Стр Глава 3 Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы
Жизнь микроорганизмов находится в тесной зависимости от условий окружающей среды. Как на растения, макроорганизмы, так и на микромир существенное влияние оказывают различные факторы внешней среды. Их можно разделить на три группы: химические, физические и биологические.
Физические факторы
Из физических факторов наибольшее влияние на микроорганизмы оказывают: температура, высушивание, лучистая энергия, ультразвук, давление.
Температура: жизнедеятельность каждого микроорганизма ограничена определенными температурными границами. Эту температурную зависимость обычно выражают тремя точками: минимальная (min) температура — ниже которой размножение прекращается, оптимальная (opt) температура — наилучшая температура для роста и развития микроорганизмов и максимальная (max) температура — температура, при которой рост клеток или замедляется, или прекращается совсем. Впервые в истории науки Пастером были разработаны методы уничтожения микроорганизмов при воздействии на них высоких температур.
Оптимальная температура обычно приравнивается к температуре окружающей среды.
Все микроорганизмы по отношению к температуре условно можно разделить на 3 группы:
Первая группа: психрофилы — это холодолюбивые микроорганизмы, растут при низких температурах: min t — 0°С, opt t — от 10—20°С, max t — до 40°С. К таким микроорганизмам относятся обитатели северных морей и водоемов. К действию низких температур многие микроорганизмы очень устойчивы. Например, холерный вибрион долго может храниться во льду, не утратив при этом своей жизнеспособности. Некоторые микроорганизмы выдерживают температуру до -190°С, а споры бактерий могут выдерживать до -250°С. Действие низких температур приостанавливает гнилостные и бродильные процессы, поэтому в быту мы пользуемся холодильниками. При низких температурах микроорганизмы впадают в состояние анабиоза, при котором замедляются все процессы жизнедеятельности, протекающие в клетке.
Ко второй группе относятся мезофилы — это наиболее обширная группа бактерий, в которую входят сапрофиты и почти все патогенные микроорганизмы, так как opt температура для них 37°С (температура тела), min t = 10°С, maxt = 45°C.
К третьей группе относятся термофилы — теплолюбивые бактерии, развиваются при t выше 55°С, min t для них = 30°С, max t = 70—76°С. Эти микроорганизмы обитают в горячих источниках. Среди термофилов встречается много споровых форм. Споры бактерий гораздо устойчивей к высоким температурам, чем вегетативные формы бактерий. Например, споры бацилл сибирской язвы выдерживают кипячение в течение 10—20 с. Все микроорганизмы, включая и споровые, погибают при температуре 165—170°С в течение часа. Действие высоких температур на микроорганизмы положено в основу стерилизации.,
Высушивание. Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов нужна вода. Высушивание приводит к обезвоживанию цитоплазмы, нарушается целостность цитоплазмагической мембраны, что ведет к гибели клетки. Некоторые микроорганизмы под влиянием высушивания погибают уже через несколько минут: это менингококки, гонококки. Более устойчивыми к высушиванию являются возбудители туберкулеза, которые могут сохранять свою жизнеспособность до 9 месяцев, а также капсульные формы бактерий. Особенно устойчивыми к высушиванию являются споры. Например, споры плесневых грибов могут сохранять способность к прорастанию в течение 20 лет, а споры сибирской язвы могут сохраняться в почве до 100 лет.
Для хранения микроорганизмов и изготовления лекарственных препаратов из бактерий применяется метод лио-фильной сушки. Сущность метода состоит в том, что микроорганизмы сначала замораживают при -273 °С, а потом высушивают в условиях вакуума. При этом микробные клетки переходят в состояние анабиоза и сохраняют свои биологические свойства в течение нескольких лет. Таким способом, например, изготавливают биопрепарат «колибактерин», содержащий штаммы Е. coli.
Лучистая энергия. В природе бактериальные клетки постоянно подвергаются воздействию солнечной радиации. Прямые солнечные лучи губительно действуют на микроорганизмы. Это относится к ультрафиолетовому спектру солнечного света (УФ-лучи), они инактивируют ферменты клетки и разрушают ДНК. Патогенные бактерии более чувствительны к действию УФ-лучей, чем сапрофиты. Поэтому в бактериологической лаборатории микроорганизмы выращивают и хранят в темноте.
Опыт Бухнера показывает, насколько УФ-лучи губительно действуют на клетки: чашку Петри с плотной средой засевают сплошным газоном. Часть посева накрывают бумагой, и ставят чашку Петри на солнце, а затем через некоторое время ее ставят в термостат. Прорастают только те микроорганизмы, которые находились под бумагой. Поэтому значение солнечного света для оздоровления окружающей среды очень велико.
