Среди физических факторов окружающей среды, определяющих жизнедеятельность микроорганизмов, наиболее важными являются влажность, температура, освещенность и некоторые другие. Воздействие физических факторов на грибы определяется многими причинами, в том числе климатическими условиями, условиями хранения и эксплуатации материалов.
Задача состоит в том, чтобы на основании знания физиологических особенностей микроорганизмов-биодеструкторов определять условия, препятствующие их росту, и сводить к минимуму являющийся нежелательным процесс деструкции субстрата.
Влажность среды. Влажность среды оказывает огромное влияние на развитие микроорганизмов. В клетках большинства микроорганизмов содержится до 75 - 85 % воды, с которой в клетку поступают питательные вещества и удаляются из нее продукты жизнедеятельности.
Потребность во влаге у различных микроорганизмов колеблется в широких пределах. По величине минимальной потребности во влаге для роста различают следующие группы микроорганизмов: гидрофиты - влаголюбивые, мезофиты - средневлаголюбивые и ксерофиты - сухолюбивые. Преобладающее большинство бактерий - гидрофиты. Многие мицелиальные грибы и дрожжи мезофиты, но имеются гидрофиты и ксерофиты.
Для большинства грибов минимальный уровень относительной влажности воздуха равен 70 %; для бактерий - 95 %.
Относительная влажность воздуха изменяется в зависимости от температуры: с понижением температуры воздуха уменьшается его влагосодержание, и наоборот. Поэтому при снижении температуры в процессе хранения материалов имеющееся количество водяных паров в воздухе может оказаться выше предела его насыщения, что приводит к увлажнению поверхности материала и способствует развитию находящихся на нем микроорганизмов.
Любой субстрат (материал), способный к поглощению влаги, находится в состоянии влажностного равновесия с воздухом. Если влажность воздуха повышается, материал впитывает влагу, если уменьшается - отдает.
В настоящее время для большинства материалов не установлены точные границы их влажности, при которых наблюдается разрушающая деятельность микроорганизмов. Объясняется это тем, что до сих пор простейшим способом измерения обводненности субстрата было определение в нем общего содержания воды (влагосодержание).
Влагосодержание - это суммарное количество воды в материале, выраженное в процентах от массы абсолютно сухого субстрата. Такое определение не дает представления о доступности данной
38
воды для микроорганизмов, так как оно включает как связанную, так и свободную воду субстрата. Первая форма воды определяет свойства материала. Например, в бумаге она водородными связями прочно связана с волокнами и не может быть использована микроорганизмами. В связи с этим материалы одинакового влагосодержания, но разной доступности воды, при прочих одинаковых условиях будут повреждаться грибами неодинаково. Микроорганизмы могут использовать только свободную или слабосвязанную воду. Начало роста микроорганизмов на гигроскопичном материале происходит при таком его влагосодержании, когда появляется несвязанная вода. Древесина при влажности ниже точки насыщения волокна (30 %) грибами не повреждается. Рост микроскопических грибов на бумаге происходит только после того, как общее влагосодержание бумаги достигнет 8 - 10 %, так как при этом появляется капиллярная (свободная) вода. Считается, что минимальная влажность субстрата, при которой возможно развитие бактерий, составляет 20 - 30 %, а для грибов - 13 - 15 %.
Влажность материала при развитии на нем грибов обычно увеличивается. Увлажнение происходит за счет выделения воды как одного из конечных продуктов метаболизма. Известно, например, что Serpula lacrymans при разрушении 1 м3 древесины выделяет до 139 л воды, а при росте гриба Coniophora puteana исходная влажность образцов древесины, составляющая 6,75 %, возрастает до 30 - 64 %. Увлажнение материалов под влиянием грибов создает условия для заселения их новыми более влаголюбивыми видами.
