Изменения температуры, осмотического давления, облучение, высушивание и другие физические факторы вызывают значительное нарушение обменных процессов в цитоплазме клетки, что может привести к ее гибели.
Температура. Имеет в жизнедеятельности бактерий большое значение. В зависимости от интенсивности и экспозиции (времени) воздействия температурный фактор может стимулировать рост или, наоборот, вызывать необратимые смертельные изменения микробной клетки. Для каждого вида микроорганизмов существует определенный температурный диапазон роста, в котором различают: оптимальную температуру, наиболее благоприятную для роста и размножения микробов, максимальную и минимальную температуры, выше и ниже которых развитие микроорганизмов прекращается. Оптимальная температура обычно соответствует температурным условиям естественной среды обитания.
Все микроорганизмы по отношению к температуре делятся на три группы, внутри которых границы температурного диапазона варьируют.
Психрофилы (от греч. psychros — холодный) приспособились в процессе эволюции к жизни при низких температурах. Оптимальная температура для их развития 10—20°С, максимальная 30°С и минимальная 0°С. Это главным образом сапрофитные микробы северных морей, почвы, железобактерии.
Мезофилы (от греч. mesos — средний) развиваются в диапазоне 20—45°С; оптимальной для них является температура 30—37°С. К этой обширной группе относятся все патогенные микробы.
Термофилы (от греч. termos — теплый), растущие при температуре выше 55°С, развиваются при оптимальной температуре 50—60°С. Минимальная температура для их развития 25°С, а максимальная 70—80°С. Микробы этой группы обнаруживаются в почве, навозе, воде горячих источников. Среди них много споровых форм.
Неблагоприятное воздействие на микроорганизмы могут оказывать как высокие, так и низкие температуры. Значительно более чувствительны микробы к высоким температурам. Повышение температуры за пределы максимальной для их жизнедеятельности вызывает убыстрение биохимических реакций в клетке, нарушение проницаемости клеточных оболочек, повреждение термочувствительных ферментов. Это влечет за собой расстройство жизненно важных процессов метаболизма в клетке, свертывание (денатурация) белков клетки и ее гибель. Гибель большинства вегетативных форм бактерий наступает при 60°С в среднем через 30 мин, при 70°С — через 10—15 мин, а при 80—100°С— через 1 мин. Споры бактерий гораздо устойчивее к высоким температурам, на-пример споры возбудителя столбняка выдерживают кипячение до 3 ч, а ботулизма — до 6 ч. Гибель спор при использовании влажного тепла (автоклав) наступает при 110—120°С через 20—30 мин, а сухого тепла (печь Пастера) при 180°С в течение 45 мин. Действие высоких температур положено в основу стерилизации — обеспложивания различных материалов и предметов.
Неблагоприятное воздействие на микроорганизмы могут оказывать как высокие, так и низкие температуры. Значительно более чувствительны микробы к высоким температурам. Повышение температуры за пределы максимальной для их жизнедеятельности вызывает убыстрение биохимических реакций в клетке, нарушение проницаемости клеточных оболочек, повреждение термочувствительных ферментов. Это влечет за собой расстройство жизненно важных процессов метаболизма в клетке, свертывание (денатурация) белков клетки и ее гибель. Гибель большинства вегетативных форм бактерий наступает при 60°С в среднем через 30 мин, при 70°С — через 10—15 мин, а при 80—100°С— через 1 мин. Споры бактерий гораздо устойчивее к высоким температурам, на-пример споры возбудителя столбняка выдерживают кипячение до 3 ч, а ботулизма — до 6 ч. Гибель спор при использовании влажного тепла (автоклав) наступает при 110—120°С через 20—30 мин, а сухого тепла (печь Пастера) при 180°С в течение 45 мин. Действие высоких температур положено в основу стерилизации — обеспложивания различных материалов и предметов.
К влиянию низких температур микроорганизмы чрезвычайно устойчивы. При температуре ниже 0°С они впадают в состояние анабиоза, при котором происходит торможение всех процессов жизнедеятельности клетки и прекращается ее размножение. Многие бактерии в жидком водороде при температуре — 253°С часами остаются живыми. Холерный вибрион и кишечная палочка могут долгое время сохраняться во льду. Возбудители дифтерии переносят замораживание в течение 3 мес, возбудители чумы — до 1 года. Особенно устойчивы к низким температурам вирусы и бактерии, образующие споры, менее устойчивы такие патогенные бактерии, как гонококки, менингококки, бледная спирохета, риккетсии. Губительно действуют на микробы повторное и быстрое замораживание и оттаивание, которые приводит к разрыву клеточных оболочек и выпадению содержимого клетки. Угнетающее действие низкой температуры на рост и размножение микроорганизмов используют при сохранении пищевых продуктов в погребах, холодильниках, в замороженном виде.
