9.2.1. Рост и размножение микроорганизмов
Ростом микроорганизмов называют генетически контролируемое увеличение биохимических компонентов клетки. Росту бактерий сопутствует увеличение размера и биомассы клеток. При этом следует разделять понятия "увеличение клеточной массы", или "плотности бактерий" (единицы массы на единицу объема среды), и "увеличение количества клеток" (концентрация бактерий в единице объема среды). Например, при концентрации клеток дрожжей 1010/мл биомасса составляет около 1 г. При малых размерах клеток масса 1010 бактерий/мл будет значительно меньше. Увеличение биомассы или концентрации бактерий в единице объема среды характеризует процесс размножения клеточной популяции, произошедшей из одного клона. Помимо этого, существует термин "развитие микроорганизмов", означающий совершенствование во времени их структурной организации и функций. Для этого часто используют термин "плотность популяции". При размножении бактериальная клетка, достигая определенного размера, делится в различных плоскостях поперечной перегородкой на две дочерние клетки (бинарное деление). Это вегетативное (бесполое) размножение, при котором деление клетки связано с делением ее нуклеоида, с репликацией ДНК. Механизм репликации ДНК выражается в разрыве водородных связей между ее двумя полинуклеотидными цепями, раскручивании их и синтезе вдоль каждой старой цепи новых цепей с комплементарной последовательностью пуриновых и пиримидиновых оснований. После расхожденияв дочерние клетки по одной старой и одной новой полинуклеотидной цепи между ними восстанавливаются водородные связи и формируется полуконсервативная двухцепочечная ДНК. Однако репликация ДНК и деление нуклеоида не всегда синхронизированы с делением клетки.
В связи с этим процессу деления присущи следующие особенности:
- деление клеток многократно и опережает их расхождение, способствуя образованию цепочки кокков или многоклеточных палочек;
- одновременно происходящие процессы деления нуклеоида и расхождения клеток обеспечивают формирование равноценных одноклеточных особей;
- деление нуклеоида предшествует клеточному делению, вследствие чего образуются многонуклеоидные микроорганизмы.
Некоторые способы разъединения поделившихся клеток также могут оказать влияние на морфологические свойства бактерии:
- разрыв цитоплазматического мостика с последующим разделением клеток путем перелома (иногда многократного) и их сохранением вместе, как у Bacillus anthracis (с сохранением клеток внутри капсулы);
- разъединение, при котором одна из дочерних клеток, не отрываясь от точки деления, передвигается по дуге и создает V-образную форму (Corynebacterium, Arthrobacter, Bifidobacterium, Brevibacterium и др.);
- разъединение с обособлением одной из клеток путем движения по поверхности другой (некоторые виды Escherichia и др.).
Под влиянием неблагоприятных внешних факторов (соли желчных кислот, УФ-лучи, ПАВ, антибиотики и т.д.) деление клетки может остановиться с сохранением ее роста. В таком случае возможно образование удлиненных нитевидных клеток.
В соответствии с ориентацией плоскостей и особенностями деления образуются различные формы микроорганизмов: парные клетки (Neisseria, Moraxella и др.), цепочки (Streptococcus и др.), гроздья (Staphylococcus и др.), пакеты (Sarcina и др.).
Некоторые облигатные внутриклеточные паразиты делятся бинарно подобно бактериям (риккетсии), другие (Chlamydia) размножаются иным способом. К делению в клетках макроорганизма способны лишь вегетативные формы хламидий (ретикулярные или инициальные тельца). Их цикл, состоящий из нескольких делений, завершается образованием промежуточных форм, из которых формируются элементарные тельца, дающие начало вегетативным формам. После разрушения стенки вакуоли и клетки-хозяина элементарные тельца высвобождаются, и цикл повторяется. Цикл длится 40–48 ч.
Микоплазмы репродуцируются через мелкие элементарные овоидные или сферические тела (130–220 нм), которые делятся посредством фрагментации или почкования.
