Физические, химические и биологические факторы окружающей среды оказывают различное воздействие на микроорганизмы: бактерицидное - приводящее к гибели клетки; бактериостатическое - подавляющее размножение микроорганизмов; мутагенное - изменяющее наследственные свойства микробов.
4.3.1. Влияние физических факторов
Влияние температуры. Представители различных групп микроорганизмов развиваются при определенных диапазонах температур. Бактерии,
растущие при низкой температуре, называют психрофилами; при средней (около 37 °С) - мезофитами; при высокой - термофилами.
Психрофильные микроорганизмы растут при температуре от -10 до 40 "С; температурный оптимум колеблется от 15 до 40 °С, приближаясь к температурному оптимуму мезофильных бактерий. К психрофилам относится большая группа сапрофитов - обитателей почвы, морей, пресных водоемов и сточных вод (железобактерии, псевдомонады, светящиеся бактерии, бациллы). Некоторые психрофилы могут вызывать порчу продуктов питания на холоде. Способностью расти при низких температурах обладают и некоторые патогенные бактерии (возбудитель псевдотуберкулеза размножается при температуре 4 "С, а возбудитель чумы - в диапазоне от 0 до 40 °С при оптимуме роста 25 °С). В зависимости от температуры культивирования свойства бактерий меняются. Так, Serratia marcescens образует при температуре 20-25 °С большее количество красного пигмента (продигиозана), чем при температуре 37 °С. Возбудитель чумы, выращенный при 25 °С, вирулентнее, чем при 37 "С. Синтез полисахаридов, в том числе кап-сульных, активизируется при более низких температурах культивирования.
Мезофилы растут в диапазоне температур от 10 до 47 °С, оптимум роста около 37 "С. Они включают в себя основную группу патогенных и условно-патогенных бактерий.
Термофильные бактерии развиваются при более высоких температурах (от 40 до 90 °С). На дне океана в горячих сульфидных водах живут бактерии, развивающиеся при температуре 250-300 °С и давлении 265 атм. Термофилы обитают в горячих источниках, участвуют в процессах самонагревания навоза, зерна, сена. Наличие большого количества термофилов в почве свидетельствует о ее загрязненности навозом и компостом. Поскольку навоз наиболее богат термофилами, их рассматривают как показатель загрязненности почвы.
Температурный фактор учитывается при осуществлении стерилизации. Вегетативные формы бактерий погибают при температуре 60 °С в течение 20-30 мин., споры - в автоклаве при 120 °С в условиях пара под давлением.
Микроорганизмы хорошо переносят действие низких температур. Поэтому их можно
долго хранить в замороженном состоянии, в том числе при температуре жидкого азота (-173 °С).
Высушивание. Обезвоживание вызывает нарушение функций большинства микроорганизмов. Наиболее чувствительны к высушиванию возбудители гонореи, менингита, холеры, брюшного тифа, дизентерии и другие патогенные микроорганизмы. Более устойчивыми являются микроорганизмы, защищенные слизью мокроты. Так, бактерии туберкулеза в мокроте выдерживают высушивание до 90 дней. Устойчивы к высушиванию некоторые кап-суло- и слизеобразующие бактерии. Особой устойчивостью обладают споры бактерий. Например, споры возбудителя сибирской язвы могут сохраняться в почве столетиями.
Для продления жизнеспособности, при консервировании микроорганизмов, используют лиофилизацию - высушивание под вакуумом из замороженного состояния. Лиофилизированные культуры микроорганизмов и иммунобиологические препараты длительно (в течение нескольких лет) сохраняются, не изменяя своих первоначальных свойств.
Действие излучения. Ионизирующее излучение применяют для стерилизации одноразовой пластиковой микробиологической посуды, питательных сред, перевязочных материалов, лекарственных препаратов и др. Однако имеются бактерии, устойчивые к действию ионизирующих излучении, например Micrococcus radiodurans был выделен из ядерного реактора.
