Физико-химические факторы

Влияние кислотности среды. Концентрация водородных ионов, или рН среды, оказывает значительное влияние на микро­организмы. Уже малейшие её колебания создают возможность или невозможность существования микробов. Впрочем, многие бактерии малочувствительны к изменениям рН в пределах от 6,0 до 9,0 хотя при быстрых его изменениях бывает кратковремен­ный (до 30 мин) сдвиг внутриклеточного рН, который впоследст­вии восстанавливается.

Действие кислотности среды может быть прямым, когда ионы Н непосредственно воздействуют на организм, или кос­венным, когда снижается лишь степень диссоциации веществ, имеющих существенное значение для клетки. Так, например, снижая степень диссоциации слабых кислот и оснований, pН уве­личивает способность их проникать в клетку, т.к. физиологиче­ски активны именно недиссоциированные кислоты. В зависимо­сти от рН может изменяться стабильность макромолекул, заряд на поверхности клетки и т. д. В связи с этим значение рН очень важно для роста и развития микроорганизмов, а также накопле­ния ими продуктов метаболизма.

Каждый микроорганизм имеет свой максимум и минимум рН, в пределах которых он может развиваться, хотя вообще жизнь микробов возможна в чрезвычайно широком диапазоне: от pН = 0,6 для серобактерий до рН ~ 11 для гнилостных бактерий. Для большинства микроорганизмов оптимальное значение рН близко к нейтральному. Очень кислая и особенно щелочная среды токсичны. Так, основная масса бактерий хорошо развива­ется при pН от 6,5 до 7,5 Микроскопические грибы, хотя и менее чувствительны к реакции среды, предпочитают кислотность от 4 до 6,0. В природе встречаются микроорганизмы, которые хо­рошо развиваются при щелочной (рН > 9) и кислой (рН < 3) реак­ции среды. Это алкалофилы и ацидофилы, соответственно.

К сожалению, до настоящего времени неизвестно, каков механизм, обеспечивающий стабильность клеток в столь экстре­мальных условиях. Можно только предполагать, что значитель­ную роль в поддержании градиента между рН внутри клетки и рН среды играют клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана и различные метаболические процессы (протонные и анионные на­сосы) клетки микроорганизма.

Отрицательное влияние кислотности среды используется в практике консервирования пищевых продуктов, приготовления маринадов, сырокопчёных колбас. Основано это на том, что при низких значениях рН без доступа воздуха растут лишь немногие микроорганизмы. Для их уничтожения достаточно простой пас­теризации. А термоустойчивые споры при рН менее 5,0 не про­растают. В биотехнологии, при получении продуктов метаболиз­ма, установление и поддержание заданного оптимума рН имеет существенное значение. Так, при спиртовом брожении, проте­кающем при рН 4,0, образуется этиловый спирт и диоксид угле­рода. При сдвиге рН в щелочную сторону (рН ~ 7,5) брожение происходит с образованием спирта, диоксида углерода и уксус­ной кислоты. Другими словами, с изменением рН изменяется на­правление метаболизма клетки. Вместе с тем, зависимость разви­тия от рН нельзя рассматривать изолированно от других факто­ров, например, состава питательной среды. На синтетические среды рН влияет более резко, значительно сужая пределы воз­можного существования микробов.

Окислительно-восстановительный потенциал (гН₂). Ес­ли pН выражает степень кислотности и щелочности, то гН₂ - степень аэробности. Окислительно-восстановительный потенциал характеризует способность веществ быть донорами или акцепто­рами электронов. Он может быть измерен экспериментально для любой окислительно-восстановительной системы. Установлено, что в водном растворе, насыщенном кислородом, гН₂ - 41, а в ус­ловиях насыщения водородом гН₂ ~ 0. Шкала от 0 до 41 характе­ризует любую степень аэробности. Это отрицательный логарифм давления молекулярного водорода в среде, выражаемый в паскалях. Чем больше концентрация окислителя, тем выше потенциал. И наоборот, чем меньше рН₂, тем больше восстановительная спо­собность раствора.

В живой клетке гН₂ возникает между клеточной стенкой и ионами питательной среды. Многие бактерии окисляют вещества, возникающие в процессе метаболизма, имеющие относительно низкий гН₂. Именно по этому фактору, который зависит от дыха­тельного коэффициента (К), все микроорганизмы подразделяются на аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы.

1. Облигатные аэробы. Они нуждаются в кислороде, т.е.
получают энергию только путём дыхания. В эту группу входит большая часть бактерий и грибов. Многие аэробы относятся к микроаэрофилам, довольствующимся небольшими количествами кислорода.

2. Облигатные анаэробы. Это микроорганизмы, для кото­рых кислород токсичен. Они могут расти только в бескислородной среде, получая энергию при брожении. Пример бактерии рода Clostridium.

3. Факультативные анаэробы. Эти микроорганизмы, например, дрожжи, в зависимости от условий среды проявляют бродильный тип обмена, получая энергию с помощью брожения, или окислительный, получая энергию посредством дыхания.

Среди факультативных анаэробов выделяются аэротолерантные молочнокислые бактерии, которые могут расти в при­сутствии молекулярного кислорода, но, имея бродильный (ана­эробный) тип обмена, не могут его использовать. В настоящее время, изменяя гН₂ в среде, можно управлять синтезом микробной клетки. Для аэробов гН₂ ~ 10 - 30; анаэробов гН₂<20 для жизнедеятельности и гН₂ < 3 - 5 для размножения.