Физиология микроорганизмов изучает их жизнедеятельность, т. е. процессы питания, дыхания, роста, размножения, взаимодействия микробов с внешней средой.
Знание физиологии микроорганизмов позволяет стимулировать рост полезных и подавлять развитие вредных микроорганизмов.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МИКРОБОВ
В микробной клетке содержится в среднем 80-85% воды и 15-20% сухих веществ. Вода находится в свободном и связанном состоянии. В свободной воде растворены наиболее важные органические и минеральные вещества, в водной среде протекают основные биохимические процессы. Связанная вода входит в состав белков, углеводов, жиров и других веществ.
В состав сухих веществ микробной клетки входят органические вещества, основу которых составляют углерод, азот, кислород, водород и минеральные вещества с преобладанием серы, фосфора, калия, магния, кальция, железа, натрия, хлора и марганца. Минеральные вещества регулируют осмотическое давление внутри клетки, от них зависят состояние протоплазмы, направление и скорость биохимических реакций и др. Многие минеральные вещества входят в состав органических веществ.
Главная масса сухого вещества микробов приходится на долю белковых веществ, содержание которых от 40 до 80%. Зависит масса от состава питательной среды и вида микроорганизмов. Белки выполняют в клетке структурные, энергетические, двигательные, ферментативные и другие функции.
Ферменты микроорганизмов играют очень важную роль в их жизнедеятельности в качестве катализаторов биохимических реакций. Каждому виду микроорганизмов соответствует свой комплекс ферментов. Ферменты локализованы в различных клеточных структурах (цитоплазматической мембране, митохондриях и др.). Одни ферменты выделяются микробной клеткой наружу, расщепляя сложные вещества субстрата и подготавливая пищу для усвоения. Другие ферменты катализируют внутриклеточные биохимические процессы.
Углеводы в микробной клетке представлены в основном полисахаридным комплексом и продуктами его гидролиза. Углеводы входят в состав оболочки капсул, участвуют в синтезе белков и жиров, являются основным энергетическим материалом клетки, расходуемым в процессе дыхания.
Липиды (жиры и жироподобные вещества) входят в состав оболочки, придают микробной клетке устойчивость при неблагоприятных условиях существования, играют роль запасных питательных веществ. Они находятся как в свободном состоянии, так и в комплексе с белками, углеводами и другими соединениями.
Пигменты, находящиеся в клеточном соке некоторых микроорганизмов, обусловливают их окраску и нередко участвуют в процессе дыхания.
ПИТАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
Специальных органов для приема пищи у микробов нет, питательные вещества поступают в тело через клеточные стенки мембраны путем диффузии и адсорбции в виде водных растворов. Процесс питания происходит лишь при наличии в среде достаточного количества воды и питательных веществ. Концентрация клеточного сока бактерий, а следовательно и осмотическое давление значительно выше, чем в среде их обитания. Разница в осмотическом давлении микробной клетки и окружающей ее среды обеспечивает поступление в клетку воды и растворенных в ней питательных веществ, необходимых для жизнедеятельности. Вещества, имеющие молекулы больших размеров (белки, коллоиды и др.), проникают в клетку только после расщепления их ферментами, выделяемыми микробом в окружающую среду.
Из всех питательных элементов, необходимых для микробов, наибольшее значение имеют углерод и азот.
По типу усвоения углерода микробы делят на автотрофы и гетеротрофы.
Автотрофы способны усваивать углерод непосредственно из углекислоты воздуха путем хемосинтеза (используется энергия химических реакций окисления) или фотосинтеза (используется энергия солнечных лучей), как у растений. Они не нуждаются в готовых органических соединениях.
К автотрофам относят железобактерии, серобактерий, нитрифицирующие бактерии и др.
Гетеротрофы используют углерод только готовых органических соединений. В свою очередь гетеротрофы подразделяют на сапрофитов и паразитов (патогенные микроорганизмы). Сапрофиты используют мертвые органические субстраты животного я растительного происхождения. Это многие виды гнилостных микробов, большинство плесеней и актиномицетов, вызывающие порчу пищевых продуктов, водоемов и др. Паразиты (паратрофы) способны жить и размножаться только в живых тканях животных, человека и растений, используя органические вещества живых клеток, и вызывать инфекционные заболевания.
По характеру усвоения азота микробы подразделяют на азотфиксирующие, использующие для питания атмосферный азот, протеолитические, расщепляющие белковые вещества субстрата, инитритно-нитратные, усваивающие окисленные формы азота.
