Физические факторы
Температура
По отношению к температурным условиям микроорганизмы разделяют на термофильные, психрофильные и мезофильные.
· Термофильные виды. Зона оптимального роста равна 50-60°С, верхняя зона задержки роста - 75°С. Термофилы обитают в горячих источниках, участвуют в процессах самонагревания навоза, зерна, сена.
· Психрофильные виды (холодолюбивые) растут в диапазоне температур 0-10°С, максимальная зона задержки роста 20-30°С. К ним относит большинство сапрофитов, обитающих в почве, пресной и морской воде. Но есть некоторые виды, например, иерсинии, психрофильные варианты клебсиелл, псевдомонад, вызывающие заболевания у человека.
· Мезофильные виды лучше растут в пределах 20-40°С; максимальная 43-45°С, минимальная 15-20°С. В окружающей среде могут переживать, но обычно не размножаются. К ним относится большинство патогенных и условно-патогенных микроорганизмов.
Высокая температура вызывает коагуляцию структурных белков и ферментов микроорганизмов. Большинство вегетативных форм гибнет при температуре 60°С в течение 30 мин, а при 80-100°С – через 1 мин. Споры бактерий устойчивы к температуре 100°С, гибнут при 130°С и более длительной экспозиции (до 2 ч.).
Для сохранения жизнеспособности относительно благоприятны низкие температуры (например, ниже 0°С), безвредные для большинства микробов. Бактерии выживают при температуре ниже –100°С; споры бактерий и вирусы годами сохраняются в жидком азоте (до –250°С).
Влажность
При относительной влажности окружающей среды ниже 30% жизнедеятельность большинства бактерий прекращается. Время их отмирания при высушивании различно (например, холерный вибрион – за 2 суток, а микобактерии – за 90 суток). Поэтому высушивание не используют как метод элиминации микробов с субстратов. Особой устойчивостью обладают споры бактерий.
Широко распространено искусственное высушивание микроорганизмов, или лиофилизация. Метод включает быстрое замораживание с последующим высушиванием под низким (вакуумом) давлением (сухая возгонка). Лиофильную сушку применяют для сохранения иммунобиологических препаратов (вакцин, сывороток), а также для консервирования и длительного сохранения культур микроорганизмов.
Влияние концентрации растворов на рост микроорганизмов опосредовано изменением активности воды как меры доступной для организма воды. И если содержание солей вне клетки окажется выше их концентрации в клетке, то вода будет выходить из клетки. Угнетение патогенных бактерий хлористым натрием обычно начинается при его концентрации около 3%.
Излучения
Солнечный свет губительно действует на микроорганизмы, исключением являются фототрофные виды. Наибольший микробицидный эффект оказывает коротковолновые УФ-лучи. Энергию излучения используют для дезинфекции, а также для стерилизации термолабильных материалов.
УФ-лучи (в первую очередь коротковолновые, т.е. с длиной волны 250-270 нм) действуют на нуклеиновые кислоты. Микробицидное действие основано на разрыве водородных связей и образовании в молекуле ДНК димеров тимидина, приводящем к появлению нежизнеспособных мутантов. Применение УФ-излучения для стерилизации ограничено его низкой проницаемостью и высокой поглотительной активностью воды и стекла.
Рентгеновское и g-излучение в больших дозах также вызывает гибель микробов. Облучение вызывает образование свободных радикалов, разрушающих нуклеиновые кислоты и белки с последующей гибелью микробных клеток. Применяют для стерилизации бактериологических препаратов, изделий из пластмасс.
Микроволновое излучение применяют для быстрой повторной стерилизации длительно хранящихся сред. Стерилизующий эффект достигается быстрым подъемом температуры.
Ультразвук
Определенные частоты ультразвука при искусственном воздействии способны вызывать деполимеризацию органелл микробных клеток, под действием ультразвука газы, находящиеся в жидкой среде цитоплазмы, активируются и внутри клетки возникает высокое давление (до 10 000 атм). Это приводит к разрыву клеточной оболочки и гибели клетки. Ультразвук используют для стерилизации пищевых продуктов (молока, фруктовых соков), питьевой воды.
Давление
Бактерии относительно мало чувствительны к изменению гидростатического давления. Повышение давления до некоторого предела не сказывается на скорости роста обычных наземных бактерий, но в конце концов начинает препятствовать нормальному росту и делению. Некоторые виды бактерий выдерживают давление до 3 000 – 5 000 атм, а бактериальные споры - даже 20 000 атм.
