WPŁYW CZYNNIKÓW FIZYCZNYCH I CHEMICZNYCH NA DROBNOUSTROJE

Istotny wpływ czynników zewnętrznych na drobnoustroje i ich wzajemne oddziaływanie, ponieważ:

• duża powierzchnia drobnoustrojów w stosunku do masy

• niewielka „elastyczność” wewnątrzkomórkowych układów regulacyjnych metabolizmu

• zdolność do wytwarzania przetrwalników

• możliwość przemieszczania się w odpowiedzi na bodziec zewnętrzny

Efekt działania czynników zewnętrznych na drobnoustroje zależy od:

• natężenia

• czasu działania

• gatunku (a nawet szczepu) drobnoustrojów

Rodzaje oddziaływania czynników zewnętrznych na drobnoustroje:

• statyczne - hamujące namnażanie się drobnoustrojów

• zabójcze (nieodwracalne) - prowadzące do utraty zdolności wzrostu, namnażanie się i śmierci

1.Woda - wysuszenie:

• wilgotność poniżej 30% zawartości wody w środowisku hamuje wzrost bakterii (wzrost grzybów ustaje przy zawartości wody poniżej 15%)

• najbardziej wrażliwe są: krętki, zarazki rzeżączki, pałeczki grypowe, pałeczki Gram-ujemne)

• bakterie Gram-dodatnie są mniej wrażliwe od bakterii Gram-ujemnych

• najbardziej odporne SA bakterie z rodzaju Mycobacterium - posiadają ścianę komórkową zbudowana z wielu warstw lipidów lub ich pochodnych

• formy kuliste wysychają później niż formy wydłużone

• endo- i egzospory, zarodniki glonów i grzybów SA bardziej odporne niż formy wegetatywne

• otoczki zwiększają odporność na wysychanie

• aktywność wodna - stosunek prężności pary wodnej nad roztworem do prężności pary wodnej na czystą wodą. Jest odpowiednikiem wilgotności względnej oznaczanej w środowisku gazowym => zmiana aktywności wodnej od 0 do 1 odpowiada zmianie wilgotności względnej powietrza od 0 do 100%. Najlepszy zakres do namnażania się drobnoustrojów to 0,95-0,99 (minimum to nawet 0,60).

drobnoustroje osmofilne (kserofilne) - mogą wyrastać

w środowisku o obniżonej aktywności wodnej

• wysychanie prowadzi do denaturacji białek w cytoplazmie

• liofilizacja- proces wysuszania ze stanu zamrożenia; nie zabija wszystkich drobnoustrojów; duże zastosowanie w konserwacji żywności i przechowalnictwie drobnoustrojów

2.Temperatura:

• szybkość reakcji metabolicznych wzrasta 2-3 razy przy podniesieniu temp. o 10°C

• obniżenie temp. do 0°C zwalnia reakcje metaboliczne i hamuje podziały komórkowe, a obniżenie poniżej 0°C prowadzi do śmierci komórki, na skutek powstawania w niej kryształków lodu

• bakterie poddane gwałtownemu schłodzeniu (w temp. ciekłego azotu lub mieszaninie CO₂ z etanolem) nie giną => po ponownych odmrożeniu odżywają i przeprowadzają normalne procesy życiowe

• zbyt duża temp. powoduje:

• denaturację białek enzymatycznych

• uszkodzenie błony cytoplazmatycznej

• uszkodzenie kwasów nukleinowych (bardziej wrażliwe jest RNA niż DNA)

• odporne na działanie wysokich temperatur są endospory => zawieraja enzymy ciepłoodporne występujące w kompleksach z peptydami, jonami Ca²⁺ i kwasem dipikolinowym^:

• racemaza alaninowa

• katalaza

• efekt ochronny wobec działania wysokiej temperatury wykazują:

• cukry

• tłuszcze

• białka

• punkt śmierci cieplnej - temperatura zabijająca drobnoustroje w ciągu 10 minut

• czas śmierci cieplnej - okres potrzebny do zabicia drobnoustrojów w określonej temperaturze, na pożywce o ustalonym składzie