Подбор определенного уровня относительной влажности воздуха, при котором происходит прекращение роста большинства микроорганизмов, является одним из способов борьбы с повреждением материалов. Именно с этой целью применяют различные гидрофобизаторы (алкилсиликонаты натрия, полиалкилгидроксианы и др.). Образующиеся при этом химически связанные покрытия на материалах создают условия, отрицательно влияющие на рост микроорганизмов.
Температура среды. Температура среды - один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность развития микроорганизмов. Каждая группа микроорганизмов может развиваться лишь в определенных пределах температуры: для одних эти пределы узкие, для других - относительно широкие и исчисляются десятками градусов.
Рост микроорганизмов возможен в широком диапазоне температур. Гриб Serpula lacrymans, повреждающий лесоматериалы, не в состоянии расти, если температура ниже +8 °С или выше +27 °С, оптимальное развитие его наблюдается при температуре +23 °С. Из слизи, образующейся на оборудовании бумажных фабрик, выделены грибы, растущие при температуре +(60...62) °С. В то же
39
время, некоторые микроорганизмы обитают в холодных почвах тундры и в холодильных установках при -(6... 8) °С.
Из горных источников на склонах вулканов выделены бактерии, способные расти при температуре даже выше 100 °С.
Минимальная и максимальная температура определяет границы, за которыми рост микроорганизмов не происходит, как бы долго ни продолжалась инкубация. Температура, при которой наблюдается максимальная скорость роста, считается оптимальной.
На основании температурного диапазона роста микроорганизмов их подразделяют на три большие группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.
Психрофилы (от греч. психрос - холод) - холодолюбивые микроорганизмы, хорошо размножающиеся и проявляющие химическую активность при относительно низких температурах. Для них характерны: температурный минимум от -(12 ... 10) °С до О °С, оптимум при -(10... 15)°С и максимум - около -30°С. К ним относятся, например, микроорганизмы, обитающие в почве полярных регионов, в северных морях.
Термофилы (от греч. термо - тепло) - теплолюбивые микроорганизмы, лучше всего развиваются при относительно высоких температурах. Температурный минимум для них составляет не ниже + 30 °С, оптимум +(50...60) °С, максимум около +(70...80) °С. Из горячих водоисточников Камчатки выделена палочковидная неспороносная бактерия с температурным оптимумом +(70... 80) °С, которая оставалась жизнеспособной при температуре воды до +90 °С.
Термофилы встречаются в самонагревающихся скоплениях органических материалов (кипах шерсти и хлопка, кучах древесных стружек). Термофильные грибы являются причиной самовозгорания собранных в кучи древесных стружек, в результате чего ежегодно теряется значительная часть сырья для производства бумаги. К дополнительным экономическим потерям ведет изменение цвета стружек, удорожающее обработку и снижающее качество продукции.
Термофилы могут быть использованы для переработки отходов целлюлозы и превращения их в белок микроорганизмов, поскольку многие виды этих микроорганизмов обладают высокой целлюлазной активностью. Способность термофильных грибов использовать различные пластмассы в качестве единственного источника углерода может помочь в будущем решить вопрос борьбы с отходами городского хозяйства, содержащими пластмассы.
Мезофилы (от греч. мезос - средний, промежуточный) - микроорганизмы, для которых температурный минимум составляет около +(5...10) °С, оптимум +(25...35) °С, максимум +(45 ... 50) °С.
Большинство микроорганизмов, вызывающих повреждения материалов, относятся к мезофилам.
Температура оказывает прямое воздействие на географические области распространения микроорганизмов.
40
В качестве примера можно привести наиболее часто выделяемые с поврежденных материалов грибы родов Penicillium и Aspergillus. Хотя среди пенициллов имеется много видов, встречающихся во всех широтах, в целом для рода Penicillium характерны более низкие оптимальные температуры, чем для рода Aspergillus. Для роста большинства видов рода аспергиллов оптимальные температуры лежат в пределах +(30...35) °С, для пенициллов - +(25...30) °С. Это обусловливает преобладание пенициллов в северных широтах, где они представлены большим разнообразием видов. В южных районах доминируют аспергиллы, оптимальный рост которых происходит при более высоких температурах. Пенициллы в почвах южных широт составляют небольшую долю среди других грибов, и видовой состав их значительно беднее.
