Wpływ czynników fizycznych i chemicznych na drobnoustroje

1. Wpływ czynników fizycznych

-promieniowania elektromagnetycznego, jonizującego, UV

-temperatury

-wysuszenia

-ciśnienia osmotycznego, hydrostatycznego, mechanicznego

-napięcia powierzchniowego

-ultradźwięków

2. Wpływ czynników chemicznych

-soli

-alkoholi

-mydeł i detergentów

-pH- jonów wodorowych

-barwników

-metali ciężkich

-chemioterapeutyków i antybiotyków

-potencjału oksydo-redukcyjnego

Drobnoustroje są w znacznym stopniu uzależnione od środowiska z powodu swojej dużej powierzchni przylegania do środowiska i stosunkowo małej elastyczności związanej z wewnątrzkomórkowym metabolizmem. Te cechy oraz możliwość tworzenia przetrwalników i umiejętność przemieszczania się w odpowiedzi na bodziec charakteryzują stosunek bakterii do środowiska. Wpływ czynników fizycznych i chemicznych zależy od ich natężenia i czasu działania, gatunku drobnoustroju. Wyróżniamy działania statyczne (bakterio i grzybo)- hamujące namnażanie drobnoustrojów oraz zabójcze, nieodwracalne, prowadzące do utraty możliwości wzrostu, namnażania się a w konsekwencji do śmierci.

Wpływ czynników fizycznych

Promieniowania elektromagnetycznego

Promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje promieniowanie kosmiczne, X- rentgena (Röntgena), gamma, ultrafiolet, widzialną część widma słonecznego, podczerwień, mikrofale, fale radiowe ultrakrótkie, średnie i długie. Promieniowanie może być selektywnie pochłaniane przez komórki bakterii, a jego energia powoduje wzbudzenie zawartych w nich związków chemicznych (kwasów nukleinowych i białek) i przemieszczanie się elektronów na wyższy poziom energetyczny. Energia promieniowania przekształcona w energię kinetyczną aktywuje cząstki ułatwiając przekształcenia chemiczne które powodują mutacje komórek lub nawet śmierć bakterii. Efekt mutagenny obserwujemy przy niższym stężeniu promieniowania, efekt letalny zaś przy stężeniu wysokim.

Światło widzialne wywiera słaby wpływ na bakterie. Polega on na fotodynamicznym uczulaniu komórek przez niektóre związki chemiczne obecne w środowisku wzrostu lub wewnątrz komórek. Substancje te w obecności światła uczulają komórki zwiększając ich wrażliwość na zabójcze działanie części widzialnej widma słonecznego (fotosensytyzacja). Wykazują je barwniki- (błękit metylenowy, eozyna, safranina, akrydyna) dodane do środowiska bakterii lub związki chemiczne o charakterze barwników występujące w komórce. Bakterie fotosyntezujące, halofile oraz drobnoustroje występujące w powietrzu wytwarzają barwniki o charakterze karotenoidów, łatwo ulegające reakcjom redoks. Ich obecność chroni pozostałe składniki komórki przed nieodwracalną fotooksydacją.

Promieniowania UV i jonizującego

Występują one w środowisku w ilościach pozwalających na zdecydowany wpływ na

rozwój drobnoustrojów. Ma ono charakter mutagenny. Może ono również skutkować efektem letalnym. Stosuje się je podczas dezynfekcji i sterylizacji.

Wrażliwsze na UV są zasady pirymidynowe (10 razy). Promieniowanie o długości fali 260 nm- są pochłaniane przez kwasy nukleinowe, a 280 nm przez białka. Bakterie mogą chronić się przed promieniowaniem. Prominiowanie powoduje powstawanie w DNA dimerów T-T, T-C, C-C. Przy 280 nm powstają w DNA wiązania krzyżowe pomiędzy nićmi, lub pomiędzy nićmi a białkiem. Komórki bakterii naprawiają uszkodzenia poprzez:

-fotoreperację światło o długości fali320-370 nm- św. żółte indukuje powstawanie enzymu naprawczego (rozbija dimery).

-reperacja ciemna egzo- i endonukleazy wycinają uszkodzone nici DNA, syntezują natomiast ligazy- przyłączają one dobre nici DNA na zasadzie komplementarności.

-naprawa poreplikacyjna, postreplikacyjna- fragmenty uszkodzone są pomijane w czasie replikacji.

Temperatury

Drobnoustroje wzrastają w temperaturach 0-100^oC. Izolowane są z zimnych mórz, gorących źródeł. Stosunek drobnoustroju do temperatury określają jej trzy wartości, temperatury kardynalne: minimalna, optymalna i maksymalna. Temperatura minimalna to taka poniżej której drobnoustroje nie rosną, optymalna warunkuje największy przyrost bakterii a maksymalna o taka powyżej której drobnoustroje nie rosną. Podział bakterii: termofile 40-100^oC, mezofile 20-40^oC, psychrofile 0-20^oC.