Temperatury kardynalne
Minimalna	Optymalna	Maksymalna
poniżej temp. minimalnej wzrost bakterii ulega całkowitemu zahamowaniu, a inne procesy metaboliczne znacznemu zwolnieniu	drobnoustroje rozmnażają się najszybciej. Optymalna temperatura wzrostu często nie pokrywa się z optymalną temp. przebiegu różnych procesów metabolicznych	Powyżej temp. max. Drobnoustroje przestają rosnąć i rozmnażać się. Zwolnieniu ulega aktywność enzymów

Podział bakterii ze względu na różnice w temp. kardynalnych:

• psychrofile - zimnolubne

• mezofile - rosnące w średnich temperaturach

• termofile - ciepłolubne

	Środowisko występowania	Cechy charakterystyczne	Adaptacja	Przykłady
Psychrofile	Chłodne i zimne; zimne źródła, osady głębokich jezior, dna mórz i oceanów, szczyty wysokich gór	Zdolne do wzrostu w temperaturze 0°C - wytwarzają kolonie na podłożu stałym w ciągu 2 tygodni w temp. 0°C. Psychrofile bezwzględne - zdolne do wzrostu w temp. nie przekraczającej 20°C. Bakterie psychrotrofowe - zdolne do wzrostu w niskich temp., ale nie tworzą kolonii w temp 0°C w ciągu 2 tyg.	enzymy szczególne dla tych drobnoustrojów działają właśnie w niskich temp. inaktywacja enzymów w temp. 30-40°C transport przez błonę cytoplazmatyczną najwydajniejszy w niskich temp. w błonie kom. dużo nienasyconych kw. tł. nieregularnie rozgałęzionych	częściej wśród bakterii Gram-ujemnych niż Gram-dodatkich - Pseudomonas - Flavobacterium - Aerobacter - Arthrobacter - Micrococcus - Streptococcus - Lactobacillus - Bacillus - Clostridium - Candida - Rhodotorulla
Mezofile	O umiarkowanej temperaturze	Optimum wzrostu waha się od 20-40°C. Minimum wynosi 10-25°C Maksimum wynosi 40-45°C		Gatunki saprofityczne i chorobotwórcze
Termofile	Ciepłe i gorące; gorące źródła, powierzchnie kraterów wulkanów, nawóz, gleba, siano, fermentujący materiał organiczny, jelita niektórych zwierząt	Optymalna temperatura wzrostu to 45-50°C (a nawet 70°C) Minimalna to 25-45°C Maksymalna to 70-80°C (choć również do 100°C) Stenotermofile - rosną tylko w temp. powyżej 60°C Euritermofile - zdolne do wzrostu zarówno w temp. 60°C, jak również 30°C gatunki bezwzględnie termofilne - nie rosną w temp. poniżej 40-42°C gatunki względnie termofilne - wyrastają również w temp. 30°C gatunki termotolerancyjne - znoszą temp. 45-50°C	ciepłoodporne enzymy związane często w struktury stabilizujące (np. katalaza) błona kom. zawiera lipidy o wysokiej temp. topnienia dużo nasyconych kw. tł. o łańcuchach rozgałęzionych dużo fosfolipidów i karotenoidów brak mureny wytwarzanie endospor wytwarzanie warstwy S (zawiera kwaśne i hydrofobowe aminokwasy)	Głównie Gram-dodatnie przetwalnikujące - Methanopyrus (110°C) - Pyroductium (105°C) - Bacillus (B. coagulans, B. stearothermophilus) - Lactobacillus - promieniowce - bakterie zielone - Archaebacteriea (Thermus aquaticus) - Streptococcus - Sarcina

3. Ciśnienie osmotyczne:

• bakterie są mało wrażliwe na zmiany wartości osmotycznej podłoża

• optymalne warunki wzrostu drobnoustrojów to 0,85% NaCl

• większość drobnoustrojów występuje w środowisku naturalnym, gdzie stężenie substancji rozproszonych na zewnątrz jest mniejsze niż wewnątrz bakterii => ułatwia to przechodzenie wody do komórek

• w warunkach hipertonicznych zachodzi plazmoliza

• w warunkach hipotonicznych zachodzi plazmoptyza

• gatunki osmofilne są zdolne do wzrostu na podłożu zawierającym duże stężenie sacharozy => chronią się przed dużym ciśnieniem osmotycznym poprzez nagromadzenie w komórkach wysokich stężeń różnych substancji (np. jony K⁺, związki org.)

