Физические факторы, влияющие на микробную жизнь - Physical factors affecting microbial life

Микробы могут быть повреждены или убиты элементами окружающей их физической среды, такими как температура, радиация или воздействие химикатов; эти эффекты могут быть использованы в попытках контролировать патогены, часто с целью безопасности пищевых продуктов.

Облучение

Облучение - это использование ионизирующего гамма излучение испускается кобальт-60 и цезий-137, или, электроны высоких энергий и Рентгеновские лучи для инактивации патогенных микробов, особенно в пищевой промышленности. Бактерии, такие как Дейнококк радиодуранс особенно устойчивы к радиации, но не патогенны.[1] Активные микробы, такие как Corynebacterium aquaticum, Pseudomonas putida, Comamonas acidovorans, Gluconobacter cerinus, Micrococcus diversus и Родококк родохрозовый, были извлечены из бассейнов хранения отработавшего ядерного топлива Национальная инженерная и экологическая лаборатория Айдахо (INEEL). Эти микробы снова подверглись контролируемым дозам радиации. Все виды пережили более слабые дозы радиации с небольшим повреждением, в то время как только грамположительный виды пережили гораздо большие дозы. Споры грамположительных бактерий содержат запасные белки, которые прочно связываются с ДНК, возможно, выступая в качестве защитного барьера от радиационного повреждения.

Ионизирующее излучение убивает клетки косвенно, создавая реактивные свободные радикалы. Эти свободные радикалы могут химически изменять чувствительные макромолекулы в клетке, что приводит к их инактивации. Большинство макромолекул клетки подвержены воздействию ионизирующего излучения, но повреждение макромолекулы ДНК чаще всего является причиной гибели клетки, так как ДНК часто содержит только одну копию ее генов; белки, с другой стороны, часто имеют несколько копий, так что повреждение одной не приводит к гибели клетки, и в любом случае всегда могут быть повторно синтезированы при условии, что ДНК осталась нетронутой.[2][3] Ультрафиолетовое излучение использовалось как бактерицидное средство как в промышленности, так и в медицине более века (см. Ультрафиолетовое бактерицидное облучение ). Использование ультрафиолета приводит как к инактивации, так и к стимуляции мутаций. Пример облученного кишечная палочка популяция обнаружила растущее число устойчивых к бактериофагам мутантов, индуцированных светом.[4]

Ионы металлов (Олигодинамический эффект )

Карл Вильгельм фон Нэгели, швейцарский ботаник, в 1893 году обнаружил, что ионы различных металлов и их сплавов, таких как серебро и медь, а также ртуть, железо, свинец, цинк, висмут, золото, алюминий и другие, оказывают токсическое воздействие на микробную жизнь, денатурируя микробные ферменты и тем самым нарушают их метаболизм. Этот эффект незначителен для вирусов, поскольку они метаболически не активны.[5]

Импульсные электрические поля (PEF)

Сильные импульсы электрического поля, приложенные к клеткам, заставляют их мембраны образовывать поры (электропорация ), увеличивая проницаемость мембраны с последующей нежелательной миграцией химических веществ для клетки. Импульсы низкой интенсивности могут привести к увеличению производства вторичные метаболиты и рост сопротивления. Обработка PEF является адекватным процессом для инактивации микробов в кислотах и ​​других термочувствительных средах, но имеет внутреннюю опасность из-за неполного разрушения.[6][7]

Импульсные магнитные поля (PMF)

Исследование 2004 года показало, что Кишечная палочка чувствителен к импульсным магнитным полям с показателем выживаемости 1 из 10 000. Как и в случае с PEF, клеточные стенки становятся пористыми, что приводит к их гибели. Ферменты, такие как лактопероксидаза, липаза и каталаза легко инактивируются, хотя и с разной степенью восприимчивости.[8][9] В исследовании 2010 г. основное внимание уделялось влиянию ВМП на Золотистый стафилококк.[10]

Ультразвук высокой мощности

До недавнего времени ультразвуковые системы использовались для очистки, резки,[11] сварка пластмасс и в лечебной терапии. Ультразвук высокой мощности - полезный инструмент, который чрезвычайно универсален в применении. Ультразвук генерирует кавитация пузыри внутри жидкости или суспензии, заставляя молекулы жидкости вибрировать. В этих пузырьках обычно регистрируются температуры 5000 К и давление до 2000 атмосфер. Кавитация может быть произведена с использованием частот слышимого диапазона до 2 МГц, оптимальная - около 20 кГц. Для генерации ультразвука требуется жидкая среда и источник ультразвука, обычно от пьезоэлектрический или же магнитострикционный преобразователь. Процесс используется для разрушения Кишечная палочка, Сальмонелла, Аскариды, Лямблии, Криптоспоридиум кисты, Цианобактерии и Полиовирус. Он также способен разрушать органические пестициды.[12]