В условиях глубокого вакуума субстрат высыхает и жизнь невозможна.
Фильтрование
Для удаления микроорганизмов применяют различные материалы (мелкопористое стекло, целлюлоза, коалин); они обеспечивают эффективную элиминацию микроорганизмов из жидкостей и газов. Фильтрацию применяют для стерилизации жидкостей, чувствительных к температурным воздействиям, разделения микробов и их метаболитов (экзотоксинов, ферментов), а также для выделения вирусов.
2. Химические факторы
Способность ряда химических веществ подавлять жизнедеятельность микроорганизмов зависит от концентрации химических веществ и времени контакта с микробом. Дезинфектанты и антисептики дают неспецифический микробицидный эффект. Бактерицидным действием обладают химические вещества различных групп: кислоты, щелочи, спирты, поверхностно-активные вещества, фенолы и их производные, соли тяжелых металлов, окислители, группа формальдегида, газообразные вещества и др. Большое разнообразие природы и химической структуры указанных веществ обусловливает и различные механизмы их бактерицидного действия на микробную клетку.
Бактерицидное действие кислот зависит от их электролитической диссоциации, то есть концентрации Н-ионов в растворах и их окисляющего действия. Чувствительность к кислотам различна у разных микроорганизмов. Так, показано, что если оптимальная концентрация Н-ионов для CI. botulinum соответствует 7,6, то при доведении рН до 4,6 наступает гибель этих бактерий. Самое низкое значение рН, при которой еще наблюдался рост, — это 4,8; при рН 4,7 могут прорастать только споры, а при рН 4,6 наступает прекращение роста вообще.
Бактерицидная активность едких щелочей зависит от степени диссоциации и концентрации ОН-ионов. Наибольшей бактерицидной силой обладает КОН, затем следуют NaOH и другие щелочи. Так же как и в отношении кислот, бактерии обладают определенной щелочной устойчивостью.
Спирты. При разведении спирт приобретает бактерицидные свойства, причем наибольшей бактерицидностью обладает 70 %-ный спирт. Более высокие концентрации свертывают белок, который выпадает на поверхности бактерий и уменьшает проникновение спирта в глубь клетки. Бактерицидность спиртов увеличивается с возрастанием молекулярной массы в ряду: метиловый — этиловый — пропиловый — бутиловый — амиловый и т.д.
Поверхностно-активные вещества — это жирные кислоты, мыла, детергенты. Все они изменяют энергетические соотношения на поверхности раздела, устремляются к поверхности раздела клетки и повреждают клеточную оболочку, не затрагивая внутренних структур клетки.
Красители. К красителям с бактерицидными свойствами относят бриллиантовый зеленый, этакридин, флавакридин и др. В основе их действия лежит выраженное сродство с фосфорнокислыми группами нук-леопротеидов.
Фенолы и их производные первоначально повреждают клеточную стенку, а затем и белки бактериальной клетки.
Соли тяжелых металлов (свинец, медь, цинк, серебро, ртуть) и их соли оказывают коагулирующее влияние на цитоплазму либо на ферментные системы, связывая их сульфгидрильные группы.
Окислители — хлор, йод, марганцовокислый калий, перекись водорода и др., окисляют существенные компоненты цитоплазмы (сульфгидрильные группы активных белков, фенольные, тиоэтильные, индольные, аминные).
Формальдегид также денатурирует белки, он убивает как вегетативные формы, так и споры. Его применяют для обезвреживания дифтерийного и столбнячного токсинов, благодаря чему они превращаются в анатоксины.
Химические вещества (хлор, формальдегид, щелочи, кислоты, фенол и др.) используются в практике в качестве дезинфицирующих веществ. Дезинфекция заключается в уничтожении патогенных микробов. К ней обычно прибегают для обеззараживания помещений, скотных дворов, территории.
Химиотерапевтические средства проявляют избирательное противомикробное действие.
По механизму действия противомикробные вещества разделяются на:
а) деполимеризующие пептидогликан клеточной стенки,
б) повышающие проницаемость клеточной мембраны,
в) блокирующие те или иные биохимические реакции,
г) денатурирующие ферменты,
д) окисляющие метаболиты и ферменты микроорганизмов,
е) растворяющие липопротеиновые структуры,
ж) повреждающие генетический аппарат или блокирующие его функции.
