Na aktywność życiową mikroorganizmów decydujący wpływ wywierają czynniki środowiskowe, zarówno fizyczne, jak i chemiczne. Efekty tych oddziaływań zależą od ich natury i stężenia, jak również od właściwości organizmu, na który wpływają.

Mikroorganizmy, a szczególnie bakterie, potrafią przystosować się do dużych zmian w środowisku, ale zakres tolerancji wobec określonego czynnika jest bardzo zróżnicowany i zależy często od rodzaju bakterii, a nawet od gatunku. Konsekwencją przekroczenia pewnych granic, wyznaczonych tzw. Punktami kardynalnymi, może być zahamowanie wzrostu mikroorganizmów, uszkodzenie komórek lub ich zabicie.

Znajomość wpływu czynników fizycznych i chemicznych na życiową aktywność mikroorganizmów pozwala z jednej strony kierować wydajnością prowadzonych przez nie reakcji enzymatycznych, enzymatycznych drugiej - na zahamowanie ich wzrostu, lub wręcz zabicie, o ile są niepożądane w danym środowisku. W praktyce do niszczenia mikroorganizmów wykorzystuje się najczęściej z czynników fizycznych: temperaturę i promieniowanie UV, natomiast czynników chemicznych: środki utleniające, sole metali ciężkich, środki powierzchniowo czynne oraz antybiotyki.

Wzrost, rozmnażanie komórek i liczne procesy fizjologiczne katalizowane przez enzymy zależne są w dużym stopniu od temperatury. Ze względu na białkową budową enzymów zakres temperatury jest ograniczony trzema temperaturami kardynalnymi: minimalna, optymalna, maksymalną. Temperatura minimalna jest najniższą, w której organizm może się rozwijać. Poniżej tej temperatury proces rozmnażania ulega całkowitemu zahamowaniu, a procesy metaboliczne ulegają zwolnieniu wskutek obniżenia lub zahamowania aktywności enzymów. W temperaturze optymalnej komórki rozmnażają się najszybciej. Temperatura maksymalna jest najniższą temperaturą, w której może zachodzić jeszcze wzrost mikroorganizmów. Przekroczenie temperatury maksymalnej prowadzi do śmierci komórek wskutek denaturacji białek enzymatycznych. Występujące różnice w optimum, minimum i maksimum wzrostu bakterii, wynikające z miejsca ich bytowania dzielą bakterie na trzy grupy: psychrofile, mezofile i termofile.

Temperatury kardynalne dla poszczególnych grup bakterii

Mikroorganizmy	Temperatura (C^o)
		minimum	optimum	maksimum
Psychrofile	-23-0	10-15	30
Mezofile	10-25	25-40	40-55
Termofile	25-45	45-60	60-90

Bakteriobójcze działanie wysokich temperatur polega na denaturacji białka i zależy od wielu czynników ubocznych. Najważniejszym spośród nich jest zawartość wody (tak w komórce, jak i na zewnątrz), tzw. „wilgotne ciepło”, które działa silniej niż „suche gorąco”. Ważnym czynnikiem w przypadku bakterii jest pH środowiska, w jakim się rozwijają, każde odchylenie od punktu optymalnego znacznie zwiększa ich wrażliwość na temperaturę. Duże znaczenie ma także wiek komórki, młode aktywnie rosnące komórki są bardziej wrażliwe od starych.

Niskie temperatury działają bakteriostatycznie, co znalazło powszechne zastosowanie zarówno w przechowywaniu hodowli mikroorganizmów, jak i materiałów, których nie można lub nie chce się całkowicie wyjaławiać. Szybkie obniżenie temperatury poniżej punktu zerowego nie powoduje śmierci bakterii, ponieważ woda nie przechodzi w stan krystaliczny, lecz zestala się jako substancja amorficzna, nienaruszająca struktur plazmatycznych komórki.

Dla określenia wrażliwości bakterii na działanie wysokiej temperatury stosuje się pojecie punktu śmierci cieplnej i czasu śmierci cieplnej.

Punkt śmierci cieplnej jest to najniższa temperatura, w której zabicie komórek następuje po 10 min.

Czas śmierci cieplnej jest to czas potrzebny do zabicia wszystkich mikroorganizmów danego gatunku w określonej temperaturze.