Интервал времени, в течение которого происходит удвоение количества бактерий, называют временем генерации (%). Важным параметром является количество генераций (n). Количество удвоений в единицу времени называют абсолютной (общей или валовой) скоростью роста (v). Прирост биомассы за определенный период времени, отнесенный к единице биомассы, называют удельной скоростью роста (μ):
где logX1 – logX0 – разность логарифмов конечной и начальной концентрации бактерий за период наблюдения; dX– прирост количества биомассы за бесконечно малый промежуток времени (в г/мл или в микроб/мл); dt – период наблюдения (ч).
Поскольку активное деление клеток происходит в геометрической прогрессии (X0→Х0 ×21 →Х0 ×22 →Х0 ×23 →… →Х0 ×2n), применяются не абсолютные цифры, а их логарифмы.
Через несколько генераций клетки стареют и отмирают. Общую скорость отмирания (v) и удельную скорость отмирания (ε) определяют по тем же формулам, но со знаком "–" (минус).
Скорость размножения микроорганизмов и время генерации зависят от вида микроорганизма, величины и свойств инокулята, состава питательной среды, ее pH и Eh, аэрации, температуры инкубации, других факторов.
При благоприятных условиях у многих микроорганизмов деление происходит через 15–30 мин (например, у Escherichia coli, Salmonella typhi и др.). У прихотливых микроорганизмов (Streptococcus, Corynebacterium и др.) деление осуществляется через 45–90 мин и более (например, у Mycobacterium tuberculosis – через 18 ч).
В процессе питания микроорганизмов происходит убывание питательных веществ, потребляемых клеткой. Через определенный период, когда исчерпается ключевой (лимитирующий) компонент среды, рост прекращается. Количество биомассы, продуцируемой на единицу потребленного субстрата, называется экономическим коэффициентом (Y), часто со знаком "–", так как S (концентрация субстрата) уменьшается, а X (количество биомассы) возрастает. Следовательно, неограниченный рост в закрытой (от доступа дополнительных питательных веществ) периодической (статической) культуре невозможен.
Поскольку питательные вещества, помимо конструктивного обмена, используются для энергетического обмена, скорость потребления субстрата можно выразить через метаболический коэффициент.
В этом соотношении просматривается связь основных показателей, характеризующих физиологические процессы в клетке.
При определении количества биомассы (урожая) и интенсивности клеточного метаболизма в клетке можно использовать различные методы:
- Взвешивание сырых или высушенных осадков бактериальной массы после предварительного центрифугирования культуры, выросшей в жидкой или плотной среде (смыв физиологическим раствором). Метод неточен из-за нестандартности методических манипуляций.
- Определение нескольких показателей клеточного обмена: общего азота (например, по Кьельдалю), содержания клеточного белка (часто используют методы анализа по Лоури или Фолину), содержания нуклеиновых кислот (например, по Спирину), общего количества углеводов, органических кислот – пировиноградной, α-кетоглутаровой и др. (любым биохимическим методом). Эти показатели являются в клетке относительно постоянными.
- Измерение оптической плотности (или экстинкции) клеточных суспензий (бульонная культура или смыв с плотной среды). С этой целью используют методы нефелометрии или турбидиметрии.
- Определение общей концентрации клеток в счетной камере. В счетную камеру, представляющую собой толстое предметное стекло, разделенное бороздками на ячейки (например, в камеру Тома глубиной 0,01; 0,02 мм для подсчета бактерий или в камеру Горяева для спорообразующих микроорганизмов) в виде сетки из вертикальных и горизонтальных квадратов, пипеткой или наконечником с тонким концом вносят суспензию бактерий (как правило, разведенную в 2,5; 5; 10; 20; 40 раз и т.д.). Затем осторожно накрывают сетку шлифованным плоскопараллельным покровным стеклом так, чтобы в жидкости не образовались пузырьки воздуха. Большими пальцами рук покровное стекло притирают к плоскости счетной камеры, слегка смоченной спиртом в местах их соприкосновения. Затем стекло двигают сверху вниз до образования радужных колец в местах шлифовки.
Перед микроскопированием после заполнения камеры необходим 2–3-минутный интервал, чтобы осевшие клетки оказались в одной плоскости для удобства подсчета. Подсчет проводят с объективом ×8. Для более детального подсчета применяют большее увеличение. Подсчитывают количество по 10 малых квадратов на вертикальной и горизонтальной сторонах клетки, а также по диагонали. Поскольку точность определения зависит от техники подготовки камеры к работе и количества подсчитанных микробов, камера заливается суспензией не менее 3 раз с концентрацией по 150–200 клеток. Количество клеток в пересчете на 1 мл суспензии подсчитывают по формуле:
где К – исходное разведение суспензии; n – количество подсчитанных малых квадратов в сетке; Т– среднее количество бактерий в n малых квадратах; V – объем малого квадрата, см3.