Многие микроорганизмы кроме углерода и азота нуждаются и в факторах роста – витаминах, выполняющих роль биохимических катализаторов в клетке, и минеральных веществах. Некоторые микроорганизмы, например дрожжи, молочно-кислые бактерии, сами продуцируют витамины.
ДЫХАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
Каждая микробная клетка нуждается в энергии. Эту энергию она получает в процессе дыхания и расходует на все процессы жизнедеятельности. Сущность дыхания микробов заключается в окислении сложных органических соединений до более простых веществ с выделением тепловой энергии. За счет полученной энергии в микробной клетке происходит синтез сложных органических соединений.
По типу дыхания микроорганизмы делят на аэробы и анаэробы.
Аэробы – микроорганизмы, которые для дыхания нуждаются в свободном доступе кислорода воздуха. В них окислительные процессы органических веществ происходят до полного их распада, т. е. до углекислого газа и воды. При полном окислении органических веществ, прежде всего углеводов, высвобождается вся потенциальная энергия, аккумулированная в молекуле. Тип дыхания называется аэробным, если конечным акцептором электронов является молекулярный кислород.
Анаэробы – микроорганизмы, которые получают энергию для дыхания за счет расщепления питательных веществ без доступа кислорода воздуха, т. е. в процессе брожения. Различают облигатные (безусловные) и факультативные (условные) анаэробы. Облигатные анаэробы проявляют свою жизнедеятельность только при отсутствии кислорода воздуха. Факультативные анаэробы могут развиваться в средах как в присутствии кислорода воздуха, так и без него.
Во всех случаях аэробного и анаэробного дыхания первым этапом дыхательных процессов чаще всего является отщепление водорода от субстрата (дегидрирование) с участием ферменте» дегидрогеназ. Процессы дыхания носят окислительно-восстановительный характер.
При аэробном типе дыхания аэробные дегидрогеназы передают водород» отнятый от субстрата, кислороду воздуха или цитохромной системе. Это так называемое аэробное дегидрирование, при котором обычно происходит полное окисление субстрата до углекислого газа и воды и высвобождается вся энергия.
В анаэробных условиях дегидрогеназы передают водород, отнятый от субстрата, другим веществам, от которых сравнительно легко отщепляется кислород. При анаэробном дегидрировании, известном под названием брожения, происходит неполное окисление субстрата.
Высвобождаемая при окислении органических веществ энергия вначале аккумулируется как химическая энергия в макроэргических связях молекул АТФ. В дальнейшем микроорганизмы используют, около 40% энергии на процессы жизнедеятельности, а остальная ее часть в виде тепла или лучистой энергии выделяется во внешнюю среду. Это часто приводит к нагреванию субстратов (самосогревание силоса и влажного зерна).
РАЗМНОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
Достигнув предела индивидуальной зрелости, микробная клетка начинает размножаться.
Бактерии чаще всего размножаются путем простого деления клетки пополам. В средней части клетки цитоплазматическая мембрана врастает внутрь, образуя перегородку перпендикулярно оси в различных плоскостях. Образуются многообразные сочетания клеток (гроздья, цепочки, парные сочетания и др.). Скорость размножения различна у разных бактерий. Так, клетка кишечной палочки делится каждые 20-30 мин, а клетка туберкулезной бактерии – через 20-24 ч. Скорость размножения зависит от наличия питательных веществ, температуры, рН среды и других факторов.
Дрожжи размножаются бесполым и половым путем: почкованием, посредством спор, а некоторые виды – слиянием двух клеток. При почковании (бесполом размножении) на материнской клетке образуется бугорок – почка, которая увеличивается в размерах. В эту почку из материнской клетки переходит часть цитоплазмы и ядра, после чего она отделяется от материнской клетки. При половом размножении между двумя клетками образуется канал, ядра клеток сливаются, оплодотворенное ядро делится на четыре или восемь аскоспор. Клетка превращается в сумку (аск).
Плесневые грибы размножаются бесполым и половым путем. При бесполом размножении у многочисленных грибов на концах плодоносящих гиф развиваются споры (оидии, спорангиоспоры, конидии). После созревания споры осыпаются и, прорастая, дают новые гифы. У одноклеточных плесневых грибов споры созревают внутри спорангия. Спорангии лопаются и споры рассеиваются во внешнюю среду. Некоторые виды грибов размножаются путем распада мицелия на отдельные членики, которые дают новые особи. Половое размножение происходит путем слияния двух клеток.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МИКРОБОВ С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ
Факторы внешней среды постоянно влияют на жизнедеятельность микроорганизмов. При благоприятных условиях происходят рост и развитие микроорганизмов, а при неблагоприятных развитие их замедляется и может наступить гибель.