Psychrofile- zimnolubne. Wykryto je w słonych nie zamarzających wodach. Za psychrofile uważa się bakterie wytwarzające kolonie na podłożu stałym w temperaturze 0^oC w ciągu dwóch tygodni. Psychrofile bezwzględne to takie które rosną w temperaturze poniżej 20^oC. Bakterie psychrotrofowe, są zdolne do wzrostu w bardzo niskich temperaturach, nie tworzą one jednak kolonii w temperaturze 0^oC w ciągu dwóch tygodni. Do psychrofili należą głównie g-. Występują tu np. szczepy: Pseudomonas, Micrococcus, Streptococcus, Lactobacillus, Bacillus, Clostridium, grzyby: Candida, Thorulopsis, glony: rosnące na śniegu lub w głębinach morskich. Szczególne enzymy tych drobnoustrojów działają prawidłowo w niskich temperaturach, inaktywują się natomiast w 30-40^oC. Dotyczy to również transportu przez błonę komórkową- najwydajniejszy w niskich temperaturach. W błonie cytoplazmatycznej psychrofili nienasycone kwasy tłuszczowe występują w większej ilości.

Mezofile- wzrastają w temperaturze umiarkowanej. Optimum wzrostu o 20-40^oC, minimum to 10-20^oC, maksimum to 40-45^oC. Wśród nich występują saprofity, gatunki chorobotwórcze (temperatura ciała: człowieka 36,6^o C, pies 37,5^oC - 38,5^o C ^o, kot 38^oC - 39^oC. optymalna temperatura ich wzrostu odpowiada temperaturze ciała organizmów wyższych.

Termofile- żyją w środowiskach ciepłych i gorących. 45-50^oC do 70^oC to temperatura optymalna dla ich wzrostu, temperatura minimalna to 25-45^oC, maksymalna natomiast to 70-80^oC, wyizolowano je nawet z gorących źródeł Yellowstown z 98^oC (bakterie białe, lub żółte, wykorzystują związki siarki jako źródło energii). Można je znaleźć w kompoście, nawozie organicznym, glebie i sianie. Dzielimy je na: stenotermofile- rosnące tylko powyżej 60^oC; euritermofile mogące rosnąć w 60^oC i 30^oC. Można tu wyróżnić bakterie gatunki bezwzględnie termofilne (nie rosnące poniżej 40-42^oC), względnie termofilne wyrastające również w 30^oC oraz termotolerancyjne znoszące temperaturę 45-50^oC. Bakterie mogą też rosnąć w temperaturze powyżej 100^oC (gorące prądy oceaniczne na głębokości 1800-3700 m gdzie ciśnienie przewyższa 1 atm. Metannogenne archebakterie wzrastają w 110^oC, a w 105^oC Pyrodictium. Bakterie te nazywane są hipertermofilami. Większość bakterii ciepłolubnych jest g+, głównie przetrwalnikujące. Przynależność systematyczna termofili jest różna: należą tu Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, promieniowce, bakterie zielone, niektóre bakterie siarkowe, niektóre Streptococcus, Sarcina. Bakterie Thermoplasma sp. rosną w skrajnych środowiskach pH 1-2, opt. temperatura 59^oC, nie wytwarzają ściany komórkowej. Warstwę zewnętrzną tych bakterii stanowi lipoglikan oraz glikoproteina z mannozą. Są one wbudowane w błonę, a ich części cukrowe zlokalizowane są na zewnątrz błony i tworzą glikokaliks. Termofile wytwarzają na powierzchni warstwę S zbudowana z białek, składających się z aminokwasów kwaśnych i hydrofobowych., bez aminokwasów siarkowych. Białka te mogą być glikolizowane. Glikoproteina warstwy S tych bakterii składa się z dwóch rodzajów łańcuchów cukrowych- jeden zbudowany z reszt ramnozy, drugi podjednostki tetra sacharydowe. Błony komórkowe termofili zawierają lipidy o wyższej temperaturze topnienia, więcej kwasów tłuszczowych nasyconych oraz o rozgałęzionych łańcuchach. Występuje tu również dużo fosfolipidów i karotenoidów. Oporność termofili może być wrodzona ponieważ zawierają one ciepłooporne enzymy np. katalazę, stabilizowana substancjami niskocząsteczkowymi. Ciepłooporne są również rybosomy, RNA.