- Определение колониеобразуюших единиц (КОЕ/мл). При выращивании культуры микроорганизмов в благоприятных условиях роста на поверхности или в глубине плотной среды жизнеспособные клетки образуют колонии. Для получения отдельных колоний дозированно, стерильной пипеткой, на чашки Петри (в 3 повторностях или более) высевают суспензию микробных клеток, приготовленную в необходимой концентрации (по стандарту мутности, в разведении, с применением счетной камеры).
Затем внесенную суспензию растирают шпателем или заливают на первый слой среды 3,5 мл 0,7 % МПА с определенным разведением культуры. Для анаэробов после застывания полужидкого агара можно внести третий слой плотной среды. После выращивания микроорганизмов при оптимальных для них температуре и времени инкубации в термостате или анаэро-стате подсчитывают количество колоний в 1 мл. Результат выражают в колониеобразуюших единицах на 1 мл (КОЕ/мл). Наиболее достоверным считается среднее арифметическое количества колоний, выросших на одной чашке, в пределах 100– 150 колоний. При концентрации микроорганизмов на чашке больше этих значений возникает нехватка питательных веществ, вырастает меньшее количество колоний, более мелких по размеру, т.е. происходит искажение результатов. При количестве колоний менее 10 достоверность результатов снижается.
Примеры расчета. Из суспензии, приготовленной по стандарту 10 единиц (109 клеток/мл), делают серию последовательных 10-кратных разведений. Из разведения 10-5 (10 000 клеток/мл), 10-6 (1000 клеток/мл), 10-7 (100 клеток/мл) высевают суспензию не менее чем в 3 чашки Петри (для каждого разведения) по 0,1 мл, чтобы получить соответственно 1000, 100 и 10 клеток на чашке.
Пример 1. В среднем на одной чашке из разведения 10-5 выросло 600 мелких колоний, на 10-6 – 90 колоний с типичной морфологией и размером, на 10-7 – 6 типичных колоний. Наиболее адекватный результат получен в разведении 10-6. Поэтому количество жизнеспособных бактерий в пересчете на 1 мл равно 90х107 или 90×108 КОЕ/мл.
Пример 2. Среднее количество колоний оказалось: 10-5 – 600 колоний, 10-6 – 90 колоний, 10-7 – 12 колоний. Расчет количества на 1 мл проводится по разведениям 10-6 и 10-7, так как в разведении 10-7 количество колоний исчисляется не единицами, а десятками. Это число при пересчете на разведение 10-6 соответствует 120 колониям. Следовательно, среднеарифметическое количество жизнеспособных колоний в 1 мл будет:
Рост периодической культуры в закрытой системе происходит в соответствии с определенными закономерностями, которые отражает кривая роста.
На рис. 9.1 показаны 5 основных фаз роста периодической культуры в жидкой среде, каждая из которых характеризуется определенным размером клеток, скоростью размножения и потребления субстрата, синтезом метаболитов и т.д.
Фаза I – фаза задержки роста, или лаг-фаза (от англ. lag – отставание). Начало лаг-фазы связано с адаптацией клеток к среде обитания. При этом важную роль играет "предыстория" выращивания посевной культуры. Длительность лаг-фазы зависит от многих факторов. Если использован инокулят из культуры с резко отличающимися условиями выращивания, клеткам требуется время на синтез новых рибосом, РНК и адаптивных ферментов. В этом периоде не только увеличивается размер клеток, но и в 8–12 раз повышается содержание РНК. Деления клеток при этом почти не происходит. Полноценная среда, физиологически активная посевная культура, которая подготовлена к синхронному делению и др., способствуют короткой лаг-фазе (или ее отсутствию) и переходу ко II фазе. Синхронизации можно достичь с помощью пониженной температуры, ограничения питательных веществ, фильтрации, обеспечивающей пропускание клеток определенного размера. Синхронизация длится 2–4 генерации, а далее наступает асинхронный рост. Лаг-фаза в среднем длится 1–2 ч.
