К химическим факторам внешней среды, оказывающим влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, относятся состав среды и концентрация в ней некоторых веществ, наличие или отсутствие ингибиторов, тормозящих рост микробов, кислотность, окислительно-восстановительные условия среды.
Состав среды и концентрация в ней веществ.
Развитие микроорганизмов в пищевом сырье и продуктах происходит в присутствии сложной смеси различных минеральных и органических соединений. Они используются микроорганизмами в качестве питания и энергетического материала и могут влиять на их развитие, а также определять окислительно-восстановительные условия среды. В процессе жизнедеятельности микроорганизмы потребляют из среды некоторые питательные вещества и концентрация их в среде уменьшается. Кроме того, из их клеток выделяются некоторые вещества - продукты обмена, которые также влияют на химический состав среды. Поэтому при развитии микроорганизмов состав среды и содержание в ней различных веществ изменяются.
Для роста и размножения микроорганизмов важное значение имеет концентрация питательных веществ. Для каждого из них существует минимальная концентрация, при которой клетка может ассимилировать это питательное вещество. При оптимальной, т. е. достаточной, концентрации микроорганизмы растут с наибольшей скоростью. Дальнейшее увеличение концентрации некоторых питательных веществ, например углеводов, приводит к угнетению роста. Поэтому при максимальной концентрации еще происходит незначительное размножение клеток, но далее оно уже Приостанавливается.
Оптимальные концентрации для разных веществ очень различны. Слишком высокие концентрации некоторых веществ, в том числе и питательных, вредны, так как создают высокое осмотическое давление в среде. При этом вода из клеток микробов выходит наружу, клетка обезвоживается, цитоплазма сжимается. Происходит явление, называемое плазмолизом, при котором микроорганизмы погибают. Такое положение создается в среде с высоким содержанием поваренной соли, например при посоле рыбы.
Существуют и осмофильные формы микробов, которые предпочитают среды с высоким осмотическим давлением. Так, устойчивые к высоким концентрациям солей солелюбивые микроорганизмы живут в соленых водоемах или засоленных почвах - солончаках. Другие микроорганизмы могут существовать в средах с высоким содержанием сахара. Такие осмофилы распространены довольно широко. Например, в меде, сахарных сиропах, варенье встречаются осмофильные дрожжи, способные жить при концентрации сахара 70-80 %. Эта способность выработалась путем приспособления к условиям существования.
Когда концентрация веществ в клеточном соке микроорганизмов выше, чем в окружающей среде, то в клетку извне поступает вода и создается упругое, напряженное состояние - туpгoр. При этом цитоплазма клетки плотно прижимается к мембране, растягивая ее. В состоянии тургора клетки микроорганизмов могут нормально осуществлять процессы жизнедеятельности.
Ингибиторы.
Некоторые ядовитые вещества тормозят или приостанавливают (ингибируют) развитие микроорганизмов. При действии ядовитых веществ большое значение имеет их концентрация.
Известно, что многие сильнодействующие ядовитые вещества в очень малых дозах стимулируют жизнедеятельность микроорганизмов. Однако при повышении концентрации эти вещества проявляют уже бактерицидное (убивающее бактерии) действие в отношении вегетативных клеток, а затем и в отношении спор. Ядовитые вещества, применяемые для борьбы с микроорганизмами, называют антисептиками. Большое значение для уничтожения микробов имеет продолжительность контакта ядовитых веществ с кислотами.
Некоторые химические соединения вызывают лишь временную остановку жизнедеятельности микробов, которая затем возобновляется после удаления ядовитого вещества. Такое действие химических веществ называется бактериостатическим.
Сильными ядами для микроорганизмов являются соли тяжелых металлов, например ртути и серебра, уже при концентрации 0,0001 % и меньше. Механизм действия ядовитых веществ различен. Одни, такие, как фенолы, ингибируют окислительные реакции микроорганизмов, угнетая их развитие и приводя к гибели. Другие, например кислоты, щелочи и сильные окислители, разрушают белковые соединения в клетках микроорганизмов. Альдегиды и некоторые минеральные соли вступают в соединения с белками цитоплазмы микроорганизмов и подавляют их химическую активность.
Разнообразные свойства ядовитых веществ используют в практической работе для уничтожения микроорганизмов (подробнее см. в разделе «Дезинфекция»).
Кислотность среды.
Для развития микроорганизмов большое значение имеет кислотность среды, как общая кислотность (титруемая), так и концентрация водородных ионов рН (активная). Титруемая кислотность определяется количеством в среде органических и неорганических кислот. Микроорганизмы различаются по способности размножаться в кислых средах: есть кислотоустойчивые бактерии (например, молочнокислые, уксуснокислые), но есть и кислоточуствительные (например, гнилостные бактерии).