Частоты, используемые в диагностическом УЗИ, обычно составляют от 2 до 18 МГц, и остается неопределенность в отношении степени повреждения клеток или долгосрочных эффектов сканирования плода. (видеть Медицинское УЗИ )

Низкие температуры

Заморозка продуктов для сохранения их качества использовалась с незапамятных времен. Низкие температуры снижают вредное воздействие микроорганизмов в продуктах питания, но могут также сохранить некоторые патогены в целости и сохранности в течение длительных периодов времени. Замораживание убивает некоторые микроорганизмы в результате физических травм, другие получают сублетальные повреждения в результате замораживания и могут выздороветь, чтобы стать заразными.[13]

Высокие осмотические градиенты

Сироп, мед, рассол, спирт и концентрированный сахар или солевые растворы обладают антибактериальным действием за счет осмотического давления. Сироп и мед давно используются для местного лечения поверхностных и глубоких ран.[14][15]

Соединения древесного дыма действуют как пищевые консерванты. Фенол и фенольные соединения, содержащиеся в древесном дыме, являются антиоксидантами и антимикробными средствами, замедляющими рост бактерий. Другие противомикробные вещества древесного дыма включают формальдегид, уксусную кислоту и другие органические кислоты, которые придают древесному дыму низкий pH - около 2,5. Некоторые из этих соединений также токсичны для людей и могут оказывать воздействие на здоровье в количествах, обнаруживаемых при приготовлении пищи.

Озон

Жизнеспособность микроорганизмов снижается при контакте с озон что ставит под угрозу целостность их клеточных стенок. Грамотрицательные бактерии более уязвимы к озону, чем грамположительные организмы.[16][17]

Высокие температуры

(видеть Термизация и Пастеризация )
Экстремальные температуры разрушают активные и метаболизирующие вирусы и вегетативные клетки. Органические молекулы, такие как белки, углеводы, липид и нуклеиновые кислоты, а также клеточные стенки и мембраны, которые играют важную роль в метаболизме клеток, повреждаются чрезмерным нагревом. Пища для потребления человеком обычно нагревается путем запекания, варки и жарки до температур, которые уничтожают большинство болезнетворных микроорганизмов. Тепловые процессы часто вызывают нежелательные изменения текстуры, внешнего вида и пищевой ценности продуктов.[18] Автоклавы генерируют пар с температурой выше точки кипения и используются для стерилизации лабораторной посуды, хирургических инструментов и, в растущей промышленности, медицинские отходы. Опасность, связанная с использованием высоких температур для уничтожения микробов, заключается в их неполном уничтожении из-за неадекватных процедур с последующим риском образования патогенов, устойчивых к нагреванию.

Высокое давление

(видеть Паскализация )
Вода под очень высоким гидростатическим давлением до 700 МПа (100000 фунтов на квадратный дюйм) инактивирует такие патогены, как Листерия, Кишечная палочка и Сальмонелла. Обработка под высоким давлением (HPP) предпочтительнее термической обработки в пищевой промышленности, поскольку она устраняет изменения качества пищевых продуктов из-за термического разложения, что приводит к более свежему вкусу, текстуре, внешнему виду и питательности. Обработка удобно проводить при температуре окружающей среды или холоде. [19]

Вопрос о том, является ли давление препятствием для (микробной) жизни, неожиданно противоположен тому, что предполагалось долгое время. Анураг Шарма, геохимик, Джеймс Скотт, микробиолог, и другие сотрудники Института Карнеги в Вашингтоне провели эксперимент с Diamond Anvil Cell и использовали «прямые наблюдения» за микробной активностью до давления, превышающего 1,0 гигапаскаль.[20]