Факторы внешней среды, оказывающие влияние на микроорганизмы, подразделяют на физические, химические и биологические.
Физическими факторами внешней среды являются температура, влажность, свет и др.
Микроорганизмы могут переносить значительные колебания температуры. Различают три температурные точки, при которых может проявляться жизнедеятельность микроорганизмов различной интенсивности: оптимальная, минимальная и максимальная. Оптимальная температура способствует наиболее интенсивному росту и развитию микроорганизмов. Минимальная – самая низкая температура, при которой еще возможно развитие микроорганизмов; ниже этой температуры микроорганизмы снижают свою биохимическую активность, но не погибают, а переходят в состояние анабиоза, т. е. в состояние «скрытой жизни», напоминающее зимнее оцепенение многих холоднокровных животных и растений. Максимальная – это наиболее высокая температура, при которой еще возможны рост и развитие микроба, выше которой он погибнет. В зависимости от температуры, к которой микроорганизмы приспособились, их подразделяют на психрофилы, мезофилы и термофилы.
Психрофилы (холодолюбивые) способны развиваться при низкой температуре. Оптимальной для них является температура 15-20°С, минимальной -10°С, при температуре выше 35°С они отмирают. К этой группе относятся некоторые представители кокковой микрофлоры, плесневые грибы, железобактерии и другие, вызывающие снижение качества или порчу продуктов, хранящихся в холодильниках.
Мезофилы – группа микроорганизмов, которые развиваются при средних температурах. Оптимальной для них является температура 30-37°С, минимальной – 10, максимальной – 43-50°С. Это наиболее многочисленная группа микроорганизмов, являющаяся главным возбудителем порчи пищевых продуктов: многие плесневые грибы, дрожжи, гнилостные и все патогенные микроорганизмы.
Термофилы – теплолюбивые микробы, развивающиеся при сравнительно высоких температурах. Оптимальная для них температура 50-60°С, минимальная – 35, максимальная – 75-85°С. Термофилы являются основными возбудителями порчи мясных и мясорастительных консервов, принимают участие в самосогревании силоса, влажного зерна, сена, хлопка, муки и др.
Высокая температура, вызывающая гибель микробной клетки, называется летальной. Губительное действие высокой температуры обусловливается денатурацией белков протоплазмы с последующей их коагуляцией, а также нарушением ферментных систем микроба. Большинство неспоровых микробов погибает во влажной среде при температуре 60-70°С через 15-30 мин; при 85°С – через 3-5 мин, при температуре 100°С и выше – моментально. Споры некоторых микроорганизмов выдерживают кипячение от нескольких минут до нескольких часов; особенно устойчивы к высоким температурам споры бацилл. Губительное действие высоких температур используется в пищевой промышленности при пастеризации и стерилизации продуктов.
Влажность среды – решающее условие для развития микроорганизмов. Минимальная влажность, необходимая для жизнедеятельности бактерий, 20-30%, для плесневых грибов – 15%. При повышении влажности среды обмен веществ микробной клетки становится интенсивнее.
С понижением влажности среды развитие большинства микроорганизмов приостанавливается. Различные виды микроорганизмов не в одинаковой мере чувствительны к высушиванию. Неспорообразующие микроорганизмы при высушивании погибают. Споры обладают высокой устойчивостью к высыханию и могут сохраняться в высушенном состоянии несколько десятков и сотен лет. Хорошо переносят высушивание, например, молочно-кислые бактерии, пекарские дрожжи, они используются для приготовления, сухих заквасок. Некоторые микроорганизмы используются для получения сухих вакцин. При высушивании продукты теряют свободную влагу и в них прекращается развитие микроорганизмов. Высушивание используют как один из методов сохранения скоропортящихся продуктов (мяса, рыбы, колбас, сухофруктов и др.).
Концентрация растворенных в воде веществ – один из важных факторов для жизнедеятельности микроорганизмов. В природе микроорганизмы живут в средах с различным содержанием растворенных веществ. Одни микробы обитают в пресной воде, где осмотическое давление не превышает долей атмосферы; другие приспособлены к среде с высоким осмотическим давлением (до нескольких десятков и сотен атмосфер), живут в соленых морях и озерах.