Высушивание, или дегидратация, у вегетативных форм бактерий в большинстве случаев вызывает гибель клетки, так как для нормальной жизнедеятельности ее необходима вода. При влажности субстрата, в котором размножаются микроорганизмы, ниже 30% развитие большинства из них прекращается. Сроки отмирания различных микробов под влиянием высушивания широко варьируют: холерный вибрион выдерживает высушивание до 2 сут, шигеллы — 7 дней, возбудители дифтерии— 30 дней, брюшного тифа — 70 дней, стафилококки и микобактерии туберкулеза — 90 дней, а молочнокислые бактерии и дрожжи — несколько лет. Очень устойчивы к высушиванию споры бактерий. Метод дегидратации после предварительного замораживания широко используют в целях консервирования стандартных культур микроорганизмов (бактерии, вирусы и т. д.), иммунных сывороток и вакцинных препаратов. Такие препараты могут храниться длительно. Сущность метода состоит в том, что культуры бактерий в ампулах быстро замораживают при температуре —78°С в сосудах с уплотненной углекислотой, а потом высушивают в безвоздушном пространстве (вакуумная, лиофильная сушка). Ампулы с культурой после этого запаивают.
Неблагоприятное действие высушивания на рост и размножение микроорганизмов используют при изготовлении, консервации сухих продуктов. Однако такие продукты, попав в условия высокой влажности, быстро портятся из-за восстановления активности микробов.
Действие облучений. На жизнедеятельность микроорганизмов может оказывать влияние как лучистая энергия, так и звуковое облучение.
Солнечный свет губительно влияет на все микроорганизмы, за исключением зеленых и пурпурных серобактерий. Прямые солнечные лучи убивают большинство микробов в течение нескольких часов. Патогенные бактерии более чувствительны к действию света, чем сапрофиты. Гигиеническое значение света как естественного обеззараживающего средства очень велико. Оно освобождает от болезнетворных бактерий воздух, внешнюю среду. Наиболее сильное бактерицидное (уничтожающее бактерий) действие оказывают лучи с короткой длиной волны—ультрафиолетовые. Их используют для стерилизации операционных, бактериологических лабораторий и других помещений, а также воды и молока. Источником этих лучей являются ртутно-кварцевые и бактерицидноувиолевые лампы. Другие виды лучистой энергии — рентгеновские, гамма-лучи — вызывают гибель микробов лишь при действии в больших дозах. Их используют для стерилизации бактериологических препаратов и некоторых пищевых продуктов. Вкусовые свойства пищи при этом не изменяются. В процессе действия лучистой энергии разрушается клеточная ДНК.
Звуковые облучения: обычные звуковьіе лучи практически лишены губительного действия на микроорганизмы в отличие от ультразвуковых. Ультразвуковые лучи вызывают значительное поражение клетки, при котором происходят разрыв ее наружной оболочки и освобождение цитоплазмы. Полагают, что газы, растворенные в жидкой среде цитоплазмы, под действием ультразвука активируются, возникает большое давление внутри клетки и она механически разрывается.
Действие давления (механическое, газовое, осмотическое).
Бактерии, особенно спороносные, очень устойчивы к механическому давлению. Давление 600 атм в течение 24 ч не влияет на возбудителя сибирской язвы, а при 20 000 атм в течение 45 мин он разрушается неполностью. Неспороносные бактерии более чувствительны к высокому давлению: холерный вибрион выдерживает давление 3000 атм, но у него частично снижаются подвижность и способность к размножению. Коринебактерии дифтерии, стрептококки, нейссерии, возбудители брюшного тифа устойчивы к давлению 5000 атм в течение 45 мин, но чувствительны к 6000 атм. Вирусы, бактериофаги инактивируются при давлении 5000—6000 атм, а бактериальные токсины (столбнячный и дифтерийный) ослабляются при давлении 12 000—15 000 атм. Механизм действия высокого механического давления — результат физико-химических изменений жидкости: уменьшения ее объема, повышения вязкости, скорости химических реакций.
Давление газов, растворенных в питательной среде, оказывает действие на микроорганизмы в зависимости от природы газа и типа обменного процесса в клетке. Водород при давлении 120 атм за 24 ч вызывает гибель 10— 40% клеток кишечной палочки, углекислота при давлении 50 атм убивает вегетативные формы за 90 мин, а азот и при 120 атм не оказывает выраженного действия на микробов.
Осмотическое давление имеет большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов. По переносимости различных концентраций минеральных солей бактерии разделены на две большие группы: галофильные, которые могут развиваться в среде обитания с высоким содержанием солей, особенно хлорида натрия, и негалофильные, жизнедеятельность которых возможна при содержании хлорида натрия 0,5—2%. Оптимальным содержанием хлорида натрия для большинства патогенных микроорганизмов является среда с 0,5% этого вещества.
Губительное действие концентрированных растворов солей и сахара на микроорганизмы используют при консервировании ряда продуктов: рыбы, мяса, овощей, фрук¬тов. Содержание 15—30% хлорида натрия в растворе обеспечивает гибель вегетативных форм и подавляет спорообразование. Чувствительность микроорганизмов к наличию хлорида натрия в среде различна: возбудители ботулизма прекращают жизнедеятельность в 6% растворе, дрожжи — в 14%, а некоторые галофилы могут размножаться в 20—30% растворах хлорида натрия.
Механическое встряхивание. Умеренная частота встряхиваний (1—60 в минуту) обеспечивает хорошую аэрацию питательной среды и создает благоприятные условия для роста аэробов. Резкие и быстрые встряхивания тормозят развитие, а при воздействии в течение длительного времени вызывают изменения клеточных белков и даже полное разрушение клеток. Сильное механическое встряхивание бактерий в контакте с инертными плотными частицами (стеклянные бусы, кварц) оказывает непосредственное вредное действие на клетки—бактерии разрушаются. Такой метод механической дезинтеграции используют для разрушения биомассы микробов при получении из них различных антигенов.