Zarówno wysoka jak i niska temperatura wpływa na wzrost drobnoustrojów. Wysoka temperatura denaturuje- ścina białka enzymatyczne i uszkadza błonę cytoplazmatyczną, kwasy nukleinowe bakterii. RNA jest wrażliwsze na temperaturę niż DNA. Najbardziej oporne są przetrwalniki bakterii. Efekt ochronny wobec wysokiej temperatury wykazują również cukry, tłuszcze, białka, działanie zabójcze lub statyczne wzmaga pH- powyżej i poniżej obojętnego. Wrażliwość drobnoustrojów na wysoką temperaturę określają punkt śmierci cieplnej- temperatura zabijająca drobnoustroje w ciągu 10 minut, oraz czas śmierci cieplnej- okres niezbędny do zabicia drobnoustrojów w określonej temperaturze na pożywce o ustalonym składzie. Czynnikiem zabijającym bakterie jest też niska temperatura. Bakterie schładzane do 0^oC nie giną zahamowują one jednak podziały komórkowe, bakterie giną poniżej 0^oC, przyczyną śmierci są tu uszkodzenia mechaniczne powstałe poprzez wytwarzanie się w komórkach kryształków lodu. Drobnoustroje gwałtownie zamrożone (ciekłym azotem -190^oC, lub w mieszaninie CO₂ z alkoholem etylowym- suchy lód 74-76^oC) nie giną, po powolnym odmrożeniu odżywają. Jest to sposób na przechowywanie drobnoustrojów. Liofilizacja to również przykład zamrażania drobnoustrojów.

Wysuszenia

Woda jest bezwzględnie potrzebna podczas prawidłowego rozwoju drobnoustrojów. Wilgotność poniżej 30% hamuje wzrost drobnoustrojów- bakterii, u grzybów poniżej 15%. Najwrażliwsze są krętki, g-, zarazki rzeżączki; g+ mają grubą ścianę komórkową i są bardziej odporne, najbardziej odporne są Mycobacterium (posiadają ścianę złożoną z lipidów). Formy wydłużone wysychają szybciej. Przetrwalniki oraz bakterie z otoczkami są również bardziej odporne na wysychanie. Dostępność wody oraz przejawianie funkcji życiowych to aktywność wodna (wyraża ona stosunek prężności pary wodnej nad roztworem do prężności pary wodnej nad czystą wodą. Jest to odpowiednik wilgotności względnej (oznaczana w środowisku gazowym). Zmiana aktywności wodnej 0-1 odpowiada zmianie wilgotności względnej powietrza 0-100%. Drobnoustroje namnażają gdy aktywność wodna wynosi 0,95-0,99, dla niektórych drobnoustrojów może ona również wynosić 0,60. Drobnoustroje wymagające do wzrostu mniejszych ilości wody nazywane są osmofilnymi/kserofilnymi. Aktywność wodną można obniżyć poprzez dodanie do środowiska NaCl, sacharozy, glukozy, glicerolu, lub na drodze fizycznej poprzez odwodnienie. Proces wysychania prowadzi do denaturacji białek w cytoplazmie.

Ciśnienia osmotycznego

Optymalne warunki osmotyczne to 0,85% NaCl. W środowisku naturalnym gdzie stężenie substancji na zewnątrz komórki jest niższe niż wewnątrz co ułatwia przechodzenie wody do komórek, proces ten zrównoważa parcie ściany komórkowej. W warunkach hipertonicznych (ciśnienie wyższe niż innego r-ru przenikającego te samą błonę) zachodzi zjawisko palmolizy (kurczenie się protoplastu), w hipotonicznych (ciśnienie niższe niż innej substancji przenikającej tę samą błonę) plazmoptyzy (rozkurczanie protoplastu). Bakterie osmofilne wykazują zdolność do wzrostu na podłożach z dużym stężeniem sacharozy. Bakterie rosnące na podłożach zawierających 10% NaCl nazywamy halofilami. S.aureus rośnie na podłożu z 7% NaCl , duże stężenie NaCl mogą znieść również bakterie mlekowe, paciorkowce kałowe, oraz drożdże.

Ciśnienie mechaniczne

Bakterie przetrwalnikujące są oporne na ten rodzaj ciśnienia. Przetrwalniki g+ i g- nie giną przy ciśnieniu 5000 atm. Bardzo odporne są na nie również endospory, nie tracą one zdolności do kiełkowania po działaniu ciśnienia 20 000 atm. Podobne właściwości wykazują enzymy i toksyny pochodzenia bakteryjnego. Izoluje się w ten sposób składniki ściany komórkowej, enzymy, toksyny z zamrożonych komórek za pomocą pras X (badania cytologiczne i biochemiczne).

