификаторами. Таким образом, при метабиозе один вид микроорганизмов создает в процессе жизнедея­тельности благоприятные условия для развития другого вида, обусловливая тем самым этапность процессов и смену одних форм микроорганизмов другими, т. е. метабиоз — это основа круговоро­та веществ в природе.

Комменсализм — неярко выраженная форма мутуалистического симбиоза, когда пользу из совместного существования из­влекает только один партнер. Примером может служить ассоци­ация аэробных и анаэробных бактерий. В этом случае аэробы быс­тро восстанавливают кислород и делают среду благоприятной для анаэробов. К комменсализму следует отнести также симбиотические отношения между представителями нормальной микрофлоры кишечника и организмом человека и животных. В частности, цел­люлоза, входящая в состав кормов (до 90 %), подвергается в рубце жвачных животных разложению бактериями до жирных кислот и спиртов, которые всасываются здесь же, в рубце. Сами бактерии при. переходе содержимого рубца в кишечник перевариваются, в результате вещество их клеток тоже подвергается разложению и усваивается животными. Таким образом, благодаря бактериям-комменсалам жвачные животные усваивают целлюлозу. Кроме того, симбиотическая микрофлора рубца обеспечивает синтез бел­ка, благодаря чему коров, можно держать на безбелковом корме. Это объясняется тем, что мочевина, образующаяся в печени жи­вотного в процессе обезвреживания аммиака, частично выводится с мочой, а основная ее масса поступает через слюнные железы и стенку рубца жвачных в первые отделы желудка, где может ис­пользоваться микроорганизмами рубца для синтеза белка.

Кроме симбиотических взаимоотношении, носящих положи­тельный характер, различают другие варианты симбиоза: нейтра­лизм (партнеры не оказывают друг на друга никакого влияния), антагонизм и паразитизм (один из партнеров испытывает на себе вредное воздействие другого).

Антагонистический симбиоз — противоположность мутуализму. Это форма конкурентных взаимоотношений, при которых один микроорганизм угнетает или вызывает гибель другого. Это явле­ние открыл Л. Пастер (1877 г.), который наблюдал подавление ро­ста сибиреязвенной палочки под влиянием синегнойной бакте­рии, случайно попавшей в среду.

Дата добавления: 2015-10-21