Niektóre metale ciężkie (miedź, srebro, rtęć m. in) już w niskich stężeniach działają deneturująco na enzymy komórek mikroorganizmów (działanie oligodyndmiczne). Metale działają oligodynamicznie dopiero po utworzeniu się na ich powierzchni tlenków, co powoduje aktywacje ich jonów. Metale ciężkie zarówno w formie soli nieorganicznych np.: HgCl₂, CuCl₂, AgNO₃, jak i organicznych wiążą grupy sulfydrylowe (-SH) enzymów w ten sposób zmieniają strukturę trzecio i czwartorzędową białek. Ponadto wywołują one zmianę ujemnych ładunków koloidów białek powodując ich wypadanie z roztworów, dotyczy to zwłaszcza soli rtęci i ołowiu.

Mikroorganizmy posiadają duże możliwości adaptacyjne do podwyższonej koncentracji metali ciężkich w środowisku. Mechanizmy zabezpieczające mikroorganizmy przed toksycznym działaniem metali ciężkich są związane z posiadaniem przez nie odpowiednich plazmidów zwanych R. Mikroorganizmy mogą też tolerować dany metal w zależności od ich właściwości fizjologicznych. Tego typu właściwości posiadają np. drożdże oraz bakterie redukujące siarczany, które przez wytwarzanie H₂S wytrącają jony Cu²⁺, Pb²⁺ czy Hg²⁺ w postaci siarczków. Niektóre mikroorganizmy wykorzystują zdolność redukcji Hg²⁺ do postaci lotnej Hg⁰ albo metyzacji rtęci (również postaci lotnej) i w ten sposób obniżają jej koncentrację w środowisku.

Pobieranie i akumulacja metali ciężkich przez komórki mikroorganizmów prowadzić może do ich śmierci, o ile nie produkują one specjalnych metabolitów wiążących i unieczynniających dany metal. Jeżeli proces bioakumulacji zachodzi przy udziale ATP, określany jest jako bioakumulacja specyficzna.

Naturalne substancje wiążące metale to:

• proste związki organiczne powstałe w wyniku procesów metabolicznych mikroorganizmów np. cukry, alkohole aminokwasy i kwasy organiczne o niskim ciężarze cząsteczkowym,

• mikrobiologiczne produkty, wydzielanie których pobudzane jest przez obecność lub brak specyficznych jonów metali. Należą tu siderofory -niskocząsteczkowe chelaty, pełniące funkcję jonoforów przy przenoszeniu niektórych kationów, a także proteiny i inne wydzieliny wiążące metale toksyczne. Siderofory są głównie specyficzne dla żelaza trójwartościowego, ale mogą one wiązać (komleksować inne metale). Znane są kompleksy ferrichromu i enterobaktyny z takimi jonami metali, jak Al³⁺,Ga³⁺. Mogą też kompensować skand, ind, a także magnez, mangan i wapń.

Innym mikrobiologicznym chelatem jest proferrosamina A- wyizolowana po raz pierwszy z bakterii Pseudomonas. Chelat ten wykazuje największe powinowactwo do niklu, mniejsze do Fe²⁺, Cu²⁺, Co²⁺.

Mikroorganizmy mogą też produkować merkaptoalbuminy oraz pseudotioneiny. Te ostatnie tworzą z metalami kompleksy zbliżone do metalotionein wyizolowanych wyizolowanych organizmów wyższych. Maja one wiele cech wspólnych są to termostabilne białka, charakteryzujące się dużą zawartością cysterny dochodzącą do 30% całkowitej zawartości aminokwasów.

Biokumulacja niespecyficzna jest to proces nie wymagający nakładu energii i polegający na sorpcji metali w obrębie śluzów otoczkowych, wiązaniu przez biopolimery ujemne zespołu ścianowo-błnowego bądź też pobieraniu metali wraz z substratem pokarmowym, a następnie po wykorzystaniu części organicznej substratu, wbudowaniu metalu w struktury komórkowe. Mechanizmy zabezpieczające mikroorganizmy prze toksycznym działaniem metali ciężkich są zależne od rodzaju, a nawet gatunku mikroorganizmu i często uwarunkowane genetycznie. Nie wszystkie mikroorganizmy posiadają takie zdolności. Z reguły najbardziej oporne na metale ciężkie są grzyby, następnie promieniowce, bakterie gramujemne, a najmniej oporne są bakterie gramdodatnie.