Неионизирующее излучение - ультрафиолетовые и инфракрасные лучи солнечного света, а также ионизирующее излучение - гамма-излучение радиоактивных веществ и электроны высоких энергий губительно действуют на микроорганизмы уже через короткий промежуток времени.
Ультрафиолетовые лучи, достигающие поверхности земли, имеют длину волны 290 нм. УФ-лучи применяют для обеззараживания воздуха и различных предметов в больницах, родильных домах, микробиологических лабораториях. С этой целью используют бактерицидные лампы ультрафиолетового излучения с длиной волны 200-400 нм.
4.3.2. Влияние химических веществ
Химические вещества могут оказывать различное действие на микроорганизмы: служить источниками питания; не оказывать какого-либо влияния; стимулировать или подавлять рост, вызывать гибель. Антимикробные химические вещества используются в качестве антисептических и дезинфицирующих средств, так как обладают бактерицидным, вирули-цидным, фунгицидным действием и т. д.
Химические вещества, используемые для дезинфекции, относятся к различным группам, среди которых наиболее широко представлены хлор-, йод- и бромсодержащие соединения и окислители (см. разд. 7.7).
4.3.3. Влияние биологических факторов
Микроорганизмы находятся в различ
ных взаимоотношениях друг с другом.
Совместное существование двух различных
организмов называется симбиозом
(от греч.
simbiosis
- совместная жизнь). Различают
несколько вариантов полезных взаимоотно
шений: метабиоз, мутуализм, комменсализм,
сателлизм.
Метабиоз - взаимоотношение микроорганизмов, при котором один из них использует для своей жизнедеятельности продукты жизнедеятельности другого. Метабиоз характерен для почвенных нитрифицирующих бактерий, использующих для своего метаболизма аммиак - продукт жизнедеятельности аммонифицирующих почвенных бактерий.
Мутуализм - взаимовыгодные взаимоотношения разных организмов. Примером мутуалистического симбиоза являются лишайники - симбиоз гриба и сине-зеленой водоросли. Получая от клеток водоросли органические вещества, гриб, в свою очередь, поставляет им минеральные соли и защищает от высыхания.
Комменсализм (от лат. commensalis - сотрапезник) - сожительство особей разных видов, при котором выгоду из симбиоза извлекает один вид, не причиняя другому вреда. Комменсалами являются бактерии - представители нормальной микрофлоры человека
Сателлизм - усиление роста одного вида микроорганизма под влиянием другого вида микроорганизма. Например, колонии дрожжей или сарцин, выделяя в питательную среду метаболиты, стимулируют рост вокруг них колоний других микроорганизмов. При совместном росте нескольких видов микроорганизмов могут активизироваться их физиологические функции и свойства, что приводит к более быстрому воздействию на субстрат.
Антагонистические взаимоотношения, или антагонистический симбиоз, выражаются в виде неблагоприятного воздействия одного вида микроорганизма на другой, приводящего к повреждению и даже гибели последнего. Микроорганизмы-антагонисты распространены в почве, воде и в организме человека и животных. Хорошо известна антагонистическая активность против посторонней и гнилостной микрофлоры представителей нормальной микрофлоры толстого кишечника человека - бифидобактерий, лактобактерий, кишечной палочки и др.
Механизм антагонистических взаимоотношений разнообразен. Распространенной формой антагонизма является образование антибиотиков - специфических продуктов обмена микроорганизмов, подавляющих развитие микроорганизмов других видов. Существуют и другие проявления антагонизма, например большая скорость размножения, продукция бактериоцинов, в частности колицинов, продукция органических кислот и других продуктов, изменяющих рН среды.
Биологи называют бактерии эволюционным рецептом успеха - настолько они устойчивы к любым условиям внешней среды. Некоторые из них прекрасно себя чувствуют даже при смертельных дозах радиации.
Микробиолог Джон Батиста из Университета Луизианы повидал немало. Однако о своей первой встрече с микробом, в шутку прозванным «Конан-супербактерия», он сказал: «Честное слово, мне было нелегко поверить в реальность существования подобного организма».
