Основы микробиологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Классификация дрожжей

2. Микроскоп, его устройство и основные правила пользования

3. Влияние химических факторов (реакции среды, химических веществ) на развитие микроорганизмов

4. Патогенные микроорганизмы и их биологические особенности. Понятие об инфекции

5. Микрофлора рыбы и рыбных продуктов

Список используемой литературы



1. Классификация дрожжей

Дрожжи - высшие грибы, утратившие способность образовывать мицелий и превратившиеся в результате этого в одноклеточные организмы.

Классифицируют дрожжи по способам их вегетативного размножения (почкование, деление), способности к спорообразованию, а также по физиологическим признакам.

Для пищевой промышленности наибольшее значение имеет род сахаромицес . В этот род входят как природные виды, так и виды, полученные путем селекции. Их называют расами дрожжей. Они различаются способностью сбраживать разные сахара, интенсивностью брожения, количеством образуемого спирта, оптимальной температурой брожения, образованием спор и др.

В пищевой промышленности наиболее широко используют два вида дрожжей рода Saccharomyces: Sacch. cerevisiae и Sacch. ellipsoi-deus, или Sacch. vini.

Сахаромицес церевизиа (Sacch. cerevisiae) имеют круглую или овальную форму клетки. Их используют для получения этилового спирта, а также в пивоварении, квасоварении, хлебопечении. Каждое производство использует свои специфические расы дрожжей, дающие возможность получить конечный продукт с заданными свойствами.

Сахаромицес еллипсоидеус (Sacch. ellipsoideus, или Sacch. vini) имеет клетки эллиптической формы. Этот вид дрожжей используется преимущественно в виноделии. Каждая марка вина производится с использованием специфической расы дрожжей.

Все виды дрожжей рода сахаромицес и некоторые природные дрожжи при спонтанном (самопроизвольном) развитии на пищевых продуктах, содержащих сахар, вызывают их порчу: брожение и прокисание.

Из других родов дрожжей наибольшее значение имеют два: торулопсис (Torulopsis) и кандида (Candida), которые широко распространены в природе, не способны вызвать спиртовое брожение, но вызывают порчу пищевых продуктов, а дрожжи рода кандида имеют к тому же патогенные формы, вызывающие кандидозы слизистой оболочки полости рта, особенно у детей.
Дрожжи рода торулопсис имеют клетки округлой или овальной формы. Эти дрожжи вызывают лишь слабое спиртовое брожение. Отдельные виды этих дрожжей используют при производстве кумыса и кефира. Дрожжи рода Candida имеют клетки вытянутой, цилиндрической формы, иногда образуют примитивный мицелий. Есть виды, которые могут окислять сахар и этиловый спирт в органические кислоты и являются вредителями при производстве вин, пива, пекарских дрожжей. Они вызывают также порчу квашеных овощей, безалкогольных напитков и многих других пищевых продуктов.

Некоторые виды дрожжей рода кандида использовались в животноводстве и птицеводстве для производства кормового белка, богатого витаминами.

В основу классификации дрожжей положена их способность к спорообразованию. По этому признаку дрожжи делят на спорообразующие (или истинные дрожжи) и бесспоровые (или дрожжеподобные).

Исходя из этого, если дрожжи способны размножаться, как почкованием, так и спорообразованием, то дрожжеподобные грибы размножаются только почкованием.

По классификации 1954 года, предложенной Кудрявцевым, и основанной на культурально-биохимических свойствах чистых культур, дрожжи отнесены к классу грибов, образуя в нем порядок одноклеточных грибов. Это значит, что дрожжи - биологически самостоятельная группа простейших одноклеточных немицелиальных грибов, разделенных на три семейства:

1. Saccharomycetaceae - включает 17 родов, размножаются почкованием, способны образовывать аски;

2. Saccharomycodaceae - образуют споры в неблагоприятных условиях, клетки лимоновидной формы, в начале жизненного цикла размножаются почкованием, переходящим в бинарное деление;

3. Schizosaccharomycetaceae - образуют споры в неблагоприятных условиях, клетки палочковидной формы, размножаются бинарным делением.

Аспорогенные дрожжи по систематике отнесены к семейству Criptococcaceae, которое, в свою очередь, включает три подсемейства:

1. Criptococcoideae;

2. Trichosporoideae;

3. Rhodotoruloideae.

Более усовершенствованная классификация, не противоречащая уже приведенной, может быть представлена так:

Дрожжи отнесены к классу Ascomycetes, порядку Endomycetales, семейству Saccharomycetaceae.

Современная классификация дрожжей, основанная на гомологичности нуклеиновых последовательностей ДНК.

В разных определителях объем рода Saccharomyces сильно варьирует. Ван дер Вальт в определителе Лоддер различает 41 вид, среди которых есть диплоидные, гаплоидные и виды. В. И. Кудрявцев включает в род Saccharomyces только диплоидные дрожжи, выделяя гаплоидные виды в Zygosaccharomyces, а виды с автогамным половым процессом - в род Debaryomyces. Н. А. Красильников рассматривает виды, объединенные у Ван дер Вальта в Saccharomyces, в трех родах - Saccharomyces, Zygosaccharomyces и Torulaspora. Такое деление на роды с изменениями в составе видов поддержано в новой систематике. Согласно Д. Ярроу, в роде Saccharomyces оставлено 5 видов с преимущественно диплоидной вегетативной фазой: S. cerevisiae, S. kluyveri, S. exiguus, S. dairensis, S. servazzii. дрожжи микроорганизм биологический

Наиболее важными биохимическими признаками для классификации дрожжей считаются следующие: диссимиляция, ассимиляция и сбраживание углеводов, расщепление гликозидов и жиров, разложение желатины, ассимиляция различных источников углерода, ассимиляция нитратов, образование крахмалистых веществ, эфиров, липидов, кислот, каротиноидных пигментов, витаминов, потребность в ростовых веществах.