Рис. 9.1. Основные фазы роста периодической культуры в жидкой среде.
Фаза II – фаза экспоненциального, или логарифмического, роста (отрезок кривой роста подчиняется логарифмической зависимости – логарифм количества клеток увеличивается линейно). Это фаза наивысших физиологических показателей. Однако клетки имеют наименьший размер. Поскольку популяция бактериальной культуры состоит из делящихся клеток, она достаточно стандартна по своим свойствам (содержание белка, НК, наиболее выраженные видовые признаки). Поэтому эта фаза удобна для определения многих параметров популяции (плотность бактерий, скорости роста и потребления субстрата, содержание биополимеров клетки и т.д.).
В этот период отмечено снижение резистентности к агрессивным веществам. В среднем продолжительность фазы составляет 5–6 ч.
Фаза III – фаза замедления скорости роста. Количество питательных веществ существенно уменьшается (отмечается воздействие на бактерии лимитирующих факторов), в культураль-ной жидкости накапливаются метаболиты, в том числе и токсичные для бактерий (отмечается ингибирующее воздействие). Эта фаза длится около 2 ч.
Фаза IV – стационарная фаза, или фаза максимальной концентрации (М-концентрация). Клетки перестают делиться. Количество жизнеспособных бактерий соизмеримо с количеством отмирающих. В этот период клетки переходят на эндогенные субстраты (окисляют запасные вещества, белки, углеводы, липиды, в связи с чем уменьшается количество биомассы).
Длительность стационарной фазы различается у разных микроорганизмов. Например, у Escherichia coli она наступает через 18–24 ч, у Azotobacter – через 72 ч с момента внесения инокулята в питательную среду.
Фаза V – фаза отмирания, характеризуется массовой гибелью бактерий. В бактериальной популяции отмечается образование инволюционных форм, аутолиз под действием собственных ферментов. У бактерий меняются морфологические и биохимические свойства. Гибель может наступить через несколько дней, недель, месяцев.
Периодическое культивирование в жидких средах в пробирках, колбах, бутылях проводят на качалках или с барботажем, а в ферментерах – с механическими мешалками.
Периодическое культивирование на плотных средах имеет примерно такие же фазы, однако плотность культуры на 1 мл среды значительно выше.
В периодической культуре условия роста в процессе выращивания бактериальных клеток динамичны: изменяются количество белкового и углеродного субстрата, величина pH, показатель Eh, содержание кислорода и т.д. Так, величина pH влияет на активность ферментов. В некоторых случаях необходимо, чтобы клетки находились длительный срок в фазе экспоненциального роста, имея достаточное количество питательных веществ. С целью равномерного распределения субстрата и кислорода при выращивании микроорганизмов в ферментерах были разработаны способы культивирования, в равной мере обеспечивающие эти условия.
- Продленный периодический процесс с "подпиткой" культуры, при котором периодически добавляют питательные вещества.
- Многоциклическое культивирование, представляющее собой повторяющиеся циклы периодического выращивания, посевной культурой в которых служит суспензия предыдущего цикла.
- Полунепрерывный способ, при котором в середине экспоненциальной фазы роста отбирается половина культуральной жидкости, а вместо нее вносится свежая питательная среда.
- Непрерывно-проточный способ, при котором в ферментер с культурой постоянно подается питательная среда и сливаются продукты метаболизма с биомассой. Таким способом можно поддерживать оптимальные условия роста с постоянными скоростью роста и концентрацией бактериальных клеток. Это открытая система, стремящаяся к динамическому равновесию. Фактор времени в ней отсутствует, т.е. культивирование может продолжаться неограниченно долго.
Для получения непрерывных культур применяют хемостаты и турбидистаты. В хемостатах рост регулируется через содержание веществ в субстрате. Под действием лимитирующего фактора (например, концентрации глюкозы, фосфора, серы и т.д.) можно изменять плотность микробных клеток в единице объема среды. Скорость разбавления среды не должна превышать µmax. В турбидистате воздействие на популяцию осуществляется по сигналу фотоэлектрического элемента, контролирующего оптическую плотность культуры. Скорость разбавления свежей средой устанавливается в соответствии с требуемой плотностью. Турбидистаты могут работать по принципу pH-стата, СO2-стата, окси-стата и т.д.