• halofile - zdolne do wzrostu na podłożu zawierającym ponad 10% NaCl

• Clostridium

• Pseudomonas

• Bacillus

• Lactobacillus

• Streptococcus

• S. aureus rośnie na podłożu zaw. 7% NaCl

4. Promieniowanie UV:

• pochłaniane jest w komórkach bakteryjnych przez zasady azotowe i aminokwasy aromatyczne

• efekt letalny daje powstawanie dimerów tyminy w tej samej nici => zaburzenie replikacji

• efekt mutagenny daje powstawanie dimerów cytozyny oraz cytozyny i tyminy

• w jednoniciowym DNA oraz w RNA dochodzi do hydratacji C i U

• promieniowanie UV nie prowadzi do pękania nici, ale prowadzi do powstawania wiązań - krzyżowych połączeń (cross-links) miedzy dwiema nićmi DNA

• pośrednie działanie promieniowanie UV - oddziaływanie na środowisko powoduje powstawanie w nim wolnych rodników oraz związków niestałych o charakterze nadtlenków, które maja toksyczny wpływ na komórki bakteryjne

• przetrwalniki są 2x bardziej odporne niż formy wegetatywne

• 2 mechanizmy naprawiające uszkodzenia:

• fotoreaktywacja (reparacja świetlna) - rozszczepienie powstałych dimerów tyminy przy udziale enzymu fotolizazy uaktywnianej światłem widzialnym

• reparacja ciemna - rozpoznanie i wycięcie uszkodzonych odcinków DNA oraz wypełnienie tych fragmentów nowym DNA

5. Promieniowanie jonizujące:

• większa siła bakteriobójcza niż promieniowanie UV

• powoduje pękanie nici DNA:

• pękanie obu nici w tym samym miejscu helisy - zawsze letalne

• pękanie tylko jednej nici - zazwyczaj usuwane

• reparacja - wycinanie pewnej ilości nukleotydów i doreplikowanie brakującego fragmentu

• powoduję również uszkodzenie samych zasad azotowych

6. Promieniowanie światła widzialnego:

• słabe działanie bakteriobójcze

• zabójcze działanie jest związane ze zjawiskiem fotosensytyzacji (fotouczulenia) polegającym na znacznym zwiększeniu bakteriobójczego działania promieniowania świetlnego w obecności pewnych związków chemicznych

• związki chem. zwiększające działanie światła widzialnego na bakterie:

• eozyna (działa tylko na Gram-dodatnie)

• błękit metylenowy (działa tylko na Gram-dodatnie)

• akrydyna

• akryflawina

• safranina (działa tylko na Gram-ujemne)

• działanie promieniowania związane jest ze wzbudzeniem elektronów => aktywny atom/cząsteczka łatwiej wchodzi w reakcje chemiczne

• inne uszkodzenia:

• utlenienie G

• pękanie nici kw. nukleinowych

• tworzenie połączeń między DNA a białkiem

• uszkodzenie aminokwasów (zwłaszcza Cys, His, Met, Tyr i Trp)

• uszkodzenia są znacznie mniejsze w warunkach beztlenowych i w obecności związków silnie redukujących

• karotenoidy chronią komórkę przed fotouczuleniem => im więcej sprzężonych wiązań =, tym intensywniejsza ochrona

7. Napięcie powierzchniowe:

• napięcie powierzchniowe - siła utrzymująca daną ilość płynu na określonej powierzchni

• związki obniżające napięcie pow. mają wpływ na wzrost bakterii w hodowlach płynnych lub w środowisku naturalnym

• napięcie pow. pożywek wynosi ok. 60 dyn/cm²

• czynniki zwiększające napięcie:

• CaCl₂

• węgiel drzewny

• czynniki zmniejszające napięcie = > zaburzają podziały komórkowe, prowadzą do powstawania form wydłużonych lub rozgałęzionych oraz hamują wzrost:

• anionowe (mydła siarczany dodecylu sodu - SDS) - działają na Gram-dodatnie

• kationowe (sterinol, lauroseptyl) - działają na Gram-ujemne

• niejonowe (Tweed 80) - powszechnie stosowane w laboratoriach

• wzrost w postaci błonki na powierzchni pożywki - Bacillus, prątki gruźlicy, bakterie hodowane na podłożach wzbogaconych glicerolem lub węglowodanami

8. Stężenie jonów wodorowych (pH):

• większość bakterii najlepiej rozwija sie przy pH obojętnym lub lekko alkalicznym

• drobnoustroje kwasolubne:

• bakterie fermentacji octowej

• bakterie fermentacji mlekowej

• niektóre laseczki

• prawie wszystkie gatunki rodzaju Thiobacillus i Sulfolobus (rozwijają się nawet przy pH 0,8!)