Так, например, по способности сбраживать отдельные углеводы, дрожжи делят на 4 бродильных типа:

I тип: мальтоза + сахароза -

II тип: мальтоза + сахароза +

III тип: мальтоза - сахароза +

IV тип: мальтоза - сахароза -

При этом внутри каждого типа выделено несколько подтипов:

I тип: мальтоза + сахароза -

1. Галактоза +

2. Галактоза -

II тип: мальтоза + сахароза +

1. Галактоза +

2. Галактоза -

III тип: мальтоза - сахароза +

1. Галактоза +

2. Галактоза -

3. Лактоза +

4. Лактоза -

IV тип: мальтоза - сахароза -

1. Галактоза +

2. Галактоза -

Такое подразделение носит непосредственное прикладное значение, а не исключительно исследовательское.

Существует, так же, классификация, в основу которой положены физиологические свойства дрожжей. Это касается потребности в витаминах, которые являются одними из наиболее важных биологически активных веществ, причисленных к т.н. «факторам роста».

1 класс: требуется только биотин;

2 класс: требуется биотин и инозит;

3 класс: требуется биотин, инозит и пантотенат;

4 класс: требуется биотин, инозит, пантотенат и пиридоксин;

5 класс: требуется биотин и пантотенат.

Это основные признаки, по которым можно произвести предварительную микробиологическую характеристику различных культур пивоваренных, хлебопекарных и прочих, технологически значимых дрожжей.

Другие возможные характеристики имеют скорее технологическое значение.

Применительно к хлебопекарным и прочим дрожжам, существуют расовые различия, которые включают скорость роста (генеративную активность), устойчивость к технологическим средам, зимазную и мальтазную активность, температурный оптимум и другие свойства.

Так, например, в пивоварении используют два типа брожения - верховое (теплое) и низовое (холодное).

К верховым относят дрожжи Saccharomyces cerevisiae, а к низовым Saccharomyces carlsbergensis (по старой классификации).

Низовые функционируют при 6 - 10^оС, вплоть до 0^оС, а верховые - при 14 - 25^оС. В конце брожения низовые образуют плотный осадок, а верховые - всплывают на поверхность, образуя «шапку».

Причина такого различия в том, что верховые способны образовывать небольшие цепочки, т.к. процесс почкования у них не всегда завершается отделением дочерней клетки. Выделяющиеся при брожении пузырьки газа, к которым клетки имеют повышенное сродство, поднимают такие цепочки на поверхность сусла. Низовые дрожжи отличаются более выраженным межклеточным сродством, поэтому легче отделяются от пузырьков СО₂.

Кроме того, дрожжи подразделяются на пылевидные и хлопьевидные.

Хлопьеобразование или Флокуляция - это специфическое свойство каждого штамма дрожжей, которое передается по наследству и определяет способность этого штамма обратимо агрегировать, или агглютинировать, в различного размера флоккулы, или агломераты.

Это свойство обусловлено наличием на поверхности клеток неких адгезивных структур, обладающих большим или меньшим сродством друг к другу.

С технологической точки зрения, хлопьевидные и пылевидные дрожжи по-разному ведут себя в процессе сбраживания сусла. Чем выше способность к флокуляции, или, чем раньше образуются флоккулы, тем раньше дрожжи выходят из процесса брожения, а значит, тем меньше экстракта сусла они успевают сбродить. Пылевидные же дрожжи, дольше находятся во взвешенном состоянии и поэтому полнее сбраживают сусло. Однако хлопьевидные придают сброженному субстрату больший аромат, вместе с тем, приготовленное пиво обладает меньшей пеностойкостью.

Следует отметить, что агглютинация не только обратимый процесс, но и зависит от многих факторов, таких, как температура, рН, состав среды и других. Все же решающее значение имеют генетические факторы, определяющие строение клеточной оболочки.

И, конечно, именно расовые различия лежат в основе технологических предпочтений, учитывающих некоторые характерные тонкости конечного продукта и определяющих потребительские его свойства. Важным критерием при этом является адаптированность культурных рас к требованиям конкретной технологии и возможным ее изменениям.

2. Микроскоп, его устройство и основные правила пользования

Конструкция микроскопа непосредственно зависит от его назначения. Как Вы уже, наверное, догадались, микроскопы бывают разные, и оптический микроскоп будет значительно отличаться от электронного или рентгеновского. В данной статье будет подробно разбираться строение оптического светового микроскопа, который на данный момент является наиболее популярным выбором любителей и профессионалов, и с помощью которого можно решить множество исследовательских задач.

Оптические микроскопы также имеют свою классификацию и могут различаться по своему строению. Тем не менее, существует основной набор деталей, которые входят в устройство любого оптического микроскопа. Давайте рассмотрим каждую из этих деталей.

В микроскопе можно выделить оптическую и механическую части. Оптика микроскопа включает в себя объективы, окуляры, а также осветительную систему. Штатив, тубус, предметный столик, крепления конденсора и светофильтров, механизмы для регулировки предметного столика и тубусодержателя составляют механическую часть микроскопа.

Начнем, пожалуй, с оптической части.

Окуляр. Та часть оптической системы, которая непосредственно связана с глазами наблюдателя. В простейшем случае объектив состоит из одной линзы. Иногда для большего удобства, или, как принято говорить, "эргономичности", объектив может быть снабжен, например, "наглазником" из резины либо мягкого пластика. В стереоскопических (бинокулярных) микроскопах имеется два окуляра.

Объектив. Едва ли не самая важная часть микроскопа, обеспечивающая основное увеличение. Основной параметр - апертура, о том, что это такое, подробно рассказано в разделе "Основные параметры микроскопов". Объективы делятся на "сухие" и "иммерсионные", ахроматические и апохроматические, и даже в дешевых простых микроскопах представляют собой довольно сложную систему линз. Некоторые микроскопы имеют унифицированные элементы крепления объективов, что позволяет комплектовать прибор в соответствии с задачами и бюджетом потребителя.

Осветитель. Очень часто используется обыкновенное зеркало, позволяющее направлять на исследуемый образец дневной свет. В настоящее время часто применяют специальные галогенные лампы, имеющие спектр, близкий к естественному белому свету и не вызывающие грубых искажений цвета.

Диафрагма. В основном в микроскопах применяют так называемые "ирисовые" диафрагмы, названные так потому, что содержат лепестки, подобные лепесткам цветка ириса. Сдвигая или раздвигая лепестки, можно плавно регулировать силу светового потока, поступающего не исследуемый образец.