У многих микроорганизмов при повышении привычной концентрации веществ в воде происходит обезвоживание с последующим плазмолизом клеток: протоплазма сжимается, отходит от клеточной оболочки, и поступление питательных веществ в клетку приостанавливается. В таком состоянии одни микроорганизмы могут длительно сохраняться, другие – быстро погибают.
Существуют микроорганизмы, которые нормально развиваются только в среде с высоким осмотическим давлением, они называются осмофилами. Они вызывают порчу соленых товаров (рыбы, бекона, солонины), поэтому эти товары надо хранить при низких температурах. Осцофильные дрожжи н плесени вызывают порчу (забраживание, плесневение) меда, варенья, джема и других сахаросодержащих продуктов. Чтобы предотвратить Попадание этих микроорганизмов в продукты, их разливают в горячем виде в стерильную тару и хранят при пониженных температурах.
Свет оказывает влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Прямые солнечные лучи, особенно ультрафиолетовые, оказывают бактерицидное действие. Вегетативные формы микроорганизмов погибают на солнечном свету через несколько минут. Рассеянный свет оказывает менее губительное действие на микроорганизмы, но при длительном воздействии тормозит их рост и развитие. Ультрафиолетовые лучи используются на холодильниках, складах, базах и предприятиях пищевой промышленности для обеззараживания воздуха, поверхности оборудования, тары, упаковочных материале» и др. Источником ультрафиолетовых лучей являются бактерицидные лампы типа ПРК-2, БУВ-15 или БУВ-30.
Рентгеновское и радиоактивное излучения в малых дозах (тысячные доли Дж/кг) и при непродолжительной экспозиции оказывают стимулирующее действий на рост к размножение микробов. Большие дозы излучения (1000 Дж/кг) вызывают ионизацию атомов и молекул в микробной клетке, в результате чего инактивируются ферменты и другие жизненно важные системы, замедляется рост и предотвращается размножение микроорганизмов. Доза 7-10 тыс. Дж/кг вызывает гибель бактерий.
Ультразвуковые волны обладают значительной механической энергией, способной разрушить микробную клетку, инактивировать ее ферменты и токсины. Смертельное воздействие на микроорганизмы проявляется при озвучивании среды с частотой колебаний 100 тыс. Гц. Ультразвук большой мощности может быть использован для пастеризации и стерилизации продуктов, дезинфекции оборудования, тары, сточных вод, для разрушения клеточных стенок микроорганизмов и извлечения из них ферментов, витаминов, токсинов й др. Ультразвук малой мощности может стимулировать некоторые физиологические процессы в микробной клетке. С этой целью его используют для промышленного выращивания микроорганизмов.
Радиоволны короткие (10-50 м) и ультракороткие (менее 1м), проходя через среду, вызывают образование переменных токов высокой и ультравысокой частот (ВЧ и УВЧ). Эти токи вызывают быстрый нагрев среды (до 100°С), что приводит к гибели находящихся в ней микроорганизмов. Токи УВЧ применяют для стерилизации консервов в стеклянной таре, так как через металл электромагнитные волны не проходят. При этом методе стерилизации продукты хорошо сохраняют свои природные свойства: цвет, аромат, витамины.
Микроорганизмы устойчивы к высоким давлениям. Микробы обнаружены на дне глубоких морей и океанов, где давление достигает более 90 МПа (900 атм). Некоторые дрожжи и плесневые грибы выдерживают давление 300 МПа (3000 атм).
Химические факторы, т. е. содержание химических веществ в среде, оказывают влияние на рост и развитие микроорганизмов. Малые концентрации химических веществ могут даже стимулировать рост и развитие микроорганизмов. Значительные концентрации некоторых химических веществ вызывают гибель микроорганизмов. Такие вещества называют антисептиками. Эффективность действия этих веществ зависит от их химической природы, концентрации, температуры, рН среды, вида микроорганизма. Вещества, применяемые для уничтожения микробов, должны быть в растворенном состоянии. Особенно чувствительны к антисептикам вегетативные (растущие) клетки микроорганизмов, споры же более устойчивы.
Соли тяжелых металлов (ртути, меди, серебра, свинца и др.) являются сильными ядами для микроорганизмов. Они даже в очень малых дозах убивают микробы, вызывая инактивацию их ферментов. К дезинфицирующим веществам, вызывающим денатурацию белков микробной клетки, относят 40%-ный раствор формалина (формальдегид); фенол, крезол и их производные повреждают оболочки и клеточные белки микробов.