В начале 1960-х годов Томас Брок обнаружил в Йеллоустонском национальном парке бактерии, выдерживавшие температуры, близкие к точке кипения. После этого микробиологи стали находить всё новые виды микробов экстремалов. Однако Конан превзошел всех: самый устойчивый микроорганизм, он выдерживает трескучий мороз, испепеляющую жару, кислотные ванны и яды. Но поразительней всего была его реакция на высокие дозы радиоактивного облучения. Даже 1500-кратное превышение дозы, смертельной для прочих организмов, не приносило бактерии никакого вреда.
Впервые Конан был обнаружен в 1950-х годах в испорченных мясных консервах, предназначавшихся для армии. Для защиты от заражения бактериями консервы в США обычно стерилизуют с помощью радиоактивного излучения. Тем сильнее удивились ученые, когда увидели в банках розовую плесень с запахом гнилой капусты, явно бактериального происхождения. Они были озадачены. Ведь обычно радиация вызывает в живых организмах глубокие повреждения генетического материала. Если количество таких повреждений превысит некий критический уровень, микроорганизм погибает. Но для Конана закон не писан. Какие же механизмы спасают невзрачную кроху от смерти в любой ситуации?
Поставленные в тупик микробиологи занялись разгадкой тайны Конана. Они исследовали его генетический материал до и после воздействия радиации и проанализировали обменные процессы. К их удивлению, результаты свидетельствовали, что Конан тоже сильно страдает от радиации, но при этом умеет преодолевать ее гибельные последствия.
Если некоторые яды или ионизирующее излучение наносят сравнительно незначительный вред лишь одной из двух нитей ДНК организма, то радиоактивное излучение вызывает повреждение обеих нитей ДНК, а их восстановление часто бывает непосильным для организма. Так, для гибели живущей в кишечнике человека кишечной палочки достаточно двух-трех таких повреждений ДНК.
Конан же, напротив, быстро восстанавливал две сотни подобных «поломок». Дело в том, что в процессе эволюции у него выработались эффективные механизмы восстановления генных повреждений - в том числе появился особый фермент, который отыскивает подходящие «запчасти» в наследственном материале, копирует их и вставляет в поврежденные участки.
Восстановлению ДНК у Конана способствует еще одно обстоятельство: геном Конана состоит из четырех кольцевых молекул ДНК, причем в каждой клетке геном присутствует не в одной, как у большинства бактерий, а в нескольких копиях. Именно благодаря этим копиям и происходит восстановление поврежденных участков. Поскольку клетка наиболее уязвима для радиации в момент деления, когда кольцевая молекула ДНК должна разомкнуться, Конан выработал еще один способ защиты: три молекулы бактерия оставляет свернутыми в кольцо, а четвертую использует для нужд воспроизведения. Если под воздействием радиации эта хромосома получает повреждения, запасные хромосомы служат матрицами, с которых организм копирует правильные последовательности генов.
В 2007 г. микробиолог Майкл Дж. Дейли обнаружил еще одну причину гиперстойкости Конана: эта бактерия отличается невероятно высокой внутриклеточной концентрацией марганца -элемента, который также способствует восстановлению повреждений ДНК.
И все же, несмотря на сделанные открытия, загадка сверхустойчивости Конана к радиации до конца еще не разгадана. Исследования идут полным ходом: ученые надеются эффективно использовать Конана для очистки почв, загрязненных радиацией.
Микроорганизмы встречаются в самых неподходящих, на наш взгляд, экологических нишах. Так, некоторые виды бактерий (Bacillus submarinus) способны жить в океанах на глубине более 5000 м, выдерживая гидростатическое давление свыше 3,1–10 8 Па, экстремально термофильные бактерии Thermus aquaticus выделяются из воды и илов горячих источников, температура которых достигает 92° С, крайние галофильные бактерии обнаружены в воде Мертвого моря.
Определенные факторы среды могут различно влиять на микроорганизмы, действовать на них угнетающе либо вызывать гибель микробной популяции. Положительный или отрицательный эффект действующего фактора обусловлен как природой самого фактора, так и свойствами микроорганизма.