Коллектор. С помощью коллектора, расположенного вблизи светового источника, создается световой поток, который заполняет апертуру конденсора.

Конденсор. Данный элемент, представляющий собой собирающую линзу, формирует световой конус, направленный на объект. Интенсивность освещения при этом регулируется диафрагмой. Чаще всего в микроскопах используется стандартный двухлинзовый конденсор Аббе.

Стоит отметить, что в оптическом микроскопе может быть использован один из двух основных способов освещения: освещение проходящего света и освещение отраженного света. В первом случае световой поток проходит через объект, в результате чего формируется изображение. Во втором - свет отражается от поверхности объекта.

Что касается оптической системы в целом, то в зависимости от ее строения принято выделять прямые микроскопы (объективы, насадка, окуляры располагаются над объектом), инвертированные микроскопы (вся оптическая система располагается под объектом), стереоскопические микроскопы (бинокулярные микроскопы, состоящие по сути из двух микроскопов, расположенных под углом друг к другу и формирующие объемное изображение).

Теперь перейдем к механической части микроскопа.

Тубус. Тубус представляет собой трубку, в которую заключается окуляр. Тубус должен быть достаточно прочным, не должен деформироваться, что ухудшит оптические свойства, потому только в самых дешевых моделях тубус делается из пластмассы, чаще же используются алюминий, нержавеющая сталь либо специальные сплавы. Для ликвидации "бликов" тубус внутри, как правило, покрывается черной светопоглощающей краской.

Основание. Обычно выполняется достаточно массивным, из металлического литья, для обеспечения устойчивости микроскопа во время работы. На данном основании крепится тубусодержатель, тубус, держатель конденсора, ручки фокусировки, револьверное устройство и насадка с окулярами.

Револьверная головка для быстрой смены объективов. Как правило, в дешевых моделях, имеющих всего один объектив, этот элемент отсутствует. Наличие револьверной головки позволяет оперативно регулировать увеличение, меняя объективы простым ее поворотом.

Предметный столик, на котором размещают исследуемые образцы. Это либо тонкие срезы на предметных стеклах - для микроскопов, работающих в "проходящем свете", либо объемные объекты для микроскопов "отраженного света".

Крепления, которыми предметные стекла фиксируются на предметном столике.

Винт грубой настройки фокусировки. Позволяет, изменяя расстояние от объектива до исследуемого образца, добиваться наиболее четкого изображения.

Винт точной фокусировки. То же самое, только с меньшим шагом и меньшим "ходом" резьбы для максимально точной регулировки.

Правила пользования микроскопом.

1.Установить микроскоп перед собой.

2. Проверить положение малого объектива.

3. Осветить поле зрения. Для этого берут большим и указательным пальцами обеих рук зеркало и направляют его на источник света так, чтобы поле зрения было ярко и равномерно освещено. Необходимо пользоваться вогнутой поверхностью зеркала.

4. Положить препарат на столик микроскопа вверх покровным стеклом так, чтобы рассматриваемый объект был в центре предметного столика. Укрепить препарат зажимом.

5. Чтобы найти изображение при малом увеличении, необходимо при помощи макровинта под контролем глаза изменить положение тубуса до появления изображения (учитывая, что фокусное расстояние объектива малого увеличения равно 0,9 см).

6. При переводе на большое увеличение левой рукой зафиксировать ножку штатива, правой необходимо слегка поднять тубус, на 1-2 мм, поворачивая макровинт на себя, затем большой и указательный пальцы правой руки перенести на оба объектива и повернуть револьвер по ходу часовой стрелки до ощущения щелчка. При помощи макровинта под контролем глаза медленно опустить тубус до появления четкого изображения.

7. При исследовании препарата под большим увеличением работать микровинтом, вращая его на себя и от себя не больше, чем на пол- оборота, что позволяет изучить глубину препарата.

8. Чтобы снять препарат, необходимо перевести микроскоп на малое увеличение, для этого, не поднимая тубуса, левой рукой зафиксировать ножку микроскопа, а правой повернуть револьвер по кратчайшему расстоянию на малое увеличение до появления щелчка. Затем, придерживая препарат левой рукой, а правой - отведя зажим скользящим движением вперед, снять препарат с предметного столика.

9. Привести микроскоп в исходное положение.

3. Влияние химических факторов (реакции среды) химических веществ на развитие микроорганизмов

Химическая природа веществ и концентрация их в питательной среде оказывают исключительно большое влияние на жизнедеятельность микробов, определяя, в конечном счете качественное распределение микроорганизмов в природе и направленность возбуждаемых ими биохимических процессов. Особенно большое влияние на развитие микроорганизмов оказывает реакция среды (pH), ее окислительно-восстановительный потенциал и наличие в среде ядов и стимуляторов.

Реакция среды

Реакция среды, т.е. степень ее кислотности или щелочности, имеет важное значение в жизни микробной клетки. Наиболее активно воздействуют на микроорганизмы водородные и гидроксильные ионы, на которые диссоциируют кислоты и щелочи в растворе.

Реакцию среды принято характеризовать водородным показателем - pH. Водородный показатель равен отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода в растворе, выраженной в грамм-ионах на литр. В нейтральной среде концентрация ионов водорода равна 10-7 г-ион/л (Сн = 10-7).

Чем выше кислотность среды, тем больше концентрация ионов водорода в растворе, но тем ниже водородный показатель, и наоборот. Значения pH в пределах от 1 до 7 будут, таким образом, характеризовать кислые среды. При этом чем меньше будет значение pH, тем кислее будет среда. Значения pH от 7 до 14 указывают на щелочную реакцию. Развитие того или иного микроорганизма возможно только в строго определенных границах pH.

Концентрация ионов водорода в питательном субстрате зависит от содержания в нем тех или иных кислот (щелочей), от их концентрации, температуры, наличия в субстрате буферных веществ. Буферные вещества - белки, пептоны и некоторые другие вещества коллоидной природы - оказывают своеобразное защитное действие, предотвращая резкое изменение pH среды. Изменение же pH в сторону повышения или понижения его от уровня, необходимого для микробов, угнетающим образом влияет на проявление их жизнедеятельности. Это объясняется тем, что ионы водорода оказывают на микробов определенное действие - как прямое, так и косвенное.