Непрерывные культуры микроорганизмов целесообразно использовать для получения большого количества микробной массы или метаболитов.
9.2.2. Жизнеспособность микроорганизмов в искусственной и естественной среде обитания
Жизнедеятельность микроорганизмов в искусственной и естественной среде обитания (соответственно питательные среды и окружающая среда) зависит от многих факторов, которые можно разделить на физические, химические и биологические.
Сведения о влиянии показателей, связанных с процессами питания, дыхания и размножения, изложены в разделах 9.1.1– 9.2.1. Среди физических факторов наибольшее значение имеет прежде всего температура, так как микроорганизмы не обладают механизмом терморегуляции и жизнеспособность микробов зависит от условий среды обитания. По отношению к температурному воздействию микроорганизмы подразделяют на психрофилов, мезофилов и термофилов.
Психрофилы (от греч. рзуспгов – холодный) – холодолюбивые (криофильные) микроорганизмы. Они растут и размножаются в температурных пределах, при которых вода доступна для них. С повышением температуры до неоптимальных значений активность ферментов, имеющих низкотемпературный оптимум действия, быстро снижается, а скорость роста замедляется. Психрофилы обитают в пределах температур от –5 до +20 °С с оптимумом для размножения от 10 до 20°С. Факультативные психрофилы имеют более широкую температурную шкалу: от –5 до +30°С с оптимумом роста 20–25°С. Облигатные психрофилы характеризуются отсутствием способности расти при температуре свыше 20 °С.
Ареал обитания психрофилов – северные моря, океаны, глубоководные озера, почва зон вечной мерзлоты. В эту группу входят также микроорганизмы, вызывающие порчу пищевых продуктов при низких температурах, а также некоторые светящиеся и железобактерии и т.д.
Мезофилы (от греч. mesos – средний) – микроорганизмы, обитающие в условиях средних температур от 10 до 45°С с оптимумом роста 28–37°С. Термотолерантные микробы продолжают расти при 50°С. К этой группе относятся все патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевания у человека и теплокровных животных, а также значительная часть сапрофитов.
Термофилы (от греч. termos – тепло, жар) – микроорганизмы с ареалом жизнеспособности в пределах от 30 до 75°С с оптимумом роста при 50–60°С. Их обнаруживают в самонагревающемся субстрате (навоз, сено, зерно), в верхних слоях почвы, в кишечнике теплокровных животных и человека. Среди них существуют факультативные термофилы, развивающиеся как при температуре около 10°С, так и при 55–60°С. Они способны к метаболизму не только термофильного типа, но и мезофильного. Однако переход от одного метаболического типа к другому осуществляется после периода адаптации.
Кроме того, известны экстремальные термофилы с температурным оптимумом около 70°С (Bacillus, Clostridium, Thermomi-crobium, Thermus, Thermotrix и др.), которые обитают в воде и иле горячих источников. Некоторые экстремальные термофилы обнаруживаются при 80°С (Sulfolobus acidocaldarius) и даже при 105°С (Pyrodictium occultum, анаэроб, восстанавливающий серу). Особенностью экстремальных термофилов является высокая терморезистентность клеточной стенки, мембраны, рибосом, а также ферментов (оптимум действия ферментов около 70°С).
Необходимо отметить, что способность расти и размножаться в определенных интервалах температур (см. разд. 9.3.6) не равнозначна способности переносить необычную для них температуру, т.е. сохранять жизнеспособность. Высокие температуры оказались более губительны для микробов, чем низкие. При попадании микроба в условия выше температурного предела наблюдаются нарушение активности ферментных систем, денатурация белка, разрушение других структур и в целом микробной клетки. Наиболее чувствительны к повышению температуры психрофилы и мезофилы. Так, бактерии в вегетативном состоянии погибают при 60°С через 30–60 мин, а при 80–100°С в течение 1–2 мин. Споры бактерий выдерживают кипячение в течение 10–20 мин, иногда даже до 6 ч (споры Clostridium botulinum). Однако при 165–170°С в течение 1–1,5 ч происходит гибель всех микроорганизмов и спор, а под давлением 2 атм (в стерилизаторе с нагревом до 120– 132 °С) – через 20–30 мин.