У микроорганизмов химической деструкции, прежде всего, подвергаются белки и липиды цитоплазматической мембраны, белковые молекулы жгутиков, фимбрий, секс-пили, порины клеточной стенки грамположительных бактерий, связывающие белки периплазмы, протеиновые капсулы, экзотоксины, ферменты-токсины и ферменты питания. Деструкция гетерогенных полимеров (белки, полиэфиры и др.) происходит как при действии окислителей, так и при действии гидролизующих и детергентных антисептиков (кислоты, щелочи, соли двух- и поливалентных металлов и др.).
3. Биологические факторы
К биологическим средствам могут быть отнесены препараты, содержащие живых особей - бактериофагов и бактерий, обладающих выраженной конкурентной активностью по отношению к патогенным и условно-патогенным для человека и животных видам микробов. Они вводятся в организм в жизнеспособном состоянии. Фаги и антагонисты оказывают прямое повреждающее действие на патогенных и условно-патогенных микробов; изготовленные из них лекарственные препараты предназначены для местного применения, для них характерна специфичность действия на микроорганизмы и безвредность для пациента; целью их внесения в организм человека и животных является лечение или профилактика инфекционных заболеваний. По механизму действия они близки к химическим антисептикам.
Необходимо также помнить и о молочнокислых бактериях, которые вызывают процесс молочнокислого брожения. Некоторые молочнокислые бактерии способны синтезировать антибиотики и с их помощью подавлять развитие болезнетворных микробов.
Препараты, содержащие бактерии (эубиотики или пробиотики): колибактерин, лактобактерин, бифидумбактерин, бификол, микрококкобактерин, линекс, бактисубтил и другие.
Препараты, содержащие бактериофаги: бактериофаг брюшнотифозный, бактериофаг дизентерийный, бактериофаг сальмонеллезный, бактериофаг коли-протейный, бактериофаг стафилококковый, бактериофаг стрептококковый, бактериофаг пиоцианеус, бактериофаг синегнойный, бактериофаг клебсиеллезный, пиофаг комбинированный и другие.
Стерилизация и ее виды. Дезинфекция.
16. Методы стерилизации. Аппаратура.
Физические методы стерилизации:
1. Прокаливание (фламбирование). Подвергаются металлические предметы (петли, иглы, скальпель, ножницы, шпатель).
2. Стерилизация путем кипячения. Кипячением стерилизуют иглы, шприцы, пинцеты, ножницы, скальпели и другие инструменты, которые раскладывают в стерилизаторах на решетчатые вставки. В стерилизатор наливают дистиллированную воду в количестве, достаточном для полного закрывания инструментов. В воду можно добавлять 2% гидрокарбоната натрия. Кипятят в течение 25 – 30 минут.
3. Стерилизация сухим жаром. Стерилизация осуществляется при помощи сухого нагретого воздуха в сушильном шкафу с двойными стенками (печь Пастера). Снаружи шкаф облицован теплонепроницаемым материалом. Контроль температурного режима осуществляется при помощи температурного датчика. В сушильном шкафу стерилизуют чистую, предварительно высушенную стеклянную посуду, завернутую в пергаментную бумагу. Режимы стерилизации: 155…1600 – 2 часа; 165…1700 – 1…1,5 часа; 1800 – 1 час. Время экспозиции отмечают от момента достижения температурой заданного значения.
4. Стерилизация текучим паром. Стерилизацию проводят в аппарате Коха, который представляет собой сосуд с неплотно закрытой крышкой. На дне аппарата имеется решетчатая подставка, до уровня которой наливают воду. На подставку помещают сосуд с решетчатым дном, в котором находятся объекты, подлежащие стерилизации (питательные среды). В процессе кипения воды образуются пары, нагревающие содержимое сосуда. Время стерилизации – 30…40 минут. Однократная стерилизация уничтожает только вегетативные формы бактерий, а споры сохраняют свою жизнеспособность, стерилизацию проводят «дробно» - три дня подряд. Таким способом стерилизуют среды с углеводами, молоко, среды с желатиной, то есть субстраты, которые не выдерживают нагревания более 1000С, длительного действия пара или сухого жара. 5. Тиндализация – это дробная стерилизация в водяной бане при 56…580С в течение 5…6 суток: в первый день прогревают в течение 2 часов, в последующие дни – по 1 часу. Метод используется для стерилизации материалов, разрушающихся при температуре выше 58…600С – веществ, содержащих белки (сыворотка крови).
6. Пастеризация – это метод не полной стерилизации, используемы с целью сохранения питательной ценности пищевого продукта, которая может снижаться при кипячении. Продукт нагревают при 800С в течение 30 минут, а затем резко охлаждают до 4…80С. Резкое охлаждение препятствует прорастанию спор и последующему размножению бактерий.