Прямое действие ионов водорода связано с непосредственным их влиянием на электрический заряд коллоидов цитоплазменной оболочки микробной клетки. Каждая микробная клетка имеет свою внутриклеточную реакцию, которая определяет электрический заряд на поверхности оболочки клетки. Между поверхностью клеток и субстратом возникает определенная разность потенциалов. Положительно заряженные ионы водорода притягиваются к отрицательно заряженной поверхности микробных клеток. Концентрирование ионов водорода вокруг клетки обусловит заметную разницу в pH в отдельных частях среды. Добавление к среде кислоты или щелочи неизбежно вызовет перераспределение зарядов у поверхности микробных клеток, а при большом скачке pH может даже вызвать изменение знака заряда поверхности клетки. Это в свою очередь вызовет изменение проницаемости клеточной оболочки для различных молекул и ионов питательного субстрата, нарушит нормальный процесс обмена веществ.

Косвенное влияние ионов водорода связано с их воздействием на компоненты среды и определяет степень диссоциации последних. В кислой среде белки диссоциируют по типу оснований, а в щелочной среде у них преобладает кислотная диссоциация. При низком pH слабые кислоты почти не диссоциируют, а при высоком pH их диссоциация усиливается и пр. Изменение степени диссоциации питательных веществ неизбежно повлечет за собой новую возможность проникновения их внутрь микробной клетки. Таким образом, как при прямом, так и при косвенном воздействии ионов водорода нарушается привычный обмен веществ микробных клеток, изменяется их физиологическая активность.

Различные микроорганизмы по отношению к реакции среды резко отличаются друг от друга. Для одних микробов пределы колебания pH, в которых возможна их жизнедеятельность, довольно узки; другие же микробы сравнительно легко переносят как подкисленные, так и щелочные среды. В качестве общего правила можно отметить, что для большинства бактерий наиболее благоприятной средой является нейтральная или слабощелочная, а для дрожжей и плесеней - слабокислая.

Существует целый ряд микроорганизмов, способных регулировать pH среды в соответствии со своими потребностями. Дрожжи, например, при pH 3,5-4,5 в качестве нормальных основных продуктов брожения вырабатывают спирт и углекислый газ. В нейтральной же или слабощелочной среде, при pH 7,5, в бродящей жидкости начинает накапливаться уксусная кислота и глицерин, а выход спирта снижается. Под влиянием реакции субстрата физиологическая деятельность дрожжей изменяется: они начинают вырабатывать уксусную кислоту, снижающую pH.

Проявляют способность к регулированию pH среды также плесени, молочнокислые бактерии, уробактерии. Однако масштаб этого регулирования у микроорганизмов сравнительно невелик. Диапазон колебания pH не превышает нескольких единиц, а за пределами этих величин микроорганизмы становятся недеятельными и очень скоро погибают.

Кислая реакция среды оказывает летальное действие на кишечную палочку и паратифозные бактерии, которые имеют нижний предел pH 4,5. При pH 3,5 они погибают в течение нескольких часов. Вегетативные клетки микробов под влиянием высокой кислотности погибают быстрее, чем споры.

В процессе жизнедеятельности различные микроорганизмы выделяют в качестве продуктов обмена различные кислоты. Уксуснокислые бактерии образуют уксусную кислоту, молочнокислые - молочную, пропионовокислые бактерии - пропионовую и пр. По мере развития данного микроорганизма в среде будет накапливаться образуемая микробом кислота и реакция среды будет меняться. Изменение реакции субстрата обусловливает смену одних микроорганизмов другими. Например, при квашении овощей (капусты, огурцов, томатов и пр.) в первую очередь происходит развитие молочнокислых бактерий, сбраживающих содержащийся в соке этих овощей сахар до молочной кислоты. Накопление молочной кислоты препятствует развитию гнилостных микробов, но не влияет на развитие плесневых и дрожжевых грибов. При доступе воздуха к поверхности рассола на квашеном продукте начинает развиваться молочная плесень Oidium lactis, потребляющая молочную кислоту. pH среды при этом постепенно повышается, пока не достигнет уровня, подходящего для гнилостных микроорганизмов. Беспрепятственное развитие последних может привести к полной порче квашеного продукта.

Неодинаковое отношение отдельных групп микроорганизмов к реакции среды является одним из факторов, определяющих распространение микробов в природе. В почве, водоемах, на пищевых продуктах, в средах, даже сходных по химическому составу, но различающихся степенью кислотности (или щелочности), естественно, будет содержаться различная по своему составу микрофлора. В лабораторной практике для выращивания отдельных видов микроорганизмов приготовляются питательные среды с оптимальными для данных микробов значениями pH.

В заключение необходимо отметить, что угнетающее действие кислой среды зависит не только от величины pH, но и от природы кислоты, взятой для создания этой реакции. У минеральных кислот токсическое действие в основном связано с их степенью диссоциации. Токсичность же органических кислот не пропорциональна их степени диссоциации, а связана с ядовитым действием недиссоциированных молекул или анионов. В табл. 2 приведены пределы колебаний концентрации водородных ионов (выраженные в pH), определяющие возможность развития некоторых микробов.

Угнетающее действие кислой реакции среды на гнилостные микроорганизмы положено в основу таких методов консервирования, как квашение и маринование. В квашеных продуктах консервантом является молочная кислота, возникающая в результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий, развивающихся в заквашиваемых продуктах. В квашениях накапливается до 1-2% молочной кислоты. Молочнокислые бактерии образуют ее из сахаров, содержащихся в растительном сырье.

Маринованные продукты в отличие от квашеных содержат уксусную кислоту, которую вводят искусственно согласно рецептуре до 1,8%. При мариновании продукты заливают раствором уксусной кислоты или натуральным винным уксусом, добавляют соль, сахар и различные пряности (специи). Исследованиями установлено, что уксусная кислота является лучшим консервантом по сравнению с молочной кислотой, так как она более токсична, чем молочная, для бактерий, дрожжей и плесеней.