К низким температурам очень чувствительны лишь отдельные представители бактерий (менингококк, гонококк, бордетеллы и др.). При этом происходят остановка метаболических реакций и разрыв клеточной мембраны под действием кристаллов льда. Эта особенность учитывается бактериологами при транспортировке и хранении клинического материала. Известно, что жизнеспособность бактерий может сохраняться даже при температуре жидкого водорода (–253 °С), а у спор бацилл – при –250 °С в течение 3 мес. Особенно губительно переменное воздействие высоких и низких температур (замораживание – оттаивание – нагревание).
Способность микроорганизмов к росту в определенном интервале температур и термоустойчивость спор являются важными физиологическими свойствами и используются при идентификации микроорганизмов (см. разд. 9.3.5 и 9.3.6).
Высушивание (т.е. обезвоживание цитоплазмы бактериальной клетки с денатурацией белка) следует назвать среди других факторов, существенно влияющих на жизнеспособность микроорганизмов. Устойчивость микроорганизмов к этим факторам различна. Так, шигеллы выдерживают высушивание 7 дней, чумной микроб – 8 дней, стафилококки – 90 дней. В высохшей мокроте туберкулезных больных микобактерии сохраняются до 10 мес. Споры сибирской язвы остаются жизнеспособными 10 лет. Однако для длительного хранения микроорганизмов их подвергают лиофильному высушиванию, которое проводят с замораживанием биомассы до –50°С и последующим обезвоживанием в вакуумных аппаратах.
Излучение (прямые солнечные лучи, УФ-генерированные лучи, рентгеновские лучи и т.д.) губительно для микроорганизмов. УФ-лучи повреждают ДНК, вызывая в ней мутации или приводя бактерии к гибели. Ионизирующая радиация также приводит к повреждениям генома или к гибели клетки. Характерно, что летальные дозы ионизирующей радиации могут быть для микроорганизмов в нескольких сот или тысяч раз выше, чем для теплокровных или растений. Так, Micrococcus radiodurans, обитающий в воде атомных реакторов, и некоторые тионовые бактерии в урановых рудниках существуют при излучении в 2–3 млн рад, УФ-излучение, наоборот, более губительно для микроорганизмов даже в незначительных дозах.
УФ-облучение используется в медицинских учреждениях для антимикробной обработки роддомов, операционных, госпитальных палат, боксов и т.д.
Давление. Высокое атмосферное давление, действие которого испытывают определенные виды микроорганизмов, по-разному переносится ими. Допустимый уровень давления, который выдерживают микробы, находится в пределах 100–900 атм, а в морских глубинах около 1000 атм. Некоторые виды бактерий, дрожжей, грибов могут переносить давление около 3000 атм.
Бактерицидными свойствами обладает также ультразвук. Некоторые его частоты вызывают деструкцию органелл и молекул, поэтому данный метод используют для получения дезин-тегратов клетки.
Среди химических факторов, влияющих на жизнеспособность микроорганизмов, различают вещества с бактериостатическим и бактерицидным действием. Механизм действия таких веществ различен. Это может быть действие на клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану, на биосинтез основных клеточных биополимеров, подавление функций ферментов и т.д. Известны также вещества, сходные с метаболитами бактерий, называемые "антиметаболитами", которые обладают антибактериальной активностью. Кроме того, для микробов губительны галогены и их производные, ПАВ, кислоты и щелочи, спирты, альдегиды, красители, соли тяжелых металлов, антибиотики, сульфаниламиды и другие фармацевтические препараты.
Однако степень воздействия указанных веществ зависит от концентрации и продолжительности контакта с микроорганизмом.
Как известно, многие токсичные вещества в незначительных концентрациях могут повышать биохимическую активность микробов. По уровню токсического действия на микроорганизмы металлы располагают в следующем порядке:
Sb > Ag > Си > Hg > Со ≥ Ni > Рb > Cr > V > Сd > Zn > Fe.