Ciśnienie hydrostatyczne

Wysokie ciśnienie hydrostatyczne do 1150 atm na głębokości 8 km występuje w głębinie oceanów (Rów Filipiński, Rów Mariański). Takie warunki hamują wzrost drobnoustrojów. Bakterie mogą jednak występować w takich warunkach, takie bakterie nazywamy barofilami. Dzielimy je na barofile prawdziwe- niezdolne do wzrostu w niższym ciśnieniu hydrostatycznym oraz na bakterie barotolerancyjne które można hodować w warunkach normalnych. Mikroorganizmy te mogą rosnąć jedynie w warunkach bogatych w substancje odżywcze, wykryto również szczepy oligotroficzne. Barofile trudno jest hodować w warunkach laboratoryjnych. Stwierdzono jednak iż struktura membrany komórkowej, transkrypcja i translacja, aktywność enzymów zależą u nich od wysokiego ciśnienia.

Napięcia powierzchniowego

Napięcie powierzchniowe jest to siła utrzymująca dana ilość płynu na określonej

powierzchni. Związki obniżające napięcie powierzchniowe wpływają na wzrost drobnoustrojów w hodowlach płynnych lub w środowisku naturalnym gdzie rosną na powierzchniach pokrytych cienka warstwą cieczy. Napięcie powierzchniowe pożywek mikrobiologicznych wynosi ok. 60 dyn/cm² (Dyna (dyn) - jednostka siły, jednostka pochodna w układzie miar CGS. Jest to siła nadająca ciału o masie 1 grama przyspieszenie równe 1 cm/s²), można je zwiększyć poprzez dodanie do podłoża chlorku wapnia lub węgla drzewnego, lub tez zmniejszyć poprzez uzupełnienie składu podłoża alkoholem etylowym (20 dyn/cm²), glicerolem, żółcią czy związkami powierzchniowo czynnymi (detergenty, mydła). Bacillus np. rosnący w postaci błonki po dodaniu do pożywki środków obniżających napięcie powierzchniowe rośnie w całej objętości pożywki. Wzrost powierzchniowy wykazują drobnoustroje zawierające na swojej powierzchni dużo lipidów (np. prątki gruźlicy), bakterie hodowane na podłożach wzbogaconych węglowodanami, lub glicerolem . Rosną one w postaci błonki utrzymywanej przez siły napięcia powierzchniowego. Czynniki obniżające napięcie dodane do hodowli w większych ilościach zaburzają podział komórek, co prowadzi do powstania wydłużonych form komórek lub rozgałęzionych a także zahamowania wzrostu. Substancje obniżające napięcie dzielimy na anionowe, kationowe i niejonowe. Anionowe to mydła, siarczan dodecylu sodu SDS) działa bójczo na g+; kationowe zaś na g-. Substancje niejonowe np. Tween 80, nie działają na bakterie szkodliwe i są stosowane do uzyskiwania rozproszonego, jednorodnego wzrostu drobnoustrojów na pożywkach płynnych. Związki powierzchniowo czynne kationowe stosuje się jako czynniki dezynfekujące. Działanie powierzchniowo czynne wykazują również niektóre antybiotyki np. nystatyna.

Ultradźwięków

Fale ultradźwiękowe powyżej 20 000Hz/s wytwarzane w generatorach, silnie oddziałują za bakterie, zwłaszcza na młode bakterie. G- są bardziej podatne na ultradźwięki, związane jest to z budową ściany komórkowej. Silnie oporne są przetrwalniki bakterii. Ultradźwięki działają na zasadzie kawitacji- rozrywania komórek od wewnątrz na skutek wytworzenia w nich pęcherzyków gazu. Ultradźwięków używa się do rozbijania komórek drobnoustrojów- sonikacja i izolacji z nich antygenów, enzymów i toksyn. Służą do tego specjalne urządzenia dezintegratory ultradźwiękowe- sonikatory o bardzo wysokiej częstotliwości i mocy, jak również łaźnie ultradźwiękowe wykorzystywane do rozrywania krwinek, komórek drożdży, oraz do otrzymywania homogennych zawiesin trudno rozpuszczalnych związków chemicznych (lipidów, lipo polisacharydów) i otrzymywania liposomów.