Влажность. Наличие влаги обусловливает уровень процессов метаболизма в клетке, поступление в нее веществ питательного субстрата, энергию роста и размножения бактерий.
Большинство бактерий при влажности среды свыше 20% развиваются нормально.
Высушивание бактерий приводит к обезвоживанию цитоплазмы клетки, почти полному прекращению процессов метаболизма и в конечном итоге к переходу микробной клетки в состояние анабиоза. Использование высушивания применяется при хранении пищевых продуктов.
Часто и в условиях глубокого иссушения бактерии сохраняют жизнеспособность. Так, микобактерии туберкулеза сохраняют жизнеспособность в высохшей мокроте больного более 10 месяцев, споры бацилл сибирской язвы в сухом состоянии выживают до 10 лет. Метод сублимаций (высушивания) в настоящее время широко применяется для длительного хранения живых вакцин против туберкулеза, чумы, оспы, гриппа, а также для содержания производственных и музейных культур микроорганизмов.
Температура. Жизнедеятельность прокариот непосредственно зависит от температурного диапазона. Он характеризуется тремя кардинальными точками: минимальная температура, ниже которой прекращается рост и развитие бактерий; оптимальная температура, соответствующая наивысшей скорости роста микроба, максимальная температура, выше которой скорость роста бактерий практически снижается до нуля. На основании температурного диапазона все прокариоты подразделяются на 3 группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.
Психрофилы (от греч. psychros – холод, phileo – люблю) представлены бактериями, развивающимися при низких температурах от – 5 до 20–35 0 С. Среди них выделяют подгруппу облигатных психрофилов, неспособных расти при температуре выше 20 °С. Это бактерии глубоких озер, северных морей и океанов. Вторую весьма обширную подгруппу составляют факультативные психрофилы – бактерии, приспособившиеся к действию переменных температур от – 5 °С до 20–35 °С, населяют зону умеренного климата.
Низкие температуры замедляют в клетке процессы метаболизма, на этом основано использование холодильников, погребов и ледников для хранения пищевых продуктов. Многие микроорганизмы в толще природных льдов способны пребывать в состоянии анабиоза «захороненными» до 12000 лет.
К мезофилам (от греч. mesos – средний) относится подавляющая масса прокариот, для которых температурный диапазон лежит в пределах 10–47° С, при оптимальных температурах 30–40° С. В эту группу входят многие патогенные бактерии, вызывающие заболевания теплокровных животных и человека.
Термофилы (от греч. thermos – тепло, жар) составляют разнообразную группу бактерий, растущих в температурном диапазоне от 10 до 55–60° С. Факультативные термофилы, одинаково успешно развиваются как при температуре 55–60° С, так и при 10–20° С, и облигатные термофилы, не способные к росту при температуре ниже 40° С. Экстремальные термофилы живут при температуре выше 70° С. Они выделены из горячих источников и отнесены к родам Thermomicrobium, Thermus, Thermothrix и др. Особую стойкость к высокой температуре проявляют споры бактерий, выдерживающие температуру кипения в течение двух-трех часов.
Лучистая энергия . Различные виды излучений по разному влияют на бактерии. Инфракрасное излучение (длины волн от 760 нм до 400 мкм) не способно вызвать какие-либо существенные фотохимические изменения в живых клетках. Рентгеновские лучи (длины волн менее 10 нм) ионизируют макромолекулы живых клеток. Возникающие фотохимические изменения вызывают развитие мутаций либо гибель клетки. Отдельные виды бактерий обладают поразительной устойчивостью к действию рентгеновских лучей. Это тионовые бактерии, обитающие в залежах урановых руд, а также бактерии Micrococcus radiodurans, выделяемые из воды атомных реакторов при дозе ионизирующего излучения в 2–3 млн. рад.
Видимый свет (длины волн от 380 до 760 нм) оказывает благоприятное влияние только на развитие фотосинтезирующих бактерий.