Бактерицидное действие УФ-лучей используют для стерилизации закрытых помещений: операционных, родильных отделений, перевязочных, в детских садах и т. д. Для этого используются бактерицидные лампы ультрафиолетового излучения с длиной волны 200—400 нм.
На микроорганизмы оказывают влияние и другие виды лучистой энергии — это рентгеновское излучение, а-, р- и у-лучи оказывают губительное действие на микроорганизмы только в больших дозах. Эти лучи разрушают ядерную структуру клетки. В последние годы радиационным методом стерилизуют изделия для одноразового использования — шприцы, шовный материал, чашки Петри.
Малые дозы излучений, наоборот, могут стимулировать рост микроорганизмов.
Ультразвук вызывает поражение клетки. Под действием ультразвука внутри клетки возникает очень высокое давление. Это приводит к разрыву клеточной стенки и гибели клетки. Ультразвук используют для стерилизации продуктов: молока, фруктовых соков.
Высокое давление. К атмосферному давлению бактерии, а особенно споры, очень устойчивы. В природе встречаются бактерии, которые живут в морях и океанах на глубине 1000— 10 000 м под давлением от 100 до 900 атм. Сочетанное действие повышенных температур и повышенного давления используется в паровых стерилизаторах для стерилизации паром под давлением.
Химические факторы
Влияние химических веществ на микроорганизмы различно. Оно зависит от химического соединения, его концентрации, продолжительности воздействия.
В малых концентрациях химическое вещество может являться питанием для бактерий, а в больших — оказывать на них губительное действие. Например, соль NaCl в малых количествах добавляют в питательные среды. Так же существуют галофильные микроорганизмы, которые предпочитают соленую среду. В больших концентрациях NaCl задерживает размножение микроорганизмов. Для примера можно привести консервирование в быту: при недостаточном количестве соли баллоны с овощами могут «взрываться».
Многие химические вещества изспользуются в медицине в качестве дезинфицирующих средств. К ним относятся фенолы, соли тяжелых металлов, кислоты, щелочи. К наиболее распространенным дезрастворам относят хлоросодер-жащие соединения: хлорная известь, хлорамин Б, дихлор-1, сульфохлорантин, хлорцин и др. Активность дезинфицирующих веществ не одинакова и зависит от времени экспозиции, концентрации, температуры. В качестве контрольных микроорганизмов для изучения действия дезрастворов используют S. typhi и S. aureus. Для дезинфекции могут использоваться кислоты: 40% раствор уксусной кислоты для обеззараживания обуви. Виды дезинфекций: профилактическая— для предупреждения и распространения инфекций; текущая — при возникновении эпидемического очага и заключительная — после окончания эпидемической вспышки, (см. схему «Характеристика показаний для дезинфекции»)
Некоторые химические вещества используются в качестве антисептиков. Антисептики — это противомикробные вещества, которые используются для обработки биологических поверхностей. Антисептика — это комплекс мероприятий, направленных на уничтожение микробов в ране или организме в целом, на предупреждение и ликвидацию воспалительного процесса. К антисептикам относятся:
препараты йода (спиртовый раствор йода, йодинол, йодоформ, раствор Люголя);
* соединения тяжелых металлов (соли ртути, серебра, цинка);
* химические вещества нитрофуранового ряда (фуразо-лидон, фурациллин); окислители (перекись водорода, калия перманганат);
* кислоты и их соли (салициловая, борная);
* красители (метиленовый синий, бриллиантовый зеленый).
Характеристика показаний для дезинфекции
Виды дезинфекции
Профилактическая
При возможности или угрозе распространения инфекционных болезней при невыявленном источнике инфекции
-- Места скопления люден:
Вокзалы
Гостиницы
Общежития
Общественные туалеты
Парикмахерские
Детские дошкольные учреждения
Бассейны
—^- Лечебные учреждения:
Родильные дома Операционные блоки и др.
Предприятия по изготовлению пищевых продуктов —- Водопроводные станции и сооружения
" Исполнители:
персонал учреждений работники дезинфекционных учреждений
" Время проведения:
периодически
Очаговая
- При наличии источника возбудителя инфекции (больного или бактериовыделителя) дома, в стационаре к Исполнители:
мед. персонал больницы члены семьи больного больные и бактериовыделители
- Время проведения:
постоянно Заключительная
После удаления источника из очага госпитализация больного смерть больного выздоровление перепрофилирование инфекционного отделения
Исполнители:
мед. персонал отделений члены семьи больного работники дез. службы
Время проведения:
немедленно трибольничных инфекций примелекс мероприятий, направленных организмов. В медицинской практике антибиотики используются для лечения многих инфекционных заболеваний. Антагонизм может развиваться в форме конкуренции за источники питания. Если один микроорганизм использует другой организм как источник питания, то такой вид антагонизма называется паразитизмом. Примером паразитизма является отношение вирус — хозяин, бактериофаг — бактерии.