Właściwości bakteriobójcze wykazuje praktycznie promieniowanie ultrafioletowe o długości fali od 240 do 280 nm. Promieniowanie UV działa letalnie zarówno na formy wegetatywne jak i na przetrwalniki bakterii, jednakże najbardziej wrażliwe są komórki w logarytmicznej fazie wzrostu. Natomiast spory bakteryjne w czasie uśpienia są mniej wrażliwe ich oporność maleje w czasie kiełkowania. Bardzo dużą oporność wykazują zarodniki pleśni. Są niekiedy kilka tysięcy razy mniej wrażliwe niż formy wegetatywne bakterii.

Oporność drobnoustrojów na działanie UV charakteryzowana jest na podstawie dawki naświetlenia D:

D= E x t

D - dawka naświetlenia UV (mJ/cm²)

E - natężenie naświetlenia UV (mW/cm²)

t - czas naświetlania (s)

Skuteczność działania promieni UV zależy od intensywności promieniowania oraz czasu naświetlania.

Zwykle podaje się wartość dawki D₁₀ (mJ/cm²) potrzebnej do zniszczenia 90% ilości określonych drobnoustrojów. Dla bakterii D₁₀ wynosi 1-20 mJ/cm², dla drożdży 2-100 mJ/cm² dla grzybów 5-150 mJ/cm², dla glonów 300-600 mJ/cm². Dawka promieniowania UV potrzebna do zabicia większości form wegetatywnych bakterii to 10 mJ/cm².

Składnikami komórki silnie pochłaniające promienie ultrafioletowe są zasady purynowe i pirymidynowe oraz aminokwasy aromatyczne białek.

Pod wpływem promieniowania UV następuje:

• denaturacja lub rozerwanie łańcucha DNA

• hydratacja cytozyny

• dimeryzacja tyminy, cytozyny lub cytozyny z tyminą,

• tworzenie wiązań DNA z białkami.

Jednak najczęściej spotykanymi skutkami działania UV jest dimeryzacja tyminy i cytozyny, lub hydratacja cytozyny. Zmiany te prowadzą do mutacji polegających na błędnym podstawieniu zasad w czasie replikacji DNA albo całkowitego zatrzymania replikacji DNA, co powoduje śmierć komórki. Skutki działania UV zależą od dawki promieniowania, ale również od stanu fizjologicznego komórki i warunków, jakie występują bezpośrednio po naświetleniu. Drobnoustroje posiadają mechanizmy naprawcze uszkodzonego DNA na drodze reparacji świetlnej - fotoreaktywacji i reparacji ciemnej. Zjawisko fotoreaktywacji polega na rozszczepianiu powstałych dinerów tyminy przy udziale enzymu fotolizazy uaktywnianej światłem widzialnym. Reperacja ciemna obejmuje kilka działań: rozpoznanie i wycięcie uszkodzonych odcinków DNA, „wypełnienie usuniętego fragmentu nowym i połączenie w całość nici DNA.

Promieniowanie UV nie ma zdolności przenikania przez gęste ośrodki stąd znajduje zastosowanie do wyjaławiania dostępnych powierzchni, takich jak ściany sufity, gładkie powierzchnie produkcyjne. Ponadto stosowane jest do dezynfekcji powietrza, m. in. w pomieszczeniach do aseptycznego przygotowania leków, w salach zabiegowych, w laboratoriach mikrobiologicznych, a także do dezynfekcji wody w przemyśle spożywczym. Na efektywność procesu wyjaławiania za pomocą UV ma wpływ m.in. stopień zanieczyszczenia powietrza cząsteczkami mechanicznymi (tzw. Zapylenie), jego wilgotność oraz czas napromieniowania. Sterylizowane pomieszczenia powinny być czyste i odkażone, ponieważ promienie UV rozchodzą się prostolinijnie, ich działanie sterylizujące jest jedynie powierzchniowe.

Związki chemiczne, będące silnymi środkami utleniającymi, działają silnie bakteriobójczo, uwalniając wolny tlen w wyniku ich rozpadu lub uwalniają go z innych związków. Bakteriobójcze działanie związków utleniających polega głównie na uszkodzeniu błony cytoplazmatycznej, co powoduje nie kontrolowaną wymianę między wnętrzem komórki a środowiskiem. Do silnych utleniaczy należą: woda utleniona, nadmanganian potasu, ozon oraz połączenia chloru, bromu i jodu.

Do dezynfekcji wody pitnej wykorzystuje się przeważnie chlor lub jego związki: podchloryn sodu lub dwutlenek chloru.

Chlor wprowadzony do wody w pierwszej kolejności utlenia zawarte w niej związki organiczne i niektóre mineralne. Po zajściu tych reakcji w wodzie pozostaje tzw. pozostały chlor użyteczny. Chlor ten może występować jako pozostały chlor wolny, w postaci kwasu podchlorawego (HC1O) lub jego jonu (CIO^-) - jonu podchlorynu, albo jako chlor związany w postaci chloramin i innych związków organicznych.