В то же время некоторые из них необходимы бактериям как микроэлементы, например Cu (хотя в дозе ≥0,5 мг/л медь токсична для некоторых микроорганизмов).
К химическим факторам, оказывающим существенное воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся концентрация водородных ионов (рН) и окислительно-восстановительный потенциал среды (редокс-потенциал, Eh). Приспособление к определенным значениям рН сложилось у микроорганизмов в процессе эволюции, и существование их за этими пределами невозможно. Значительная часть микроорганизмов, в том числе патогенные бактерии, существует в среде с величиной рН 6,5–8,0. Так, для энтеробактерий оптимальное значение рН 6,8–7,2, для дифтерийной палочки 7,2–7,6, для туберкулезной палочки 5,8–8,0 и т.д. Сапрофиты могут обитать в среде с широким диапазоном рН (от 2,0 до 9,0). По-видимому, для существования некоторых бактерий (холерный вибрион) необходима более щелочная (рН 8,0–10,0), а для других (грибы) – более кислая среда (рН 4,0–6,0). Величина рН среды влияет на метаболизм бактерий, воздействуя на растворимость различных питательных веществ, диссоциацию кислот и оснований, взаимодействие ионов водорода с ферментами цитоплазматической мембраны и клеточной стенки (например, с пермеазами) и т.д.
В процессе жизнедеятельности величина рН может резкоменяться. Так, под действием кислых продуктов метаболизма рост бактерий может прекратиться (молочнокислые и другие бактерии).
Окислительно-восстановительная способность среды зависит от присутствия в ней окислителей и восстановителей. Для характеристики этого свойства используют величину Еп, которая выражается в милливольтах и измеряется потенциометрическим методом по разнице потенциалов двух электродов. Однако окислительно-восстановительный уровень в среде чаще характеризуют с помощью величины rН2 –отрицательного логарифма давления молекулярного водорода в среде. Величина rН2 обычно изменяется от 0 до 41,0. Минимальному значению rН2 соответствует высокий восстановительный уровень (при насыщении среды молекулярным водородом с избыточным давлением 0,1 МПа). При rН2 = 41,0 в среде существует высокий окислительный уровень, создаваемый при ее насыщении кислородом с тем же избыточным давлением. Равновесие окислительных и восстановительных условий имеет величину rН2 = 28,0. У облигатных анаэробов развитие происходит при rН2 = 0–20,0, хотя для размножения требуется rН2 <7,0–8,0. Для факультативных анаэробов величина rН2 находится в пределах от 0 до 30,0; для облигатных аэробов в пределах от 12,0 до 30,0. Среда с rН2 >30,0, являясь средой с сильными окислительными свойствами, непригодна для развития микроорганизмов. Добавление к среде редуцирующих веществ (муравьинокислый Na, глюкоза и др.) позволяет воздействовать на окислительно-восстановительный потенциал.
Исследования последних лет по внеорганизменным популяциям микроорганизмов привели к новым представлениям о формах существования бактерий в среде обитания.
В естественных условиях микробам свойственно образование клеточных сообществ. В таких сообществах микроорганизмы приобретают качества, отличающие их от микробов, существующих в изолированном виде. При размножении бактерии одного или разных видов покрываются белково-полисахаридной пленкой ("матом", "слизистыми тяжами"), в основе которой находится мембраноподобная структура. Это образование с иммобилизованными микроорганизмами, среди которых часто присутствуют водоросли, выполняет функции защиты и питательного косубстрата. При строительстве биопленки могут утилизироваться трудно разлагаемые токсические вещества (фенолы, сульфиды, сероводород), а также органические соединения, такие как лигнины, латексы, гуминовые, жироподобные и другие соединения. Как оказалось, такое образование имеет признаки многоклеточного организма и возникает за счет межклеточных контактов. При этом происходит либо слипание микробных клеток с созданием общей клеточной стенки, либо образование цитоплазматических мостиков (тонкие мембранные трубочки), соединяющих цитоплазмы клеток. Это позволяет внеорганизменным популяциям микроорганизмов совместно реагировать на внешние факторы, придавая ассоциан-там большую резистентность к неблагоприятным воздействиям, а также обеспечивает возможность свободного переноса мелких молекул.