Однако при неправильном хранении как маринады, так и квашеные продукты подвержены порче. Как уксусная, так и молочная кислота в аэробных условиях хранения (при доступе воздуха) потребляются микроорганизмами, переносящими повышенную кислотность: плесневыми грибами, молочной плесенью, микодермой. Снижение кислотности обусловит возможность развития гнилостных микроорганизмов, и маринады и квашения будут испорчены. Чтобы маринады сохранялись дольше, часто маринование сочетают с тепловой стерилизацией. Кроме того, маринады и квашеные продукты нужно хранить в герметически закрытой таре при пониженной температуре.

Жизнедеятельность микроорганизмов находится также в прямой зависимости и от окислительно-восстановительных условий в среде. Окислительные и восстановительные реакции в среде протекают одновременно, при этом одни вещества окисляются (теряют электроны), другие восстанавливаются (приобретают электроны).

Окислительно-восстановительные условия в среде характеризуются окислительно-восстановительным потенциалом (ОВ-потенциалом или Eh-потенциалом). Величина ОВ-потенциала служит мерой интенсивности процесса окисления-восстановления, протекающего в данном субстрате, и определенным образом характеризует степень его аэрации. Измеряют ОВ-потенциал с помощью потенциометров и выражают в вольтах или милливольтах. Однако более удобным явилось выражение ОВ-потенциала в виде символа rH2. Подобно pH символ rH2 представляет собой отрицательный десятичный логарифм давления газообразного водорода (в атмосферах), наблюдающегося в растворе окислительно-восстановительной системы.

Величина rH2 колеблется от 0 до 41. Так как rH2 представляет собой отрицательный логарифм концентрации молекулярного водорода в растворе, то чем меньше его числовое выражение, тем больше концентрация водорода в среде и тем сильнее в ней выражены восстановительные или анаэробные условия. Чем выше значение rH2, тем больше насыщение среды кислородом.

Различные микроорганизмы могут развиваться в определенных границах ОВ-потенциала. Регулируя окислительно-восстановительные условия среды, можно резко изменять интенсивность развития микроорганизмов и их биохимическую активность. Например, добавляя к среде вещества, снижающие ОВ-потенциал, можно получить рост анаэробов в присутствии воздуха и, наоборот, повышая rH2, можно выращивать аэробов в анаэробных условиях и т.д.

Таким образом, изменяя реакцию среды и ее ОВ-потенциал, когда этого требуют интересы производства, можно регулировать жизнедеятельность микробов, изменять ход биохимических процессов, способствовать развитию полезных и подавлять развитие нежелательных микроорганизмов.

Влияние ядов

Губительным действием на микроорганизмы обладают многие химические вещества. Еще в 1865 г. знаменитый русский врач Н. И. Пирогов для борьбы с нагноением ран использовал хлорную воду, азотнокислое серебро, йод и некоторые другие вещества. В 1887 г. применил химическое обеззараживание при хирургических операциях английский хирург Джозеф Листер. С тех пор ядовитые химические вещества, вызывающие гибель микробов, получили название дезинфицирующих (des - французская приставка, означающая уничтожение, inficere - по-латыни заражение, зараза) или антисептических (от греческого anti против, sepsis - гниение; дословно противогнилостный).

Дезинфицирующими веществами являются: из неорганических соединений - соли тяжелых металлов (ртути, меди и особенно серебра), многие окислители (хлор, озон, йод, перекись водорода, хлорная известь, перманганат калия), щелочи и кислоты (едкий натр, сернистая кислота, фтористоводородная кислота, борная кислота), некоторые газы (сероводород, СO2, угарный газ, сернистый газ); из органических соединений сильными бактерицидными свойствами обладают спирты, фенолы, альдегиды (особенно формальдегид).

Интенсивность действия антисептика зависит от его химической природы, примененной концентрации, от условий среды (величины pH, ее химического состава, температуры и пр.), от вида уничтожаемых микроорганизмов. Как правило, летальное действие оказывают высокие дозы большинства антисептиков. Сублетальные количества дезинфицирующего вещества (близкие к смертельным) являются одним из факторов изменчивости, а микродозы - в некоторых случаях могут явиться даже стимуляторами роста микробов.

К различным антисептикам один и тот же микроорганизм проявляет различную степень устойчивости. Одни антисептики действуют на микробов очень сильно, вызывая их почти моментальную гибель. Другой же антисептик на данного микроба может не оказать никакого влияния. Такое различие объясняется неодинаковым механизмом действия антисептиков. В зависимости от химической природы антисептического вещества происходят те или иные изменения в цитоплазме живой клетки. Возможно, например, образование нерастворимых в воде альбуминатов и быстрое свертывание живого белка. Такое воздействие оказывают соли тяжелых металлов. Кислоты и щелочи вызывают гидролиз белковых молекул до пептонов, аминокислот. Окислители вызывают окисление белка и его полное разрушение. Альдегиды (в частности, формальдегид) образуют с аминокислотами белка прочные соединения. Эфир, алкоголь, слабые растворы щелочей вызывают растворение жироподобных (липоидных) веществ, входящих в состав тела микроба. Возможно действие антисептиков и на другие компоненты цитоплазмы микробной клетки: инактивирование ферментов, разрушение витаминов, ростовых веществ, выведение из сферы биохимических реакций промежуточных продуктов обмена (антикатализ). В любом случае разрушение тонкой структуры цитоплазмы, нарушение нормального течения жизненных процессов вызывает гибель микробной клетки.

Наблюдается неодинаковое действие одного и того же антисептика на различные виды микроорганизмов. Даже различные штаммы одного и того же вида микроба обнаруживают различную устойчивость к действию одного и того же антисептика. Эту разницу объясняют неодинаковой химической структурой микроорганизмов. Грамотрицательные микробы, например, менее чувствительны к анилиновым краскам, чем грамположительные. И это является важным диагностическим признаком.