7. Стерилизация паром под давлением (автоклавирование). Это самый эффективный метод стерилизации. Принцип стерилизации основан на том, что чистый насыщенный водяной пар при высоком давлении, конденсируясь, повышает температуру внутри автоклава выше температуры кипения. При повышении давления пара соответственно повышается и температура в стерилизационной камере: 50,6 кПа (0,5 атм.) – 110…1120С, 101,3 кПа (1 атм.) – 120…1210С, 151,9 кПа (1,5 атм.) – 124…1260С, 202,6 кПа (2 атм.) – 132…1330С. Конструкции и объем стерилизационной камеры автоклавов могут быть различными (горизонтальные и вертикальные), но принцип действия остается таким же. В автоклаве стерилизуют питательные среды, выдерживающие температуру выше 1000С, стеклянную посуду, завернутую в бумагу, перевязочный материал, халаты (в биксах). Кроме того, обеззараживают микробные культуры, отработанные питательные среды, посуду. Режимы работы автоклава нуждаются в постоянном контроле. Для этого используют химические и биологические методы.
8. Стерилизация фильтрованием. Осуществляется пропускание материала через бактериологические фильтры. Фильтрация связана с механической задержкой бактерий мелкопористыми фильтрами и с адсорбционной способностью материала из которого изготовлен фильтр. Фильтрации обычно подвергают жидкости не выдерживающие нагревания. Различают фильтры:
· керамические – их изготавливают из каолина или кварцевого песка;
· асбестовые - фильтры Зейтца (пластины из смеси асбеста с целлюлозой);
· мембранные – имеют вид тонких листков белой бумаги, их готовят из гемицеллюлозы, обработанной соответствующими реактивами, температурой и прессованием. Эти фильтры различают по диаметру и величине пор, имеют наиболее точную калибровку.
Стерильность фильтратов контролируют высевом на питательные среды с термостатированием.
9. Стерилизация ультрафиолетовым излучением. В лаборатории источником ультрафиолетового излучения обычно служат бактерицидные лампы, используемые для обеззараживания воздуха.
Стерилизация ультразвуком. С помощью ультразвука стерилизуют воду, молоко, некоторые продукты, кожевенное сырье. Стерилизующее действие ультразвука связано с разрушением бактериальной клетки под действием кавитационных полостей, возникающих в цитоплазме.
Для уничтожения микроорганизмов в окружающей среде применяются стерилизация и дезинфекция.
Стерилизация — это полное освобождение объектов окружающей среды от микроорганизмов и их спор. Существуют физические, химические и механические способы стерилизации.
Автоклавирование — это обработка паром под давлением, которая проводится в специальных приборах — автоклавах. Автоклав представляет собой металлический цилиндр с прочными стенками, состоящий из двух камер: парообразующей и стерилизующей. В автоклаве создается повышенное давление, что приводит к увеличению температуры кипения воды. Паром под давлением стерилизуют питательные среды, патологический материал, инструментарий, белье и т.д.
Наиболее распространенный режим работы автоклава — 2 атм., 120°С, 15—20 мин. Началом стерилизации считают момент закипания воды.
При проведении стерилизации в автоклаве необходимо осуществлять контроль стерилизации.
Существует 3 вида контроля:
* химический — в автоклав при каждой загрузке кладут бензойную кислоту, мочевину, запаянные в ампулы, или индикаторы стерилизации ТВИ — 120°С — 1 атм, ТВИ - 132°С - 2 атм.
При достижении заданного режима стерилизации указанные вещества меняют свой цвет, а термовременные индикаторы темнеют; термический — 2 раза в месяц максимальным термометром во время стерилизации проводят замер температуры в контрольных точках, которая должна достичь заданных параметров;
* биологический — проводится 2 раза в год. В контрольных точках помещают пробирки со споровой культурой Bacillus stearothermophilies, погибающей при 120°С в течение 15 мин. После стерилизации пробирки помещают в термостат при t = 55 °С на 48 часов. При достижении заданного режима рост тесткультуры отсутствует: фиолетовой цвет среды в пробирках не меняется.
Стерилизация текучим паром проводится в аппарате Коха или в автоклаве при не завинченной крышке и открытом выпускном кране. На дно аппарата Коха наливают воду и нагревают до 100°С. Образующийся пар движется вверх через заложенный материал и стерилизует его. Так как однократное действие паров воды не убивает споры, применяют дробную стерилизацию — 3 дня подряд по 30 мин. Споры, не погибшие при первом прогревании, прорастают до следующего дня в вегетативные формы и погибают при втором и третьем прогревания.