Сильным эффектом обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 253,7 нм. На бактерицидном действии ультрафиолетовых лучей на бактерии основано использование их для обеззараживания продуктов питания, питательных сред, посуды, а также дезинфекции палат, операционных, помещений родильных домов.
Ультразвук. Ультразвук – высокочастотные колебания звуковых волн (более 20000 Гц). Ультразвук оказывает мощное бактерицидное действие на прокариоты. Сила этого действия зависит от частоты колебаний, длительности воздействия, а также от физиологического состояния и индивидуальных особенностей микроорганизма. При длительном озвучивании микробной культуры наблюдается 100%-ный летальный эффект.
Действие ультразвука заключается в необратимых физико-химических изменениях компонентов микробной клетки и механических повреждениях всех клеточных структур. В настоящее время ультразвук применяют для стерилизации пищевых продуктов, лабораторного оборудования и вакцин.
Реакция среды. Реакция среды является одним из важных факторов, определяющих развитие бактерий, влияет на растворимость веществ питательного субстрата и поступление их в клетку. Изменение реакции среды нередко сопровождается повышением концентрации токсических соединений.
Прокариоты по отношению их к кислотности среды могут быть разделены на несколько групп. Подавляющее большинство их относятся к нейтрофилам, для которых оптимальна нейтральная среда. В этой группы многие бактерии способны проявлять кислотоустойчивость или щелочеустойчиость.
Среди прокариот имеются ацидофилы,
развивающиеся в кислой среде со значением рН 2–3. К умеренным ацидофилам относятся бактерии, обитающие в воде кислых болот и озер, а также в кислых почвах при
рН 3–4. Крайними ацидофилами являются бактерии родов Thiobacillus и Sulfomonas, а также Thermoplasma acidophila.
Алкалофильные бактерии сушествуют в щелочной среде. К алкалофильным бактериям относятся представители рода Bacillus и холерный вибрион, размножение которого возрастает при значении рН выше 9.
На отрицательном влиянии повышенной кислотности среды на большинство микроорганизмов основано применение маринадов.
Кислород. Большинство прокариот для жизнедеятельности нуждаются в кислороде и носят название облигатных (строгих) аэробов.
Облигатные аэробы способны выдерживать концентрацию кислорода порядка 40–50%. Бактерии, для которых молекулярный кислород необходим в незначительных количествах – не более 2%, получили название микроаэрофилов.
Вторую группу прокариот составляют микроорганизмы, для жизнедеятельности которых молекулярный кислород не нужен. Такие микроорганизмы получили название облигатных анаэробов. К ним относятся маслянокислые, метанобразующие, сульфатвосстанавливающие и некоторые другие бактерии. В клетках облигатных анаэробов окисление веществ субстрата происходит без участиякислорода. К ним относятся представители родов Methanobacterium, Methanosarcina, Fusobacterium и др.
Многие виды маслянокислых бактерий проявляют устойчивость к молекулярному кислороду и носят название аэротолерантных. Примером аэротолерантов являются бактерии рода Clostridium. Особую аэротолерантность проявляют эндоспоры маслянокислых бактерий. Прокариоты, способные расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях и переключать свой энергетический метаболизм с одного способа получения энергии на другой, получили название факультативных аэробов или факультативных анаэробов. Примером факультативных анаэробов являются денитрифицирующие и десульфофицирующие бактерии, а также обширная группа энтеробактерий.
Антисептики. Химические соединения, оказывающие губительное действие на микроорганизмы, получили название антисептиков.
Действие антисептика на бактерии может быть бактериостатическим или бактерицидным. Бактериостатическое действие лишь прекращает рост и размножение микробных клеток; бактерицидное – вызывает гибель бактерий, что нередко сопровождается лизисом клеток. Получаемый эффект зависит от самой природы химических соединений, их концентрации, от продолжительности действия антисептика на микроорганизмы, а также от сопутствующих факторов среды – температуры, величины рН и т.д.