Дезинфицирующие вещества значительно сильнее действуют на вегетативные клетки микробов и гораздо слабее на споры. Высокая устойчивость спор к ядам может быть объяснена малой проницаемостью их наружной оболочки и является свидетельством того, что причина ядовитого действия антисептика связана с его влиянием на физиологическое состояние цитоплазмы микробной клетки. Однако в качестве исключения следует отметить малую чувствительность к химическим веществам туберкулезной палочки, содержащей в цитоплазме жировосковые вещества, и довольно высокую устойчивость к фенолу некоторых ацидофильных бактерий.

Уже указывалось, что бактерицидное действие антисептика (активность антисептика) зависит от его концентрации. При одинаковой степени разведения двух разных бактерицидных веществ токсичность их может быть совершенно различной. Не менее важным фактором активности антисептиков является температура и pH среды. Как правило, с повышением температуры токсичность антисептика возрастает. Температура в данном случае влияет не только на активность самого антисептика, но и на микроорганизмы. При температурах, превышающих максимум для роста микробов, даже незначительные количества антисептиков могут вызвать сильное летальное действие.

Аналогичное влияние оказывает и pH среды. В кислых средах резко возрастает активность бензойной, салициловой и сернистой кислот. Например, для подавления прорастания спор Bac. fulvus при pH 3,0 достаточно 0,001% сернистого ангидрида, а при Ph 5,0 того же эффекта удается достичь только при концентрации SO2 0,024%.

Разнообразие химических и биологических свойств ядовитых для микробов веществ позволяет использовать их на практике для различных целей. Соли тяжелых металлов - ртути, серебра, меди, свинца и пр. - применяются в качестве дезинфицирующих растворов. Чаще всего применяют растворы двухлористой ртути (сулемы) - HgCl2 с концентрациями 0,1-0,2% (разведение 1:1000 и 1:500).

Азотнокислое серебро и коллоидные растворы серебра (например, колларгол) применяются в качестве фармацевтических препаратов для борьбы с возбудителями септических инфекций. Действие серебра на микроорганизмы весьма специфично. Так, в воде, находящейся в контакте с металлическим серебром, в которой обычными методами нельзя обнаружить даже следов растворившегося металла, микроорганизмы погибают довольно быстро. Такое действие серебра называется олигодинамическим (от греческого oligos - малый, dynamis - сила; дословно «действующее весьма малым»), Олигодинамическое действие проявляют ионы и некоторых других металлов золота, меди, цинка. Однако эта способность у них проявляется значительно слабее, чем у ионов серебра. Посеребренные материалы - вата, марля и пр. - находят некоторое применение в медицине. Олигодинамическое действие серебра пытались использовать для обеззараживания питьевой воды. Были даже предложены методы дезинфицирования воды с помощью посеребренных фильтров. Однако они оказались малоэффективными и распространения не получили.

Из окислителей в целях дезинфекции широко используется хлор, йод, перекись водорода, озон, марганцовокислый калий. Хлорирование питьевых вод с целью их обеззараживания в настоящее время применяется повсеместно. Доза хлора, используемая в практике для дезинфекции 1 л водопроводной воды, равна 0,3-1 мг активного хлора (в зависимости от мутности воды и количества содержащихся в воде микробов). На консервных заводах вошло в обиход дезинфицирование хлорной водой оборотной стеклянной тары, а также оборудования и инвентаря после мойки, что дает очень хорошие результаты.

1-2%-ная перекись водорода, оказывающая очень быстрое и сильное летальное действие на стафилококков и стрептококков, широко используется в медицине при обработке гнойных ран. Для промывания инфицированных ран и в виде полосканий применяется раствор марганцовокислого калия (KMnO4), оказывающий на микробов летальное действие уже в концентрациях 1:1000 и 1:500.

Очень большую чувствительность микробы проявляют к металлическому йоду, к растворам йода в спирте («йодная настойка»), йодоформу. Широкое применение в медицине получили и органические красители - метиленовая синь, бриллиантовая зелень, малахитовая зелень и др. Избирательная бактерицидность этих красителей оказалась настолько высокой, что их используют в качестве радикально действующих лечебных препаратов при некоторых заболеваниях.

Самое разнообразное применение имеет формалин. Его 4%-ный раствор с успехом заменяет растворы сулемы и фенола (карболовой кислоты). Формалин летуч, и это является его большим преимуществом по сравнению с сулемой и фенолом.

Спирты, особенно этиловый, оказывают губительное действие на многие микроорганизмы, причем разбавленный, 50%-ный, спирт более активен, чем концентрированный, 96%-ный. Малая эффективность 96%-ного спирта может быть объяснена возможной коагуляцией поверхностных слоев оболочек микробных клеток или белковых веществ среды, обволакивающих поверхность клетки. Сквозь образовавшийся уплотненный слой скоагулированных белков проникновение внутрь клетки новых молекул спирта становится затруднительным. Разбавленные же растворы спирта, не вызывающие свертывания белков, значительно быстрее и легче проникают внутрь цитоплазмы клетки и оказывают свое губительное действие.

Ядовитыми для микроорганизмов оказываются и их же собственные продукты жизнедеятельности, а также некоторые продукты обмена, выделяемые другими микробами.

Молочная кислота, образуемая молочнокислыми бактериями при квашении овощей и при получении кисломолочных продуктов оказывает неблагоприятное действие на гнилостных бактерий уже при концентрации 0,3-0,5%. В количестве 1-2% она прекращает жизнедеятельность и самих молочнокислых бактерий.

Использование антисептиков в качестве консервантов пищевых продуктов санитарным законодательством СССР строго нормируется, так как большинство антисептиков ядовито не только для микробов, но и для человека. Совершенно неприемлемы для консервирования пищевых продуктов сулема, фенол, бром, йод, мышьяк, соли меди.

Идеальные консерванты пищевых продуктов должны обладать высокой бактерицидностью и быстротой действия - при малых концентрациях, но в короткий срок убивать самых стойких микробов. И в то же время они должны быть совершенно безвредными для человека или по крайней мере малоядовитыми, или легко удаляться из продукта перед употреблением его в пищу. Антисептики должны быть устойчивыми к различным условиям среды, не разрушать металл, краски, ткани, дерево, быть безопасными в пожарном отношении и дешевыми, не должны изменять ни цвета, ни запаха, ни вкуса консервируемого продукта, т.е. не должны вызывать каких-либо побочных явлений, затрудняющих их применение. Но ни один из существующих антисептиков не отвечает этим требованиям и имеет те или иные недостатки.