Из приведенных примеров видно, что температура окружающей среды оказывает воздействие на качественный состав микроорганизмов-биодеструкторов, обнаруживаемых на поврежденных материалах. Преимущественное развитие получают те микроорганизмы, у которых температурный оптимум наиболее близок к окружающим условиям.
Отношение микроорганизмов к высоким температурам. Превышение температуры среды над оптимальной сказывается на микроорганизмах более неблагоприятно, чем ее понижение. Отношение различных микроорганизмов к температурам, превышающим максимальную для их развития, характеризует их термоустойчивость. У разных микроорганизмов она неодинакова. Температуры, превышающие максимальную, вызывают явление "теплового шока". При непродолжительном пребывании в таком состоянии клетки могут реактивироваться, а при длительном наступает их отмирание. Большинство бесспоровых бактерий отмирают в течение 15 - 30 мин при нагревании во влажном состоянии до +(60... 70) °С, а при нагревании до +(80... 100) °С - в течение времени от нескольких секунд до 1 - 2 мин. Дрожжи и мицелиальные грибы погибают также довольно быстро при температуре +(50... 60) °С.
Наиболее термоустойчивы бактериальные споры. У многих бактерий они способны выдерживать температуру кипения воды в течение нескольких часов. Во влажной среде споры бактерий гибнут при +(120... 130) °С через 20 - 30 мин, а в сухом состоянии при +(160... 170) °С - через 1 - 2ч. Термоустойчивость спор различных бактерий неодинакова, особенно устойчивы споры термофильных бактерий.
Споры большинства дрожжей и плесеней, по сравнению со спорами бактерий, менее устойчивы к нагреванию и погибают довольно быстро при +(65... 80) °С, но споры некоторых плесеней выдерживают кипячение. Однако не все клетки или споры даже
41
одного вида микроорганизмов отмирают одновременно, среди них встречаются более и менее устойчивые.
Отмирание микроорганизмов при нагревании во влажной среде наступает вследствие происходящих необратимых изменений в клетке. Основными из них являются денатурация белков и нуклеиновых кислот клетки, а также инактивация ферментов и возможное повреждение цитоплазматической мембраны.
При воздействии на клетки "сухого жара" (без влаги) гибель происходит в результате активных окислительных процессов и нарушения клеточных структур.
На губительном действии высокой температуры основан один из важнейших и широко применяемых в микробиологической и медицинской практике приемов - стерилизация.
Отношение микроорганизмов к низким температурам. Холодоустойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах. При температуре среды ниже оптимальной снижается скорость размножения микроорганизмов и интенсивность их жизненных процессов.
Многие микроорганизмы не способны развиваться при температуре ниже нуля. Так, некоторые гнилостные бактерии не размножаются обычно при температуре ниже +(4...5) °С; температурный минимум многих грибов также лежит в пределах от +(3... 5) °С. Известны микроорганизмы, еще более чувствительные к холоду, которые не растут уже при +10 °С, к ним относится, например, большинство болезнетворных бактерий. Некоторые микроорганизмы временно могут выдерживать очень низкие температуры. Кишечная и брюшнотифозная палочки в течение нескольких дней не погибают даже при температурах -(172... 190) °С. Споры бактерий сохраняют способность к прорастанию даже после 10-часового пребывания при -252 °С (температура жидкого водорода). Некоторые мицелиальные грибы и дрожжи сохраняют жизнеспособность после воздействия температуры -190 °С (температура жидкого воздуха) в течение нескольких дней, а споры мицелиальных грибов - в течение нескольких месяцев. В трупах мамонтов, пролежавших десятки тысяч лет в почве вечной мерзлоты, обнаружены жизнеспособные бактерии и их споры.