Уничтожение микроорганизмов в окружающей среде
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.
К наиболее распространенным способам физической стерилизации относятся автоклавирование и сухожаровая стерилизация.
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.
К работе с автоклавом допускаются подготовленные специалисты, которые точно и строго выполняют все правила работы с этим прибором.
Сухожаровая стерилизация — проводится в печах Пас-тера. 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 рас-читаны 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 по-
3* 67 этому их можно стерилизовать только газом. Например, оптические приборы, некоторые питательные среды.
Для проведения стерилизации тех или иных объектов необходимо строго соблюдать установленный режим стерилизации (например, для питательных сред он указан в рецепте приготовления).
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 тесткульту-ры отсутствует: фиолетовой цвет среды в пробирках не меняется.
Для сохранения стерильности стерилизуемые предметы должны иметь упаковку, не допускающую микробного загрязнения.
Бактериофаги
Бактериофаги — это вирусы, обладающие способностью проникать в бактериальные клетки, репродуктироваться в них и вызывать их лизис.
Фаги широко распространены в природе — в воде, почве, сточных водах, в кишечнике животных, человека, птиц, в раковых опухолях растений. Фаг был выделен из молока, овощей. Источником фагов патогенных микробов являются больные люди и животные, бактерионосители, реконвалес-центы. Выделяются с содержимым кишечника, мочой, его обнаруживали в мокроте, слюне, гное, носовом секрете. Особенно большое количество фагов выделяется в период выздоровления.
Фаг получают путем добавления в котлы с бульонными культурами специального производственного фага, который выдерживают сутки при 37°С, затем фильтруют. Проверяют на чистоту, стерильность, безвредность и активность (силу действия).
Структура и морфология фагов: большинство фагов состоит из головки, воротничка и хвостового отростка, заканчивающегося базальной пластинкой, к которой прикреплены фибриллы.
Содержание головки — это ДНК (иногда РНК). Хвостовой отросток имеет цилиндрический стержень, окруженный сократительным чехлом. В оболочку фаговой частицы и отросток входит белок, состоящий из полиаминов: спермин, путресцин, кислоторастворимый пептид.
Фаги более устойчивы во внешней среде, чем бактерии. Выдерживают давление до 6000 атм., устойчивы к действию радиации. До 13 лет не теряют своих литических свойств, находясь в запаянных ампулах.
Некоторые вещества, например, хлороформ и ферментативные яды (цианид, флорид), не оказывают влияния на фаги, но вызывают гибель бактерий.
Однако фаги быстро погибают при кипячении, действии кислот, УФ-лучей.
Фаги обладают строгой специфичностью, т. е. способны паразитировать только в определенном виде микроорганизмов: стрептококках, стафилококках и т. д. Фаги с более строгой специфичностью, которые паразитируют только на определенных представителях данного вида, называются типовыми. Фаги, которые лизируют микроорганизмы близких видов, например, видов, входящих в род возбудителей дизентерии (шигелл), называются поливалентными.
По механизму взаимодействия с клетками фаги подразделяются на вирулентные и умеренные.
Феномен бактериофагии, вызываемый вирулентными фагами, проходит в 5 фаз:
1) адсорбция — с помощью нитей хвостового отростка;
2) проникновение в клетку;
3) репродукция белка и нуклеиновой кислоты внутри клетки;
4) сборка и формирование зрелых фагов;
5) лизис клетки, выход фага из нее.
Умеренные фаги не лизируют все клетки, а с некоторыми вступают в симбиоз. Клетка выживает. Умеренный фаг превращается в профаг, который не обладает литическим действием.
Лизогенезация бактерий сопровождается изменением их морфологических, культуральных, ферментативных, антигенных и биологических свойств. Так, например, нетокси-генные штаммы коринебактерий дифтерии в результате ли-зогенизации превращаются в токсигенные. Практическое использование фагов: * назначают с профилактической и лечебной целью при дизентерии, брюшном тифе, паратифах, холере, чуме, стафилококковой инфекции; в диагностике инфекционных заболеваний; метод фаготипирования дает возможность устанавливать вид бактерий и тем самым выявлять источники инфекции.