Более всего удовлетворяют указанным требованиям озон и перекись водорода. После воздействия на микрофлору они разрушаются, не оставляя вредных веществ в продукте. Но так как стойкость их незначительна, а действие кратковременное, требующее многократного повторения, то в консервной промышленности до настоящего времени они использовались мало. Лишь в последние годы стали применять озонирование при хранении яиц, свежих плодов и ягод (земляники, малины, винограда). При температуре -0,6°С и 90% относительной влажности воздуха при содержании в воздухе хранилища 0,00006% озона можно сохранять яйца в течение 8 месяцев, причем по истечении этого срока они по свежести не уступают тем, которые хранились всего несколько дней. При большой обсемененности поверхности продуктов микробами приходится, однако, применять более высокую концентрацию озона. Неприемлемым оказался озон при хранении мяса, колбасных изделий, сливок, яичного порошка, сливочного масла: как сильный окислитель, он обусловливает прогоркание этих продуктов. Не предотвращает озон и загнивания цитрусовых плодов.

Более широкое применение в консервной промышленности получили сернистый ангидрид, бензойная кислота, бензойнокислый натр, уксусная кислота, борная кислота, винный спирт, а в последнее время сорбиновая кислота.

Консервирующее действие сернистого ангидрида проявляется в концентрации 0,1-0,2%, бензойной кислоты - при 0,5%, бензойнокислого натра - при 0,1%. Эти антисептики гораздо сильнее действуют в кислой среде. Их «абсолютная активность» зависит от числа недиссоциированных молекул. Чем ниже pH среды, тем менее диссоциированными являются эти антисептики, а следовательно, их бактерицидное действие будет более сильным. Консервирование сернистым ангидридом широко применяется при переработке плодов и ягод. Однако получаемые сульфитированные продукты используются только как полуфабрикаты: сернистый ангидрид обладает резким запахом, сильно действует на дыхательные органы и должен быть удален из полуфабрикатов при дальнейшей технологической обработке. Допустимое содержание сернистого ангидрида в готовом продукте не более 0,02% (200 мг на 1 л, в том числе 20 мг свободного).

Вступая во взаимодействие с органическими соединениями среды (например, с сахаром, альдегидами и другими компонентами фруктового сока), сернистый ангидрид образует менее токсичные или инертные соединения, обладающие значительно меньшим консервирующим действием, чем свободная его форма (титруемая йодом). Так как в среде устанавливается подвижное равновесие между связанным в соединения и растворенным в воде (свободным) SO2, то по мере улетучивания из продукта свободного SO2, связанные формы распадаются, восполняя происшедшую убыль и обусловливая более продолжительное действие консерванта.

Бензойная кислота C6H5COOH и бензойнокислый натр C6H5COONa применяются для консервирования мяса, молока, икры, яблочного пюре и прочих продуктов. Борная кислота H3BO3 и бура Na2B4O7-10H2O в концентрации 0,3% применяются для сохранения зернистой икры. Соли азотной кислоты (нитраты) в концентрации 0,5% добавляются в рассол при посоле мяса. В кислой среде нитраты предотвращают прорастание спор Clostridium sporogenes.

Уксусная кислота CH3COOH в количестве не более 1,8% используется при мариновании плодов и овощей. Так как консервирующее действие уксусной кислоты связано с повышением активной кислотности среды, а споры многих микроорганизмов в таких условиях не погибают, маринование необходимо сочетать с другими методами консервирования - тепловой стерилизацией, хранением при низких температурах.

Винный спирт C2H5OH при добавлении его в количестве 25-30% об. (25-30°) применяется для сохранения плодово-ягодных соков и целых плодов. Полученные спиртованные полуфабрикаты служат для выработки различных ликеро-водочных изделий.

При складском хранении многих пищевых продуктов, плодов, овощей в последние годы стали использовать углекислый газ. В малых дозах CO2 необходим для микроорганизмов и действует, по-видимому, как стимулятор роста. Его угнетающее действие на протекание жизненных процессов начинает проявляться лишь при довольно высоких концентрациях.

Чувствительность к CO2 у различных микробов варьирует в очень широких пределах. Так, прорастание спор плесеней задерживается при содержании в воздухе 4% CO2; при 20%-ном содержании углекислоты скорость роста микроорганизмов составляет 1/2-1/5 по сравнению с хранением в воздушной среде, причем торможение роста тем сильнее, чем ниже температура в хранилище. Однако существуют и такие микроорганизмы, которые продолжают расти даже при концентрации CO2 60-80% (Ф. М. Чистяков). В частности, очень стойкой к действию CO2 оказалась палочка протея. Опытами многих исследователей, в частности работами Я. Я. Никитинского с сотрудниками, установлено, что углекислый газ с успехом можно использовать при хранении и перевозках скоропортящихся продуктов (мяса, битой птицы, рыбы горячего копчения, вареных колбас и пр.) при одновременном их охлаждении. Оптимальная концентрация CO2 при этом 10%. В таких условиях продукты не подвергаются микробиальной порче 60-70 дней. Более высокие концентрации углекислого газа в воздухе хранилищ применять не рекомендуется, так как ухудшаются товарные качества мяса (оно теряет цвет). Еще лучше, чем мясо, в атмосфере CO2 сохраняются плоды (яблоки, груши и пр.). В хранилищах при концентрации CO2 в воздухе 10% и одновременном охлаждении плоды сохраняются вдвое дольше и лучше, чем при хранении их в обычных холодильниках.

Исследованиями последних лет установлено бактерицидное действие некоторых эфирных масел, смол и дубильных веществ. Антисептические свойства пряностей легко могут быть объяснены бактерицидностью содержащихся в них эфирных масел.