Potencjału oksydo-redukcyjnego

Potencjał redoks (Eh) danego układu określa jego zdolność do oddawania lub przyjmowania elektronów, towarzysząca reakcjom utleniania jednego i redukcji drugiego składnika układu. Hodowle laboratoryjne i środowiska naturalne ze swobodnym dostępem tlenu posiadają dużą wartość Eh. W warunkach utrudnionej wymiany powietrza wartość Eh spada. Eh ogólnie stosowanych podłoży o pH 7 wynosi +0,2 do +0,4 Volt. Drobnoustroje w trakcie wzrostu zużywają tlen i obniżają Eh. Pod względem zapotrzebowania na tlen bakterie dzielimy na: aeroby- tlenowce Eh +0,2 do +0,4, względne beztlenowce- mikroaerofile obniżone jak również dodatnie Eh, beztlenowce- anaeroby Eh poniżej -0,2 V. Aeroby to np. Bacillus, Pseudomonas, drobnoustroje chemosyntezujące. Mikroaerofile to bakterie, grzyby i drożdże np. bakterie mlekowe, E.coli, Shigella, Salmonella. Bezwzględne beztlenowce to Clostridium- laseczki przetrwalnikujące oraz Bacteroides- pałeczki g-.

Wpływ czynników chemicznych

Soli

Wysokie stężenie określonych anionów i kationów w środowisku jest coraz powszechniejsze (zanieczyszczenia). Sole mineralne- źródło jonów - obecne w środowisku w dużych ilościach są dla drobnoustrojów szkodliwe. Metale o niskim ciężarze cząsteczkowym są mniej toksyczne od metali ciężkich. Kationy dwuwarościowe są bardziej toksyczne niż jednowartościowe. Najbardziej toksyczne aniony to Cr₂O^2-₇, JO^-₄, najmniej zaś SO^2-₄, S₂O^2-₃ i PO^-₃. Wśród kationów najmniej toksyczne są Na⁺, K⁺, NH⁺₄, najbardziej zaś szkodliwe są metale ciężkie: Hg (rtęć), Cd, Pb. Działanie tych jonów zależy od obecności w środowisku innych substancji. Najsilniejsze ich działanie obserwujemy w środowisku ubogim w substancje odżywcze, zwłaszcza w białka. Antagonizm jonowy to znoszenie toksycznego działania jednych soli przez inne (np. N.meningitidis ginie w środowisku 0,85% NaCl, a po dodaniuCaCl₂ lub KCl nie obserwuje się toksycznego działania NaCl). Zjawisko odwrotne to wzmaganie toksyczności mieszanin soli , które pojedynczo wykazują słaby efekt (np. FeCl₂ + FeCl₃, SnCl₂ + Sn Cl₄). Metale ciężkie działają przez błonę cytoplazmatyczną, a także wiążą i inaktywują enzymy drobnoustrojów.

Alkoholi

Alkohol wpływa na bakterie zabójczo, niszczy on ich ścianę komórkową.

Alkohole denaturują białka. Uwodnione alkohole działają silniej (optymalne stężenie 70%). Ich aktywność zmienia się wraz z długością łańcucha węglowego:

1-5 C- rośnie; 5-11 C- maleje, a powyżej 11 węgli nie stosuje się takich alkoholi ponieważ źle się rozpuszczają.

Mydeł i detergentów

Czynniki obniżające napięcie dodane do hodowli w większych ilościach zaburzają podział komórek, co prowadzi do powstania wydłużonych form komórek lub rozgałęzionych a także zahamowania wzrostu. Substancje obniżające napięcie dzielimy na anionowe, kationowe i niejonowe. Anionowe to mydła, siarczan dodecylu sodu SDS) działa bójczo na g+; kationowe zaś na g-. Substancje niejonowe np. Tween 80, nie działają na bakterie szkodliwe i są stosowane do uzyskiwania rozproszonego, jednorodnego wzrostu drobnoustrojów na pożywkach płynnych. Związki powierzchniowo czynne kationowe stosuje się jako czynniki dezynfekujące. Działanie powierzchniowo czynne wykazują również niektóre antybiotyki np. nystatyna.

Chemioterapeutyków i antybiotyków

Chemioterapeutyki (nie są to antybiotyki) zwalczają zakażenia ponieważ posiadają zdolność do łączenia się z drobnoustrojami nie działając jednocześnie szkodliwie na gospodarza. Przykładami chemioterapeutyków są salwarsan, neosalwarsan, nie działają one jednak obojętnie na drobnoustroje. Sulfonamidy skutecznie zwalczają drobnoustroje, nie działają szkodliwie na gospodarza. Przykładami są sulfonamidochryzoidyna, oraz sulfonamid. Związki te konkurują o miejsce w kwasie foliowym z podobnym do nich strukturalnie kwasem paraaminobenzoesowym (PABA). Związki takie nazywamy antymetabolitami, hamującymi wzrost komórki (działanie bakteriostatyczne). Bakterie uodporniają się na sulfonamidy. Jest to spowodowane mutacjami. Mutanty oporne są selekcjonowane przez sulfonamidy, mogą namnażać się w ich obecności, natomiast wzrost komórek wrażliwych jest hamowany.