Для веществ, разрушающихся при 100°С (например, жидкости содержащие белок), применяют другой вид дробной стерилизации — тиндализацию. Стерилизуемое вещество прогревают на водяной бане по 1 ч при 56— 60°С в течение 5—6 дней. Для освобождения от вегетативных форм микробов прибегают к пастеризации — однократному прогреванию при 70°С в течение 30 мин с последующим быстрым охлаждением и хранением на холоду, чтобы не проросли споры.
Сухожаровая стерилизация — проводится в печах Пастера. Это шкаф с двойными стенками, изготовленный из металла и асбеста, нагревающийся с помощью электричества и снабженный термометром. Сухим жаром стерилизуют, в основном, лабораторную посуду. Обеззараживание материала в нем происходит при 160°С в течение 1 часа.
В бактериологических лабораториях используется такой вид стерилизации, как прокаливание над огнем. Этот способ применяют для обеззараживания бактериологических петель, шпателей, пипеток. Для прокаливания над огнем используют спиртовки или газовые горелки.
К физическим способам стерилизации относятся также УФ-лучи и рентгеновское излучение. Такую стерилизацию проводят в тех случаях, когда стерилизуемые предметы не выдерживают высокой температуры.
Механическая стерилизация — проводится при помощи фильтров (керамических, стеклянных, асбестовых) и особенно мембранных ультрафильтров из коллоидных растворов нитроцеллюлозы. Такая стерилизация позволяет освобождать жидкости (биопрепараты, сыворотку крови, лекарства) от бактерий, грибов, простейших и вирусов, в зависимости от размеров пор фильтра. Для ускорения фильтрации создают повышенное давление в емкости с фильтруемой жидкостью или пониженное давление в емкости с фильтратом.
В микробиологической практике часто используют асбестовые фильтры Зейтца, Шамберлана.
Такие фильтры рассчитаны на одноразовое применение.
Химическая стерилизация — этот вид стерилизации применяется ограниченно. Чаще всего используют химические вещества для предупреждения бактериального загрязнения питательных сред и иммунобиологических препаратов.
При химической стерилизации возможно использование двух токсичных газов: окиси этилена и формальдегида. Эти вещества в присутствии воды могут инактивировать ферменты, ДНК и РНК, что приводит бактериальные клетки к гибели. Стерилизация газами осуществляется в присутствии пара при 50—80°С в специальных камерах. Этот вид стерилизации опасен для окружающих, однако существуют объекты, которые могут быть повреждены при нагревании и поэтому их можно стерилизовать только газом. Например, оптические приборы, некоторые питательные среды.
Для проведения стерилизации тех или иных объектов необходимо строго соблюдать установленный режим стерилизации.
Для сохранения стерильности стерилизуемые предметы должны иметь упаковку, не допускающую микробного загрязнения.
Дезинфекция - комплекс мероприятий, направленных на уничтожение в объектах конкретных патогенных микробов. После дезинфекции могут сохраняться непатогенные микробы. В медицине применяют физические и химические методы дезинфекции.
1. Физические методы: 1) механические (проветривание, влажная уборка и др.); 2) действие высокой температуры (прокаливание, кипячение, пастеризация); 3) УФО (облучение бактерицидными лампами).
2. Химические методы - применяют в различных концентрациях следующие дезинфицирующие вещества: I) хлорсодержащие препараты (хлорная известь, хлорамин Б, гипохлорит кальция, хлоргексидин и др.); 2) окислители (перекись водорода, перманганат калия); 3) фенолы (карболовая кислота, лизол); 4) йод и йодофоры (йод + ПАВ); 5) соли тяжёлых металлов (сулема, диоцид, мертиолят); ПАВ (сульфанол); 7) четвертичные аммонийные соединения (роккал); 8) 70% этанол; 9) формалин; 10) красители (бриллиантовый, зеленый);II) кислоты (салициловая, борная и др.).
Механизм дезинфекции различен: механическое удаление; коагуляция белков при нагревании; хлорсодержащие препараты и формалин взаимодействуют с аминогруппами белков, окислители - с сулъфгидрильными группами; фенолы повреждает клеточную стенку и нарушают процессы дыхания, соли тяжелых металлов образуют альбуминаты белков, ПАВ изменяют заряд клеточных мембран, четвертичные аммонийные соединения нарушают процессы дыхания, красители взаимодействуют с нуклеиновыми кислотами и т.д.