• drożdże i grzyby

• bakterie siarkowe

• drobnoustroje zasadolubne:

• przecinkowiec cholery

• paciorkowiec zapalenia płuc

• azotobakter

• pH może nie wpływać na wzrost bakterii, ale zmieniać ich właściwości fizjologiczne

• bakterie mają zdolność do produkowania substancji zobojętniających kwaśne lub zasadowe środowisko

• dezaminazy aminokwasów przy pH 7-8 - prowadzą do wytworzenia kwasów przez odszczepienie grupy aminowej o odczynie zasadowym

• dekarboksylazy aminokwasów przy pH 4,5-6 - odszczepiają kwaśne grypy karboksylowe

• pH wewnątrz i na zewnątrz bakterii nie jest takie samo - w komórce występują związki amfoteryczne obdarzone ładunkiem elektrycznym ; komórka wymienia lub gromadzi jony

9. Tlen i stres tlenowy:

• pochodne tlenu są silnie toksyczne

• tlen cząsteczkowy jest słabo reaktywny, ale poddany działano światła lub niektórych enzymów (laktoperoksydaza) przechodzi w stan singletowy bedący bardzo reaktywnym

• toksyczność tlenu singletowego jest niwelowana przez karotenoidy

• przy oddychaniu powstaje najpierw nadtlenek (O₂^-) - silnie reaktywny rodnik utleniający lipidy błon komórkowych.

nadtlenek przekształca się w wodę

utlenioną - silnie utleniający związek,

reagujący z białkami, grupami tiulowymi i metalami

w oddychaniu powstaje także rodnik

hydroksylowy - najbardziej aktywny chemicznie

rodnik, działający utleniająco

• obrona przez rodnikami tlenowymi - stres tlenowy - komórki uruchamiają 2 typy odpowiedzi

• stymulon peroksydazy - produktem jest katalaza

• stymulon nadtlenku - produktem jest dysmutza

• mikroaerofile - rosna lepiej przy obniżonym parcjalnym ciśnieniu tlenu, np. Streptococcus

10. Metale ciężkie:

• metale o niskim ciężarze cząsteczkowym mniej szkodliwe niż metale ciężkie

• kationy 2-wartościowe bardziej toksyczne niż 1-wartościowe

• najbardziej toksyczne aniony: Cr²O
  i JO
  

• najmniej toksyczne aniony: S²O
  i PO
  

• najbardziej toksyczne kationy: Cd, Hgu > Zn > Cr

• najmniej toksyczne kationy: Na⁺, K⁺ i NH
  

• wiele jonów działa bardziej toksycznie na bakterie Gram-dodatnie niż Gram-ujemne

• w podłożu efekt toksyczny wielu kationów ulega osłabieniu w obecności białek, z którymi tworzą nierozpuszczalne albuminiany

• metale ciężkie działają na błonę komórkową oraz wiążą i inaktywują enzymy

11.Potencjał red - oks

• jest to zdolność do oddawania lub przyjmowania elektronów, towarzysząca reakcjom utleniania jednego i redukcji drugiego składnika układu

• potencjał ogólnie stosowanych podłoży o pH 7 to +0,2 do +0,4 V

• bakterie w trakcie wzrostu zużywając tlen, obniżają wartość potencjału

• podział bakterii ze wzgl. Na zapotrzebowanie na tlen:

• tlenowce (aeroby) - rozwijają się w obecności tlenu (+0,2 do +0,4 V)

• Bacillus

• Pałeczki Pseudomonas sp.

• Thiobacillus sp.

• względne beztlenowce (mikroaerofile) - rosną dobrze przy obniżonym potencjale, ale również przy dodatnim

• drożdże i grzyby

• Lactobacillus

• E.coli

• P.mirabilis

• Salmonella

• Shigella

• beztlenowce (anaeroby) - nie rosną w obecności tlenu (potencjał poniżej -0,2 V)

• Clostridium

• Bacteroides

6

Autor: Agnieszka Jędrzejewska

---