Их цель состояла в том, чтобы протестировать микробы и выяснить, при каком уровне давления они могут осуществлять жизненные процессы. Эксперименты проводились при давлении до 1,6 ГПа, что более чем в 16000 раз превышает давление на поверхности Земли (давление на поверхности Земли составляет 985 гПа). Эксперимент начался с помещения раствора бактерий, а именно кишечная палочка и Shewanella oneidensis, в фильм и поместив его в ЦАП. Затем давление повысили до 1,6 ГПа. При повышении этого давления и выдерживании его в течение 30 часов по крайней мере 1% бактерий выжило. Затем экспериментаторы добавляли краситель в раствор и также контролировали метаболизм формиата с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния in situ. Если бы клетки пережили сдавливание и были способны выполнять жизненные процессы, в частности, разрушать формиат, краситель стал бы прозрачным. 1,6 ГПа - это такое большое давление, что во время эксперимента DAC превратил раствор в лед-IV, лед комнатной температуры. Когда бактерии разрушают формиат во льду, в результате химической реакции образуются карманы с жидкостью. Бактерии также могли цепляться хвостами за поверхность DAC.[21]

Этот новаторский эксперимент вызвал некоторый скептицизм. По словам Арта Яяноса, океанолога из Института океанографии Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния, организм следует считать живым только в том случае, если он может воспроизводиться. Еще одна проблема с экспериментом DAC заключается в том, что когда возникает высокое давление, обычно также присутствуют высокие температуры, но в этом эксперименте их не было. Этот эксперимент проводился при комнатной температуре. Однако преднамеренное отсутствие высокой температуры в экспериментах изолировало фактическое воздействие давления на жизнь, и результаты ясно показали, что жизнь в значительной степени нечувствительна к давлению.[21]

Новые результаты независимых исследовательских групп[22] показали обоснованность Sharma et al. (2002) работа.[20] Это важный шаг, который подтверждает необходимость нового подхода к старой проблеме изучения экстремальных экологических явлений с помощью экспериментов. Практически не ведется споров о том, может ли микробная жизнь выдержать давление до 600 МПа, что было доказано в течение последнего десятилетия или около того, в ряде разрозненных публикаций.[20] Что важно в этом подходе Sharma et al. Работа 2002 года - это элегантно простая возможность контролировать системы в экстремальных условиях, которые с тех пор остаются технически недоступными. Хотя эксперимент показывает простоту и элегантность, результаты не являются неожиданными и согласуются с большинством биофизических моделей. Этот новый подход закладывает основу для будущей работы по микробиологии в условиях, отличных от окружающей среды, не только обеспечивая научную предпосылку, но также закладывая техническую возможность для будущей работы по биологии вне окружающей среды и органическим системам.