В организме человека и животных микроорганизмы также формируют сообщества, включающие нормальную микрофлору и патогенов. При колонизации органа микроорганизмы, иммобилизованные на биопленке, имеют очень высокую выживаемость при введении любых антибактериальных средств и повышенную резистентность к действию факторов иммунной системы.
Кроме этого, появились сведения о существовании в среде обитания "некультивируемых" форм микроорганизмов. Такое определение дано покоящимся неспорулирующим формам бактерий, которые временно утратили способность к росту на питательных средах вследствие неблагоприятного воздействия окружающей среды. Невыявляемые бактериологически некультивируемые микроорганизмы функционально сходны с эндоспорами бацилл и клостридий. Некультивируемые покоящиеся формы обнаружены у Yersinia, Escherichia, Salmonella, Listeria, Legionella, Shigella, Klebsiella, Enterococcus, Campylobacter, Aero-monas, Agrobacterium, Vibrio, Staphylococcus, Micrococcus и др. При изменении условий существования на более физиологически оптимальные с применением индуцирующих факторов может происходить реверсия покоящихся клеток к вегетативному состоянию. Некоторые ситуации, в которых микробы считались нежизнеспособными, с момента применения ПЦР в исследованиях трактуются как условия перехода микробов в покоящуюся форму с сохранением способности к рекультивированию.
Причинами перехода микроорганизмов в некультивируемое состояние считаются голодание, недостаток питательных веществ и другие стрессорные факторы. Например, с образованием "белков голодания" у бактерий появляется возможность утилизации необычных для них источников питания. Метаболизм клеток меняется так, что они становятся способны противостоять неблагоприятным условиям среды.
Переход клеток из некультивируемого состояния в вегетативное осуществляется при появлении в среде обитания достаточного количества питательных веществ, а также комплекса других оптимальных показателей. В экспериментальных условиях индукторами перехода покоящихся клеток в вегетативное состояние оказались фетальная сыворотка, витамин К (менадион), дрожжевой экстракт и др.
Существенный вклад в изучение вопроса о некультивируемых формах микроорганизмов внесли отечественные ученые А.Л.Гинцбург, В.Ю.Литвин, Ю.М.Романова, В.И.Пушкарева и др. По-видимому, обнаружение некультивируемого состояния у некоторых микроорганизмов повлечет за собой более детальное изучение сроков жизнеспособности микроорганизмов в экстремальных условиях или под действием различных факторов.
Среди биологических факторов, воздействующих в среде обитания на микроорганизмы, могут быть синтезируемые микробами антагонистические субстанции (бактериоцины, микро-цины, литические ферменты, ферменты агрессии, токсины и др.). Однако, помимо антагонизма между микроорганизмами, возможно несколько типов взаимоотношений, способствующих сохранению их жизнеспособности.
- Симбиоз – сосуществование нескольких видов микроорганизмов, основанное на взаимной пользе и дающее им всем преимущества существования в данном микробиоценозе. Симбиоз может проявляться в нескольких видах. Комменсализм – сосуществование, выгодное для одного из партнеров. Примером комменсализма является микрофлора кишечника человека и животных. Мутуализм – взаимовыгодный симбиоз (дрожжи Rhodotorula rubra и гриб Mucor ramannianus). Паразитизм – один из членов ассоциации существует за счет другого, оказывая на него неблагоприятное воздействие, например Bdellovibrio bacteriovorus паразитирует на многих грамположительных и грамотрицательных бактериях. Нейтрализм – сосуществование без отрицательного воздействия друг на друга.
- Синергизм – сосуществование с усилением физиологических функций (например, боррелии и фузобактерии или дрожжи и молочнокислые бактерии).
- Метабиоз – взаимоотношения микроорганизмов, при которых один микроорганизм начинает процесс, а другой продолжает его, утилизируя токсические метаболиты первого. При этом происходит дальнейшее размножение каждого из них. Так, разрушающие клетчатку бактерии, разлагая целлюлозу, накапливают сахара и органические кислоты для других микробов, например для азотобактера. Сателлизм – стимуляция одного микроорганизма другим. Например, сарцины и некоторые грибы, продуцируя витамины и аминокислоты, стимулируют рост других микроорганизмов (уксуснокислых, молочнокислых и других бактерий).