Губительным действием обладают многие окислители (хлор, озон, йод, перекись водорода), а также углекислый газ, окись этилена, азот, органические кислоты (салициловая, уксусная, сорбнновая, бензойная), эфирные масла и др. Мыла и жирные кислоты повреждают только клеточную стенку микроба, не изменяя его внутренней структуры.
При выборе дезинфицирующих веществ необходимо учитывать вид микроорганизма. Например, вирусы очень чувствительны к щелочам, возбудитель сибирской язвы – к хлору и формальдегиду, возбудитель туберкулеза – к воздействию кислот и щелочей. Хлор, фтор и озон используют для обеззараживания питьевой воды, углекислый газ и озон – при хранении многих продуктов. Для непосредственной обработки пищевых продуктов используют только антисептики, которые в применяемых дозах безвредны для человека и не изменяют органолептические свойства продукта. Так, сернистый газ, сернистую кислоту и ее соли применяют для обработки свежих плодов и овощей, их полуфабрикатов и соков. Бензойную и сорбиновую кислоты и их соли применяют при изготовлении плодоовощных, рыбных консервов и др.
Биологические факторы во взаимоотношениях между микробами и другими организмами существуют в различных формах. Симбиоз – сожительство различных типов живых организмов. Иногда такое сожительство приносит взаимную выгоду организмам, например сожительство клубеньковых бактерий с бобовыми растениями. В кефирных зернах осуществляется симбиоз молочнокислых бактерий и дрожжей, в результате жизнедеятельности которых происходит молочно-кислое и спиртовое брожение.
Существует форма симбиоза, при которой один организм живет и развивается за счет другого, не причиняя ему вреда. Например, кишечная палочка, некоторые виды стафилококков, стрептококков и других микробов обитают на поверхности или в естественных полостях тела человека и животных.
Форма симбиоза, когда один организм живет за счет другого, нанося ему вред, называется паразитизмом. Возбудители болезней человека и животных являются паразитами. Абсолютными паразитами являются вирусы, приспособившиеся к существованию только в живых клетках человека, растений и животных.
Метабиоз – взаимоотношения между микроорганизмами, при которых в процессе последовательного развития одни микроорганизмы создают благоприятные условия для жизнедеятельности других. Например, дрожжи сбраживают сахар в этиловый спирт, спирт окисляется уксусно-кислыми бактериями в уксусную кислоту и т. д.
Антагонизм – такое взаимоотношение между микробами, при котором совместное существование микробных видов оказывается невозможным. Явление антагонизма между молочно-кислыми и гнилостными бактериями впервые описал И. И. Мечников в конце XIX в. Дальнейшее изучение антагонизма в жизнедеятельности микроорганизмов привело к открытию антибиотиков – антибактериальных веществ, которые, выделяясь во внешнюю среду, способны подавлять развитие других микробов-конкурентов, т. е. оказывать бактериостатическое действие или вызывать их гибель (бактерицидное действие по отношению к грибам – соответственно фунгистатическое и фунгицидное действие). Антибиотики избирательны по отношению к различным видам микроорганизмов. К пенициллину наиболее чувствительны стрептококки, стафилококки и др. Стрептомицин вызывает гибель туберкулезной палочки, бруцелл, кишечной палочки, сальмонелл.
Антибиотики применяются для борьбы с возбудителями инфекционных болезней. В пищевой промышленности при консервировании сгущенного молока, плавленых сыров и некоторых других продуктов иногда используют низин, а для лучшей сохраняемости мяса, рыбы, птицы – биомицин.
Антибиотические вещества высших растений называются фитонцидами. Особенно много фитонцидов в чесноке, луке, хрене, семенах горчицы. Фитонциды, вызывая гибель многих микроорганизмов, способствуют сохраняемости плодов и овощей в свежем виде.
К антибиотикам животного происхождения относятся лизоцим, который содержится в яйцах, особенно в белке, эритрии, экмолин.
Одним из важных биологических факторов, влияющих на микробы, является бактериофагия.
Бактериофаг – это внутриклеточный паразит микробов (бактериальный вирус). Размножаясь в живой микробной клетке, фаги приводят ее к гибели (лизируют).
Фаги можно обнаружить в загрязненных бактериями водоемах, реках, озерах, сточных водах и др. Их используют в медицине для лечения желудочно-кишечных заболеваний, для определения вида бактерий.
В маточной промышленности и на предприятиях, изготовляющих антибиотики, бактериофаги наносят вред, снижая активность молочно-кислых заквасок и антибиотиков.