Высокое ускорение

Поверхность бактериальных клеток может быть повреждена силы ускорения достигнуто в центрифуги.[23] Лабораторные центрифуги обычно достигают 5000–15000грамм, процедура, которая часто убивает значительную часть микробов, особенно если они экспоненциальная фаза роста.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Облучение пищевых продуктов
  2. ^ Облучение микробов из окружающей среды бассейна для хранения отработавшего ядерного топлива
  3. ^ Pitonzo, Beth J .; Эми, Пенни С .; Рудин, Марк (1999). «Реанимация микроорганизмов после гамма-облучения». Радиационные исследования. 152 (1): 71–75. Дои:10.2307/3580051. JSTOR  3580051.
  4. ^ Виткин, Э. М. (1956). «Время, температура и синтез белка: исследование индуцированных ультрафиолетом мутации в бактериях». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии. 21: 123–140. Дои:10.1101 / SQB.1956.021.01.011. PMID  13433586.
  5. ^ Dick, R.J .; Wray, J.A .; Джонстон, H.N. (1973). Поиск литературы и технологий по бактериостатическим и дезинфицирующим свойствам поверхности меди и медных сплавов. OCLC  552217563.[страница нужна ]
  6. ^ Grahl, T .; Меркл, Х. (1996). «Уничтожение микроорганизмов импульсным электрическим полем». Прикладная микробиология и биотехнология. 45 (1–2): 148–57. Дои:10.1007 / s002530050663. PMID  8920190.
  7. ^ Edebo, L .; Holme, T .; Селин, И. (1968). «Микробицидное действие соединений, генерируемых кратковременными электрическими дугами в водных системах». Журнал общей микробиологии. 53 (1): 1–7. Дои:10.1099/00221287-53-1-1. PMID  4971159.
  8. ^ Хайле, штат Массачусетс; Пан, Чжунли; Гао, Мэнсян; Ло, Лин (2008). «Эффективность микробной стерилизации обработки импульсным магнитным полем». Международный журнал пищевой инженерии. 4 (4). Дои:10.2202/1556-3758.1177.
  9. ^ Влияние импульсного магнитного поля на микроорганизмы и ферменты в молоке[ненадежный источник? ]
  10. ^ Сюй, Шэнь-Ши; Ма, Хай-Ле (2010). «Воздействие импульсного магнитного поля на стерилизацию и биологическое окно на Staphylococcus aureus и динамику его инактивации». Наука о еде. 31 (21): 20–23.
  11. ^ http://www.geiss-ttt.com/www_geiss/exp_tech_trim_ultrasonic_cutting_e_134_197_0_f.htm[требуется полная цитата ]
  12. ^ Бейтс, Даррен; Бейтс, Джоанна. «Краткое изложение потенциальных применений мощного ультразвука при переработке» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 19 июля 2012 г.[самостоятельно опубликованный источник? ][ненадежный источник? ]
  13. ^ Арчер, Дуглас Л. (2004). «Замораживание: недостаточно используемая технология безопасности пищевых продуктов?». Международный журнал пищевой микробиологии. 90 (2): 127–38. Дои:10.1016 / S0168-1605 (03) 00215-0. PMID  14698095.
  14. ^ Westergaard, G .; Fragaszy, D. (1987). «Самостоятельное лечение ран обезьяной капуцином (Cebus apella)». Эволюция человека. 2 (6): 557–562. Дои:10.1007 / BF02437429.
  15. ^ «Лечебный мед для лечения ран».
  16. ^ Moore, G .; Griffith, C .; Петерс, А. (2000). «Бактерицидные свойства озона и его потенциальное применение в качестве дезинфицирующего средства». Журнал защиты пищевых продуктов. 63 (8): 1100–6. Дои:10.4315 / 0362-028x-63.8.1100. PMID  10945587.
  17. ^ Сельма, Мария Виктория; Ибаньес, Ана Мария; Кантуэлл, Марита; Суслоу, Тревор (2008). «Уменьшение газообразным озоном сальмонелл и микробной флоры, связанной со свежесрезанной дыней». Пищевая микробиология. 25 (4): 558–565. Дои:10.1016 / j.fm.2008.02.006. PMID  18456110.
  18. ^ Pothakamury, Usha R .; Monsalve-Gonzàlez, A .; Барбоса-Кановас, Густав В .; Суонсон, Барри Г. (1995). "Инактивация кишечная палочка и Золотистый стафилококк в модельных пищевых продуктах по технологии импульсного электрического поля ». Food Research International. 28 (2): 167–71. Дои:10.1016 / 0963-9969 (95) 90801-Г.
  19. ^ Обработка пищевых продуктов под высоким давлением[неосновной источник необходим ]
  20. ^ а б c Sharma, A .; Scott, J. H .; Cody, G.D .; Fogel, M. L .; Hazen, R.M .; Хемли, Р. Дж .; Охотница, В. Т. (2002). «Микробная активность при гигапаскальном давлении». Наука. 295 (5559): 1514–1516. Дои:10.1126 / science.1068018. PMID  11859192.
  21. ^ а б Кузин, Дж. (2002). «МИКРОБИОЛОГИЯ: Вес мира на плечах микробов». Наука. 295 (5559): 1444b – 1445. Дои:10.1126 / science.295.5559.1444b. PMID  11859165.
  22. ^ Vanlint, D .; Mitchell, R .; Bailey, E .; Меерсман, Ф .; McMillan, P. F .; Michiels, C.W .; Аэрцен, А. (2011). «Быстрое приобретение Escherichia coli устойчивости к гигапаскаль-высокому давлению». мБио. 2 (1): e00130–10. Дои:10,1128 / mBio.00130-10. ЧВК  3025523. PMID  21264062.
  23. ^ Петерсон, Брэндон В .; Шарма, Прашант К .; Ван дер Мей, Хенни С.; Бюшер, Хенк Дж. (2012). «Повреждение поверхности бактериальной клетки из-за центробежного уплотнения». Прикладная и экологическая микробиология. 78 (1): 120–125. Дои:10.1128 / AEM.06780-11. ЧВК  3255633. PMID  22038609.
  24. ^ Гилберт, Питер; Браун, Майкл Р. В. (1991). «Из пробирки в сковороду: переменные после роста, предварительные испытания». Журнал антимикробной химиотерапии. 27 (6): 859–860. Дои:10.1093 / jac / 27.6.859. PMID  1938693.

внешняя ссылка