Попутно отметим очень древний способ консервирования - копчение. Коптильный дым оказывает резко выраженное консервирующее действие, так как в его состав входят формальдегид, фенол, крезол, ароматические смолы, алифатические кислоты. При холодном копчении используют лишь бактерицидные свойства указанных веществ. При горячем копчении происходит и одновременное подсушивание поверхности продукта. Копчение производят после предварительного посола, используя в качестве консерванта еще и соль. Это необходимо, так как в глубь продукта компоненты коптильного дыма (а также применяемых «коптильных жидкостей») проникают с трудом и не оказывают должного бактерицидного влияния на попадающие в глубину продукта микроорганизмы - возбудители порчи, такие, как, например, Proteus vulgaris и некоторые другие. Эти микроорганизмы, даже после довольно длительного пребывания в латентном 1 состоянии в копченых продуктах (если еще продукт содержит много влаги, например, продукты горячего копчения), могут вызвать очень быструю их порчу.

Сравнительно недавно в практике консервирования пищевых продуктов стали применять сорбиновую кислоту. Сорбиновая кислота (1,3-пентадиен-однокарбоновая кислота CH3-CH=CH-CH=CH-COOH), введенная в организм человека, в процессе обмена веществ превращается в соответствующую кетонокислоту, а затем в воду и CO2 так же и с той же скоростью, что и капроновая кислота, являющаяся нормальной составной частью жира молока. Таким образом, в небольших дозах сорбиновая кислота не вредна для здоровья человека. Ее токсичность гораздо меньше, чем у бензойнокислого натра или SO2.

В дозах, соответствующих органолептическим требованиям, сорбиновая кислота угнетает развитие дрожжей и плесеней, но мало влияет на бактерии. Поэтому ее можно использовать в тех случаях, когда необходимо подавить развитие дрожжей и плесеней, т.е. при изготовлении плодовых компотов, соков, маринадов и т.п. Опытами, проведенными сотрудниками ВНИИКОПа и МНИИППа, установлено, что добавление в виноградный сок-полуфабрикат 0,06% сорбиновой кислоты позволяет значительно упростить его технологию (исключить длительное выдерживание в танках или бутылях); сок при этом превосходно сохраняется длительное время (до 10 месяцев) без изменений в аромате и вкусе. 0,05% сорбиновой кислоты достаточно для торможения роста плесеней на сыре.

Следует отметить, что у микроорганизмов наблюдается привыкание к тому или иному антисептическому веществу. Если выращивать микроорганизмы на средах с постепенно увеличивающимися дозами антисептиков, можно получить культуры, выдерживающие очень высокие токсические дозы. Таким образом, например, в виноделии получают селекционированные дрожжи, приученные к сернистому ангидриду.

В некоторых зарубежных странах в качестве антисептиков при консервировании пищевых продуктов используют фтористоводородную кислоту и ее соли, формальдегид, муравьиную и салициловую кислоты. В СССР применение этих веществ запрещено, так как все они ядовиты для человека и вызывают тяжелые заболевания почек или желудочно-кишечного тракта.

Кроме медицины, ветеринарии, пищевой промышленности, используют антисептики и другие отрасли промышленности. В строительные материалы - клей, масляные краски, в различные вещества, используемые при отделке тканей и пряжи (в так называемые аппреты), вводят соли меди, цинка, борную и салициловую кислоты и их соли для предохранения этих материалов от микробиальной порчи при длительном хранении. Фтористыми соединениями, производными фенола, крезолом пропитывают брезент, рыболовные снасти, древесину.

Таким образом, подробное изучение влияния различных химических веществ на микроорганизмы имеет большое практическое значение и обусловлено запросами практики: необходимостью изыскания новых лекарственных веществ, новых средств для дезинфекции, для предохранения продуктов от порчи их микробами сохранения материалов .

4. Патогенные микроорганизмы и их биологические особенности. Понятие об инфекции

Патогенными называют те микробы, которые имеют способность провоцировать развитие какого-либо заболевания в организме человека или животного. Все они делятся на группы по различным признакам, но имеют и общие качества. Свойства патогенных микроорганизмов достаточно хорошо изучены, и ими обладают все без исключения болезнетворные микробы.

Микроорганизмы способные вызвать заболевание людей, животных и растений, называют патогенными, или болезнетворными. Патогенные микроорганизмы характеризуются специфичностью: каждый их вид способен вызвать только определённую болезнь с характерными для неё симптомами и особенностями течения. Большинство патогенных микроорганизмов относится к микробам-паразитам, важнейшей особенностью которых является способность вырабатывать особые вещества - токсины, многие из которых обладают исключительно высокой ядовитостью, значительно превосходящей силу химических ядов. Некоторые микроорганизмы выделяют насколько токсинов. Патогенность микробов, т.е. их потенциальная способность при соответствующих условиях оказывать болезнетворное действие на макроорганизмы ,может проявляться в разной степени. Степень патогенности микроорганизма принято называть вирулентностью. Вирулентность микробов может усиливаться или ослабевать.

Патогенные микробы вырабатывают токсины двух видов: экзотоксины и эндотоксины .

Экзотоксины относятся к веществам белковой природы и выделяются при жизни микроорганизмов в окружающую среду. Они отличаются специфичностью, т.е. поражают преимущественно определённые органы и ткани, причём действие их сопровождается проявлением характерных внешних признаков болезни. Экзотоксины относительно малоустойчивы к высоким температурам :большинство их при кипячении разрушается ;при нагревание до 70-80 °С значительно снижает их токсичность. Эти токсины обладают более высокой ядовитостью, чем эндотоксины. Некоторые из них получены в кристаллическом виде.

Эндотоксины при жизни микроорганизма не выделяются в окружающую среду и освобождаются только после его гибели и разрушения (автолиза) клетки. Они имеют более сложный химический состав ,содержат полисахариды и липопротеиды. Эндотоксины не обладают специфичностью; воздействие на организм эндотоксинов различных микробов проявляется сходными симптомами. Эндотоксины более термоустойчивы, чем экзотоксины. Они выдерживают нагревание до 80-100 °С, а некоторые и выше.

Патогенные микроорганизмы передаются здоровому человеку через почву, воздух, воду, предметы, пищу, а так же насекомых и грызунов. В продукты питания патогенные микроорганизмы проникают так же от заражённых людей и животных.

В борьбе с патогенными микробами действуют защитные силы человека, которые зависят от его общего состояния здоровья, поэтому проявления и продолжительность болезни бывают различными.

...