Антисептики представлены различными органическими и неорганическими соединениями. Из неорганических соединений сильными антисептиками являются соли тяжелых металлов – ртути (сулема), свинца, серебра, цинка и др. Соли ртути, серебра, мышьяка проявляют сильное ингибирующее действие на ферменты микробной клетки. Даже в незначительных концентрациях 1:1000 соли тяжелых металлов вызывают гибель большинства бактерий в течение нескольких минут.
Из органических соединений антисептическим действием обладают этиловый и изопропиловый спирты (70%-ные растворы), фенол, крезол и их производные, формальдегид. Особенно широкое применение находит фенол (карболовая кислота). Большинство микробов погибают от действия 1–5%-ного раствора карболовой кислоты. Сильным антисептиком является формальдегид.
Радиационная микробиология - это отрасль микробиологии, изучающая действие ультрафиолетового и ионизирующего излучений на микроорганизмы. Исследования в области радиационной микробиологии имеют целью: 1) изучение механизмов биологического действия ультрафиолетового и ионизирующих излучений на микроорганизмы; 2) использование радиации как фактора, вызывающего наследственную изменчивость или гибель бактерий.
Микроорганизмы служат широко используемым объектом радиобиологических экспериментов для исследования общих закономерностей действия излучений на клетку. В этой области радиационная микробиология непосредственно смыкается с радиобиологией (см.). Радиационная микробиология решает вместе с тем важные практические задачи, имеющие народнохозяйственное значение, например применение излучений как фактора переделки природы микроорганизмов с целью получения больших выходов биологически ценных веществ (антибиотиков, витаминов, гормонов, аминокислот). На стерилизующем эффекте излучений основан метод «холодной» стерилизации (см.), которая часто имеет преимущества перед стерилизацией теплом или антисептиками, а иногда оказывается единственно возможной.
Действие ионизирующей радиации на наследственность было впервые обнаружено в опытах на микроорганизмах. В 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов обнаружили, что под влиянием рентгеновского излучения у микроорганизмов возникают изменения, стойко сохраняющиеся в последующих поколениях (мутации). Это наблюдение положило начало развитию новой отрасли знаний - радиационной генетике (см.). Радиационная микробиология учитывает вскрытые этой наукой закономерности, в частности то, что в определенном диапазоне доз излучения количество мутантных форм увеличивается пропорционально дозе. При помощи ионизирующей радиации естественная частота мутационного процесса может быть увеличена в десятки раз. При этом, конечно, увеличивается выход самых разнообразных наследственно измененных вариантов, затрагивающих различные наследуемые признаки микроорганизмов. Именно поэтому само по себе облучение без последующей селекции не может служить способом получения измененных в желаемом направлении форм микроорганизмов. Облучение лишь обеспечивает появление в микробной популяции большего числа вариантов с наследственными изменениями. Последующая селекция по интересующему признаку позволяет быстрее и с большей вероятностью успеха отобрать необходимый для тех или иных нужд вариант. Так, например, селекция штаммов-продуцентов пенициллина Penicillium chrysogenum с предварительным воздействием рентгеновского и ультрафиолетового излучений позволила американским микробиологам отобрать варианты с продуктивностью, более чем в 100 раз превышающей выработку пенициллина исходным штаммом. Использование мутантов, индуцированных нейтронами, - рентгеновским и ультрафиолетовым излучениями или химическими мутагенами, в 15-30 раз повысило продуктивность штаммов-продуцентов стрептомицина, хлортетрациклина, окситетрациклина. Ведутся работы по радиационной селекции других важных в производственном отношении штаммов микроорганизмов (вакцинных, токсигенных, продуцентов аминокислот и т. п.).