То же и в отношении активной кислотности среды, т. е. рН.
Каждый микроорганизм может проявлять жизнедеятельность только в определенных пределах значений рН, так как от них зависит активность ферментов микробной клетки. Отношение микроорганизмов к реакции среды разнообразно. Отдельные микроорганизмы могут развиваться в широких пределах величины рН и легко переносят подкисление или подщелачивание среды, однако для большинства допустимые пределы изменения рН сравнительно узки.
Активная реакция среды вне пределов, пригодных для развития, действует губительно. Большинство бактерий развивается в нейтральной среде; дрожжи и кислотообразующие микроорганизмы - в слабокислой; в более кислых продуктах могут расти только плесневые грибы. Гнилостные бактерии в кислой среде не размножаются и не разлагают белков. Кишечная палочка и паратифозные бактерии развиваются в слабокислой среде, но при рН до 3-3,5 погибают очень быстро. Известное значение при этом имеет химическая природа кислоты. Отношение некоторых микроорганизмов к активной кислотности среды показано в табл. 2.
Таблица 2. Кардинальные точки рН среды для роста некоторых микроорганизмов.
Микроорганизмы | рН среды | ||
минимум | оптимум | максимум | |
Дрожжи | 2,5-3,0 | 4-6 | 8,5 |
Эшерихия коли (кишечная палочка) | 4,4-5,0 | 6,5-7,5 | 7,8-9,0 |
Протеус вульгарис (палочка протея) | 4,4-4,9 | 6,5-7,5 | 8,4-9,4 |
Бациллус субтилис (сенная палочка) | 4,5 | 6,7 | 8,5 |
В естественных средах микроорганизмы распределяются в зависимости от их отношения к рН. Например, в почве и водоемах происходят значительные колебания рН. Поэтому живущие в них сапрофитные микробы приспособились к широкому диапазону значения рН. Наоборот, микроорганизмы, ведущие паразитический образ жизни в теле хозяина (человека и животного), могут расти лишь в узком диапазоне рН.
В процессе жизнедеятельности микроорганизмы изменяют реакцию среды, потребляя из нее питательные вещества и образуя продукты обмена веществ. В зависимости от рН среды микробы обнаруживают различную химическую деятельность, так как рН влияет не только на образование ферментов в микробных клетках, но и на их активность. Иногда в зависимости от рН среды меняется метаболизм микробов. Так, в кислой среде дрожжи в результате брожения образуют из сахара спирт, а в щелочной среде - глицерин и уксусный альдегид. Палочка протея вырабатывает наибольшее количество протеолитических ферментов при рН 7,5-8,1 и температуре 18-20 °С через 4 сут. У гнилостных бактерий, портящих пищевые продукты, наибольшая протеолитическая активность при рН выше 7. У некоторых бактерий максимальная активность протеаз проявляется при рН намного ниже 7 (например, у молочнокислых бактерий).
Стафилококки с наибольшей активностью разрушают желатину при рН 8-8,5, так как оптимальное значение рН для действия фермента желатиназа равно 8. При рН 6,8-7,2 разжижение желатина протекает в 10 раз медленнее, а при 4,6-5,2 даже в 30 раз медленнее. Молочнокислые бактерии могут разлагать казеин (белок молока) при рН ниже 7. Поэтому в кислых молочных продуктах (сыре, твороге) молочнокислые бактерии могут вызвать разложение белков - протеолиз.
Окислительно-восстановительные условия.
Степень аэробности среды, т. е. количество в ней кислорода определяют как окислительно-восстановительные условия. Они оказывают большое влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Прежде всего окислительно-восстановительные условия среды определяют возможность развития, так как потребность различных микроорганизмов в кислороде очень различна. Аэробы не могут размножаться в бескислородной среде, анаэробы, наоборот, не могут размножаться в присутствии кислорода.
Другое важное значение окислительно-восстановительных условий среды состоит в том, что они определяют направление химических реакций. Например, при наличии кислорода (аэрация) дрожжи в сахарсодержащих средах используют его для окислительных реакций, конечными продуктами которых являются углекислый газ и вода. При недостатке же кислорода дрожжи вызывают спиртовое брожение и в среде накапливаются спирт и углекислый газ.
Окислительно-восстановительные условия имеют большое значение при хранении пищевых продуктов, ограничивая развитие одних микроорганизмов и способствуя развитию других. Доступ воздуха важен для многих вредителей продуктов при холодильном хранении. Однако без доступа воздуха и при низкой температуре эти микробы могут жить в продуктах длительное время.