Chemioterapeutyki to również leki prątkostatyczne (tuberkulastatyki). Kwas p-aminosalicylowy (PAS). Blokuje on syntezę kwasu foliowego. Hydrazyd kwasu izonikotynowego (INH) włączany jest przez bakterie zamiast kwasu nikotynowego do cząsteczki NAD. Pochodnymi INH są ethionamid, oraz ethambutol.

Współcześnie stosowane są również syntetyczne leki przeciwbakteryjne o charakterze antymetabolitów (Negram, Naftydyna, Trimetoprim).

Antybiotyki to niskocząsteczkowe substancje, wytwarzane przez drobnoustroje (promieniowce, inne bakterie, grzyby) działające przeciwko drobnoustrojom. Powstają one jako produkty metabolizmu wtórnego. Działają one bójczo i statycznie w niskich stężeniach. Pierwszym wykrytym antybiotykiem była penicylina.

β-laktamy np. penicyliny, wytwarzane są przez grzyby Penicililum, Cephalosporium i zawierają pierścień β-laktamowy. Penicyliny wytwarza Penicillium chrysogenum. Głównym składnikiem penicyliny naturalnej jest kwas 6-aminipenicylinowy do którego przyłączone są łańcuchy boczne. Syntetyczna penicylina to kwas 6-aminopenicylinowy podstawiony syntetycznymi fragmentami. Penicyliny działają zabójczo na g+ przemieszczając się przez warstwy peptydoglikanu i wiążą się z białkami wiążącymi penicylinę obecnymi w błonie komórkowej. Penicylina wiążę się z tymi białkami unieczynniając ich aktywność enzymatyczną. Skutkuje to zahamowaniem syntezy peptydoglikanu przez zablokowanie transpeptydacji (krzyżowego wiązania reszt Ala z aminokwasem drugiej cząsteczki mureiny). β-laktamy to cefalosporyny, cefamycyny. β-laktamy nowej gen generacji to penem, karbapenem.

Aminoglikozydy przykładem jest tu streptomycyna działająca na prątki gruźlicy. Wytwarzają je promieniowce (g+ bakterie), lub grzyby i działają bójczo na g+ i g-. Hamują one translację poprzez łączenie się z małą podjednostką rybosomu.

Tetracykliny wytwarzane są przez promieniowce i charakteryzują się dużą rozpiętością działania na g+ i g-, riketsje (g - bakterie, pasożyty wewnętrzne ludzi i zwierząt) oraz pierwotniaki. Tetracykliny niszczą wiązania aminoacylo-tRNA w rybosomie.

Makrolidy wytwarzają je promieniowce, składają się z pierścienia laktamowego do którego przyłączone są wiązaniem aminoglikozydowym reszty aminocukrów. Dzielimy je na antybiotyki przeciwbakteryjne np. erytromycyna, oraz makrolidy przeciwgrzybowe i przeciwpierwotniakowe np. nystatyna. Erytromycyna hamuje syntezę białka łącząc się z większą podjednostką rybosomy.

Antybiotyki peptydowe wytwarzają je niektóre laseczki oraz promieniowce. Przykładami są tyrotrycyna, kolistyna, wankomycyna, nizyna, oraz polimyksyna B.