Проблемы радиационной микробиологии, относящиеся к использованию стерилизующего действия радиации, прежде всего связаны с определением доз радиации и условий облучения, обеспечивающих гибель микроорганизмов. Бактерицидное действие рентгеновых лучей было известно уже в конце прошлого столетия. Однако практическое использование ионизирующих излучений для целей стерилизации стало возможным только в последние годы благодаря созданию мощных облучателей, в частности гамма-облучателей, заряженных радиоактивным кобальтом. Современные гамма-облучатели дают возможность обеспечивать огромные дозы радиации в короткое время и в больших объемах облучаемого объекта. Необходимость в создании установок большой мощности для целей стерилизации объясняется относительно высокой радиорезистентностью микроорганизмов. Если для млекопитающих летальные дозы облучения колеблются в пределах 400-1000 рад, то инактивация микробов в зависимости от условий облучения происходит только при использовании доз порядка сотен тысяч или миллионов рад.
Бактерицидное действие ионизирующих излучений зависит от ряда факторов. Высушивание микроорганизмов приводит к повышению радиорезистентности. Аналогичное действие оказывают уменьшение парциального давления кислорода в облучаемом объекте, понижение температуры во время облучения, а также условия, создаваемые после облучения. В случаях облучения микробных культур чувствительность микроорганизмов меняется в зависимости от цикла развития культуры.
Различные микроорганизмы обладают различной радиорезистентностью. Так, например, для достижения стерилизующего эффекта при облучении взвесей неспорообразующих бактерий (Bact. coli, Proteus vulgaris) необходимо облучение в дозах 100 000-500 000 рад. Для инактивации спор спорообразующих микроорганизмов необходимы большие дозы - 1 500 000-2 500 000 рад.- Еще более устойчивы вирусы: стерилизующий эффект наступает только при облучениях в дозах 3 000 000- 5 000 000 рад.
Кроме спор, которые отличаются высокой устойчивостью к ионизирующим излучениям, известны высокорадиорезистентные бактерии, не образующие спор. Высокорадиорезистентные бактерии чаще всего встречаются среди кокков. Поверхность различных изделий медицинского назначения, а также воздух помещений, где эти изделия производятся, бывают загрязнены различными бактериями, в том числе сарцинами, которые отличаются особенно высокой устойчивостью к ионизирующим излучениям. К коккам относится и хорошо известный Micrococcus radiodurans, изолированный из облученного мяса Anderson с соавторами . Спектрофотометрический анализ пигмента радио устойчивых микрококков, выделенных Anderson, показал, что большинства пигментов - каротеноиды . Пигменты, изолированные из радиоустойчивых клеток, были чувствительны, к облучению. Однако высокой радиорезистентностью обладали и беспигментные варианты микрококка . В дальнейшем микрококк, выделенный Anderson, привлек внимание радиобиологов и получил название Micrococcus radiodurance. Он был более устойчив не только к действию рентгеновых лучей или гамма-излучения, но и к облучению ультрафиолетом. Микрококк оказался в 3 раза более устойчивым к ультрафиолетовым лучам, чем кишечная палочка. Для задержки синтеза ДНК в клетках микрококка требуются доли, в 20 раз более высокие, чем те, которые вызывают аналогичный эффект у кишечной палочки.
Можно предположить, что высокая радиорезистентность микрококка связана с особой системой репарации поражений, вызываемых облучением. Отмечена различная природа репараций повреждений Micrococcus radiodurnnce, возникающих в результате ультрафиолетовых облучений и действия ионизирующих излучений .
Высокорадиорезистентные бактерии были выделены из пыли предприятий, производящих медицинские изделия из пластмасс в Дании Christensen с соавторами , Это были Streptococcus Faccium., оказалось, что радиорезистентность различных штаммов одного и того же вида микроорганизмов значительно варьирует. Так, для большинства штаммов Sir, faecium доза 20 - 30 кГр является бактерицидной, и лишь единичные штаммы выдерживают облучение в дозе 40 кГр. Штаммы Str. faecium, выделенные из пыли, оказались более радиорезистентными. Хотя большинство штаммов погибало при облучении в дозах от 20 до 30 кГр, однако некоторые штаммы (4 из 28 исследованных) выдерживали облучение в дозе до 45 кГр.
Концентрация микробных клеток в облучаемом объекте
Одной из причин, играющей существенную роль в эффективности лучевой стерилизации, является концентрация микробных клеток в облучаемом объекте.