Najsilniejsze działanie bakteriobójcze ma niezdysocjowany kwas podchlorawy (HC1O), znacznie słabsze działanie wykazuje jon kwasu podchlorawego (CIO^-), a najsłabsze mają chloraminy i inne związki chloroorganiczne (te ostatnie pozostają jednak dłużej w środowisku). Amoniak zawarty w wodzie tworzy z chlorem w zależności od odczynu środowiska chloraminy pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowe.

Dawka chloru niezbędna do przeprowadzenia procesu dezynfekcji wody musi być każdorazowo ustalana tak, aby zapewniała odpowiednią zawartość w wodzie pozostałego chloru użytecznego po upływie czasu od momentu jego wprowadzenia.

Ostatnio coraz częściej do dezynfekcji wody stosuje się ozon (O₃). Gaz ten po zetknięciu się z substancjami organicznymi rozpada się na tlen cząsteczkowy (O₂) i tlen atomowy, który działa bakteriobójczo. Do dezynfekcji wody, w zależności od zawartości substancji organicznych i innych związków ulegających utlenieniu, stosowana jest dawka od 0,5 do 2,5 mg 0₂/dm³.

Do substancji chemicznych hamujących wzrost i rozwój mikroorganizmów należą detergenty są to substancje powierzchniowo czynne mające zdolność obniżania napięcia powierzchniowego na granicy faz. W cząsteczce detergentu wyróżniamy część hydrofobową i hydrofilową, a w zależności od rodzaju części hydrofilowej dzielimy detergenty na trzy grupy:

• Anionowe - mało toksyczne, stosowane głównie w przemyśle i gospodarstwach
  domowych (np. płyny do mycia, proszki)

• Kationowe - o silnych właściwościach bakteriobójczych, stosowane głównie jako
  środki dezynfekcyjne w służbie zdrowia (np. sterinol),

• Niezdysocjowane - nie działają bakteriobójczo i są uważane głównie do obniżania
  napięcia powierzchniowego (np. Tween 80).

Działanie bakteriobójcze detergentów polega na atakowaniu otoczki, ściany komórkowej i niszczeniu właściwości półprzepuszczalnych błony cytoplazmatycznej. Grupy hydrofilowe i hydrofobowe (lipofilowe) ułożone są w cząsteczce detergentu połamie. Wnikają one do lipoproteinowej warstwy błony cytopłazmatycznej, która również ma budowę polarną, powodując jej unieczynnienie.

W praktyce w dezynfekcji znalazł zastosowanie fenol i jego pochodne, szczególnie chlorowe, które działają silnie bakteriobójczo, łącząc się z białkami i ich pochodnymi powodując uszkodzenia błony cytoplazmatycznej. Do dezynfekcji używa się fenoli i krezoli jako 5% roztworów wodnych oraz liczne syntetyczne pochodne fenolu. Powszechnie stosowanym środkiem do odkażania podłóg w pomieszczeniach zamkniętych i do urządzeń sanitarnych jest lizol (roztwór orto-, meta- i parakrezolu w mydle).

Również zasady amonowe działające silnie bakteriobójczo (zmniejszają napięcie powierzchniowe) wykorzystywane są do dezynfekcji. W środowisku unieczynniaja je mydła i deterganty, a związki organiczne osłabiają ich działanie. Przykładem tej grupy związków jest laurosept, którego 15% roztwór służy do odkażania rąk.

Barwniki o działaniu przeciwbakteryjnym były powszechnie stosowane w przeszłości, kiedy nie znano sulfonamidów sulfonamidów antybiotyków. Ich działaniu towarzyszy powstanie pseudozasady, charakteryzującej się dużą lipofilnoscią, co ułatwia penetracje barwnika przez błonę komórkową, a następnie reakcję z kwasami nukleinowymi. Fiolet krystaliczny jest również inhibitorem biosyntezy ściany komórkowej, blokując przyłączanie L-Alaniny do mureny.

Barwniki akrylowe działają zarówno na bakterie Gram-dodatnie, jak i na Gram-ujemne. Działanie tych barwników opiera się na hamowaniu syntezy DNA poprzez wbudowywanie się miedzy sąsiednie zasady nici, co prowadzi do ich rozsunięcia i zaburzenia replikacji DNA.

---