Oporność drobnoustrojów na antybiotyki

Oporność dzielimy na wrodzoną, będącą cechą wrodzoną danego gatunku, szczepu lub też grupy bakterii do konkretnego antybiotyku lub zespołu antybiotyków. Oporność nabyta to pojawia się po pewnym czasie stosowania antybiotyków wobec bakterii. Oporność jest następstwem mutacji oraz przenoszenia cech warunkujących te właściwości do innych bakterii. Mutacje są przyczyną oporności na dany antybiotyk i pojawiają się w populacji bakteryjnej z częstotliwością 10^-6-10^-10. Zastosowany antybiotyk selekcjonuje mutanty zabijając lub hamując wzrost form wrażliwych, przeżywają wyłącznie niewrażliwe mutanty. Mutacje skutkujące opornością na antybiotyk zachodzą w genach chromosomalnych lub plazmidowych bakterii i dlatego rozróżniamy oporność chromosomową i plazmidową. Plazmidy R (plazmidy lekooporności) na których zlokalizowane są geny warunkujące oporność na antybiotyki. Plazmid NR1 nosi geny oporności na sulfonamidy, antybiotyki amino glikozydowe, chloramfenikol i kwas fusydowy ora tetracykliny. Plazmid ten zawiera region RTF odpowiedzialny za jego replikację i przenoszenie na drodze koniugacji. RTF to czynnik przenoszący oporność zawiera geny Ori T (początek przenoszenia, geny tra- kontrola przenoszenia, geny rep- kontrola replikacji oraz ori- początek replikacji). Plazmidy R mogą występować w komórkach w postaci pojedynczej lub kilku kopii. Nie wszystkie plazmidy są przenoszone bakterii na bakterie na drodze koniugacji. Plazmidy niekoniugacyjne mogą przedostawać się do innych bakterii poprzez transformację lub transdukcję jak również poprzez inne plazmidy koniugacyjne. Genom bakterii zawiera ruchome elementy genetyczne- ruchome określone sekwencje DNA w plazmidach lub nukleoidzie, są to transpozony i sekwencje inercyjne. Transpozycje- przenoszenie tych elementów DNA są również odpowiedzialne za rozpowszechnianie oporności na leki antybakteryjne. Najczęściej występuje transpozon Tn3- determinuje on oporność na ampicylinę. Transpozony przenoszone są wraz z genami warunkującymi oporność również pomiędzy gatunkami i rodzajami bakterii (transpozon Tn916 zawiera geny oporności na tetracykliny jest przenoszony nie tylko w obrębie enterokoków ale również Streptococcus, Bacillusm Clostridium itd. Oporność na działanie penicyliny jest wynikiem wytwarzania przez bakterie penicylinazy. Oporność ta polega na wytwarzaniu przez g+ i g- β-laktamaz, enzymów hydrolizujących pierścień β-laktamowy penicylin i cefalosporyn. Oporność naturalna determinują β-laktamazy chromosomowe, konstytutywne (E.coli, Shigella wytwarzane w sposób ciągły) lub indukcyjne (u g-) pojawiające się w obecności antybiotyku. Niewrażliwość na antybiotyki β-laktamowe może być również związana z wytwarzaniem przez bakterie zmodyfikowanych białek wiążących penicylinazę (PBP). Białka zmienione mają zmniejszone powinowactwo do penicyliny co skutkuje uzyskaniem przez bakterie oporności na ten antybiotyk. W tym przypadku oporność na penicylinę narasta stopniowo poprzez gromadzenie się w genoforze mutacji punktowych, prowadzących do zmiany poszczególnych PBP (zmiana w czterech białkach PBP 1A, 1B, 2 i 3- pełna oporność). Oporność na β-laktamazy na również związek ze zmianami w przepuszczalności błony zewnętrznej, prowadzącymi do ograniczenia transportu antybiotyku do cytoplazmy. Zmiany te są przyczyną wielorakiej oporności na leki, ponieważ uszczelnienie błony zewnętrznej bakterii powoduje pojawienie się oporności na kilka antybiotyków. (występuje to np. u Salmonella, Shigella, Enterobacter, Klebsiella oraz E.coli jak również u g+).

Oporność na antybiotyki aminoglikozydowe oraz inne interferujące z syntezą białek bakterii warunkowana jest zmianami w obrębie ich rybosomów, działaniami enzymów rozkładających antybiotyk lub modyfikujących jego strukturę lub też zmniejszeniem przepuszczalności ściany komórkowej i błony komórkowej bakterii.

pH

Wyróżnić możemy tu trzy przedziały minimum, optimum, oraz maksimum. Większość drobnoustrojów rozwija się dobrze przy pH obojętnym- neutrofile. Drobnoustroje rosnące przy niskim pH kwasolubnymi- acidofile, natomiast rosnące w pH zasadowym nazywane są alkalifilnymi- zasadolubnymi. Drobnoustroje kwasolubne to drożdże i grzyby, bakterie siarkowe. Mogą one rosnąć przy pH 2-3, a znoszą pH poniżej 1. Drobnoustroje zasadolubne dobrze rosną na pożywkach minimalnych zawierających jony NH+₄ nawet w pH 8,0 a tolerują pH ok. 10-Nitrosomonas utlenia amoniak do azotynów, Nitrobacter zaś korzysta z jonów NO^-₂ i utlenia je do NO^-_3.

Barwników

Barwniki z grupy trifenylometanu (zieleń brylantowa, zieleń malachitowa i fiolet krystaliczny) działają na bakterie g+, hamując ich wzrost w rozcieńczeniach 1: 75 000, 1: 100 000. Ich działaniu towarzyszy powstawanie pseudozasady o dużej litofilności, ułatwia to penetracje barwnika przez błonę komórkową oraz reakcję z kwasami nukleinowymi. Fiolet krystaliczny jest inhibitorem biosyntezy ściany komórkowej. Barwniki z grupy trójfenylometanu stosowane są podczas zakażeń ran oraz skóry. Barwniki akrydynowe (akryflawina, aminakryna, proflawina) działają na g+ i na g-. Hamują one syntezę DNA poprzez wbudowywanie się (interkalacja) między sąsiednie zasady nici DNA, co prowadzi do ich rozsunięcia i zaburzenia replikacji DNA. Związki te są również mutagenami.