В 1951 г, Hollander и соавторы установили, что чувствительность бактерий к облучению является функцией концентрации клеток. С уменьшением концентрации в облучаемой суспензии увеличивается её радиочувствительность 10 7 клеток являлись оптимальной концентрацией бактерий, при которой действие ионизирующих излучений было наиболее эффективным, Многие исследователи отмечали, что стерилизующий эффект облучении зависит как от доли облучения, так и от густоты и объема облучаемой взнеси (7, 36, 75, 141 - 143). При облучении Е. coli бета-лучами от ускорителя Ван-де-Граафа (2 МэВ) было установлено, что абсолютно стерилизующая доза зависит только от концентрации облучаемой суспензии. Между концентрацией микробов и дозой, убивающей 100% клеток, существует прямая пропорциональная зависимость: чем меньше густота облучаемой взвеси, тем меньше доза облучения, дающая полный бактерицидный эффект .
Рисунок 2.1 - Кривые инактивации различных микроорганизмов.
1 - M. radiodurans R; 2 - Staphylococci; 3 - Micrococci; 4 - Coryneform rod; 5 - Spores; 6 - Str. faecium.
При облучении культуры бактерий кишечной палочки стерилизующее действие гамма-излучения для сравнительно негустых взвесей (8*10 5 --10 8 микробных тел на 1 мл) было достигнуто при дозе 2 кГр. Облучение более густой микробной взвеси, содержащей 10 10 микробных тел на1 мл в дозе 2 кГр не давало бактерицидного эффекта. Даже при облучении в дозе 4 и 5 кГр иногда наблюдался рост единичных колоний. Полная стерилизация взвесей, содержавших 10 10 и 2*10 10 микробных тел в 1 мл, была достигнута лишь при облучении в дозе 6 кГр. Дальнейшее увеличение количества микробных тел в 1 мл облучаемой среды не требовало повышения дозы облучения для полного бактерицидного эффекта. Так. взвесь дизентерийных бактерий Флекснера в концентрации 7*10 10 микробных тел в 1 мл была полностью инактивирована дозой 6 кГр. К наиболее радиоустойчивым микроорганизмам относится сарцина. При облучении густых взвесей различных микроорганизмов, как более радиоустойчивых, так и менее радии устойчивых, в дозах 1, 2, 4, 8 кГр и 15 кГр наблюдалась зависимость.между снижением количества выживших микроорганизмов и повышением дозы облучения. Чем выше доза облучения, тем меньшее количество микроорганизмов выживало после облучения. Полное стерилизующее действие было достигнуто при облучении микроорганизмов в концентрации 4*10 10 млрд. микробных тел в 1 мл при дозе 15 кГр. Эта доля убивала и наиболее устойчивых, микроорганизмов - сарцину и сенную палочку.
Таким образом, увеличение концентрации микроорганизмов в облучаемом объекте повышает их радиоустойчивостъ. Это положение справедливо для микроорганизмов с различной радиочувствительностью.
Однако увеличение радиоустойчивости облучаемой взвеси не является следствием формирования радиоустойчивости у облученных клеток. После облучения густых взвесей в бактерицидных дозах выживают единичные особи, образующие колонии микробов при высеве на агар. Изучение радиочувствительности этих выживших бактерий показало, что они не стали более устойчивыми к облучению по сравнению с исходной культурой бактерий. Это явление может иметь место при облучении взвесей микроорганизмов значительно меньшей густоты. Оно известно в литературе под названием "хвостон" . Изучение хвостов также показало, что выжившие после облучения в смертельных дозах бактерии не обладают повышенной радиочувствительностью. Объяснение наблюдаемым явлениям следует искать среди причин, обусловливающих гибель микроорганизмов от ионизирующих излучений. Наиболее вероятной причиной повышения радиоустойчивости микроорганизмов при увеличении концентрации является уменьшение парциального давления делящихся клеток. Во время деления клетки ядро становится более уязвимым к облучению .