Несмотря на то, что при температурах ниже минимальной микробы не размножаются и активная жизнедеятельность их приостанавливается, многие из них неопределенно долгое время остаются жизнеспособными, переходя в анабиотическое состояние, т.е. состояние "скрытой жизни", подобное зимней спячке животных. При повышении температуры они вновь возвращаются к активной жизни. Некоторые микроорганизмы в таких условиях, однако, более или менее скоро погибают. Отмирание происходит значительно медленнее, чем под действием высоких температур.
42
Излучения. Микроорганизмы могут подвергаться воздействию различного вида излучений, к которым в первую очередь следует отнести воздействие сложного спектра солнечной радиации, электромагнитных волн, УФ-излучения, γ- и рентгеновского излучения, действия корпускулярных частиц высокой энергии (электронов, протонов, нейтронов и др.), вызывающих ионизацию или возбуждение атомов и молекул окружающей среды и веществ, из которых состоят микроорганизмы.
Солнечная радиация относится к факторам окружающей среды, которые оказывают существенное влияние на процессы жизнедеятельности микроорганизмов. Действие разных участков спектра солнечного излучения на грибы неодинаково: длинноволновое излучение приводит к активации тепловых рецепторов; ультрафиолетовые лучи вызывают мутагенный и летальный эффект; с видимым светом связаны все фотобиологические процессы (фотосинтез, фотозащитные и фотохимические).
Видимый свет солнца необходим только для фотосинтезирующих микробов, использующих световую энергию в процессе ассимиляции углекислого газа. Микроорганизмы, не способные к фотосинтезу, хорошо растут и в темноте. Прямые солнечные лучи губительны для микроорганизмов, даже рассеянный свет подавляет в той или иной мере их рост. Патогенные бактерии (за редким исключением) менее устойчивы к свету, чем сапрофитные.
Видимый свет может влиять на пигментообразование. Это объясняет тот факт, что при ярком освещении материалы подвергаются большей опасности появления нежелательных пигментных пятен, чем в условиях затененности.
Из всего спектра солнечного излучения наиболее опасны для микроорганизмов ультрафиолетовые лучи. Эффект воздействия УФ-излучения на микроорганизмы различен в зависимости от дозы облучения и его спектрального диапазона. Малые дозы оказывают стимулирующее действие. Большие дозы УФ-излучения оказывают мутагенное и летальное действие.
Частицы высокой энергии (электроны, нейтроны, протоны и др.), а также γ-лучи химически и биологически чрезвычайно активны.
Особенностью радиоактивных излучений является их способность вызывать ионизацию атомов и молекул, которая сопровождается разрушением молекулярных структур.
Микроорганизмы значительно более радиационно устойчивы, чем высшие организмы. Смертельная доза для них в сотни и тысячи раз выше, чем для животных и растений.
Эффективность действия ионизирующих излучений на микроорганизмы зависит от поглощенной дозы облучения и многих других факторов. Очень малые дозы активизируют некоторые жизненные процессы микроорганизмов, воздействуя на их ферментные
43
системы. Они вызывают наследственные изменения свойств микробов, приводящие к появлению мутаций. С повышением дозы облучения обмен веществ нарушается значительнее, наблюдаются различного рода патологические изменения клеток (лучевая болезнь), которые могут привести к их гибели.
Изучение реакции микроорганизмов на действие повышенного уровня радиации в окружающей среде имеет теоретическое и практическое значение. Дозы, оказывающие летальное действие на микроорганизмы, применяются для защиты материалов от микробиологической деструкции. Например, с помощью γ-лучей была простерилизована мумия фараона Рамзеса II, спину которой покрывал сплошной налет плесени (около 60 видов грибов). Этот метод, разработанный Центром ядерных исследований в Гренобле, сейчас успешно применяется для спасения многих художественных ценностей и археологических документов.
44