Metali ciężkich

Pierwszą osobą która zauważyła negatywny wpływ srebra w dużych ilościach na drobnoustroje. Wykazał on że 1 część srebra na 100 mln. Części wody zabija glony z rodzaju Spirogira. Nazwał on to działanie oligodynamicznym. Inne metale ciężkie wykazują podobne działanie na drobnoustroje. Naukowcy stwierdzili iż zbiorniki zrobione z miedzi, cynku czy niklu są nieodpowiednie do trzymania próbek wody morskiej przeznaczonych do badań bakteriologicznych. Większość bakterii szybko ginęła dzięki oligodynamicznemu działaniu metali ciężkich. Czysty metal nie działa oligodynamicznie, działa on w ten sposób dopiero po utworzeniu tlenków na jego powierzchni. Zostają wtedy zaktywowane jony metalu. Chcąc wykazać oligodynamiczne działanie trzeba dany metal najpierw zanurzyć w kwasie.

Wysokie stężenie określonych anionów i kationów w środowisku jest coraz powszechniejsze (zanieczyszczenia). Sole mineralne- źródło jonów - obecne w środowisku w dużych ilościach są dla drobnoustrojów szkodliwe. Metale o niskim ciężarze cząsteczkowym są mniej toksyczne od metali ciężkich. Kationy dwuwartościowe są bardziej toksyczne niż jednowartościowe. Najbardziej toksyczne aniony to Cr₂O^2-₇, JO^-₄, najmniej zaś SO^2-₄, S₂O^2-₃ i PO^-₃. Wśród kationów najmniej toksyczne są Na⁺, K⁺, NH⁺₄, najbardziej zaś szkodliwe są metale ciężkie: Hg, Cd, Pb. Działanie tych jonów zależy od obecności w środowisku innych substancji. Najsilniejsze ich działanie obserwujemy w środowisku ubogim w substancje odżywcze, zwłaszcza w białka. Antagonizm jonowy to znoszenie toksycznego działania jednych soli przez inne (np. N.meningitidis ginie w środowisku 0,85% NaCl, a po dodaniuCaCl₂ lub KCl nie obserwuje się toksycznego działania NaCl). Zjawisko odwrotne to wzmaganie toksyczności mieszanin soli , które pojedynczo wykazują słaby efekt (np. FeCl₂ + FeCl₃, SnCl₂ + Sn Cl₄). Metale ciężkie działają przez błonę cytoplazmatyczną, a także wiążą i inaktywują enzymy drobnoustrojów.

Złoto i srebro również działają na bakterie niekorzystnie. Metale ciężkie inaktywują enzymy, uszkadzają błonę cytoplazmatyczną. Powoduje to śmierć bakterii. Bakterie redukują metale np. Hg²⁺ na Hg⁰ która jest wydalana, dzieje się to na powierzchni błony cytoplazmatycznej. Oporność bakterii warunkują geny z plazmidów, geny mogą metylować Hg, Ar (argon).

Fitoncydy

Substancje lotne lub ciekłe o działaniu bakteriobójczym, grzybobójczym i pierwotniakobójczym dlatego też wykorzystywane w lecznictwie np.: aliofil. Wytwarzają je rośliny wyższe. Występują m.in. w czosnku, cebuli i chrzanie.

Fitonydy stanowią mieszaninę lotnych związków pochodzenia roślinnego, działają one silnie bakteriobójczo. Wydzielane są one przez czosnek, cebula, chrzan. Czosnek zawiera alliinę która po zgnieceniu rośliny przy udziale enzymu alliinazy rozpada się z wydzieleniem allicyny o silnym zapachu i działaniu bakteriobójczym wobec g+ i g-, przeciwgrzybicznym i antywirusowym. Cebula zawiera pochodne siarkowe uwalniane podczas krojenia działające bakteriobójczo. Ponadto cebula podrażnia błony śluzowe górnych dróg oddechowych zwiększając wydzielanie śluzu oraz ruchy nabłonka rzęskowego co również przyczynia się do zahamowania chorobowych nieżytów. Chrzan zawiera z kolei glikozyd siarko cyjanowy- sinigrynę, hydrolizowaną enzymatycznie do glukozy i izosiarkocyjanianu alkilu, który wraz z innymi związkami działa bakteriobójczo i przeciwreumatycznie.

1

---