9.4: Температура та ріст мікробів

Цілі навчання

• Проілюструйте та коротко опишіть мінімальні, оптимальні та максимальні температурні вимоги для зростання
• Визначте і опишіть різні категорії мікробів з температурними вимогами до зростання: психрофіли, психротрофи, мезофіли, термофіли, гіпертермофіли
• Наведіть приклади мікроорганізмів у кожній категорії температурної толерантності

Коли розвідка озера Вілланс почалася в Антарктиді, дослідники не очікували знайти багато життя. Постійні мінусові температури та відсутність очевидних джерел поживних речовин не здавалися умовами, які підтримували б процвітаючу екосистему. На їхній подив, зразки, витягнуті з озера, показали рясне мікробне життя. В іншій, але однаково суворої обстановці бактерії ростуть на дні океану в морських жерлах (рис.\(\PageIndex{1}\)), де температура може досягати 340° C (700° F).

Мікроби можна грубо класифікувати за діапазоном температур, при якому вони можуть рости. Темпи зростання найвищі при оптимальній для організму температурі росту. Найнижча температура, при якій організм може вижити і розмножуватися, - це його мінімальна температура росту. Найвищою температурою, при якій може відбуватися зростання, є її максимальна температура росту. Наступні діапазони допустимих температур росту є лише приблизними і можуть змінюватися залежно від інших факторів навколишнього середовища.

Організми, класифіковані як мезофіли («середні люблячі»), пристосовані до помірних температур, з оптимальними температурами росту в діапазоні від кімнатної температури (близько 20° C) до приблизно 45° C, як і слід було очікувати від основної температури людського тіла, 37° C (98,6° F), нормальної мікробіоти людини і патогенів (наприклад, Кишкова паличка, Salmonella spp. та Lactobacillus spp.) є мезофілами.

Організми, звані психротрофами, також відомі як психротолерантні, віддають перевагу більш прохолодним середовищам, від високої температури 25° C до температури охолодження близько 4° C. вони зустрічаються в багатьох природних середовищах в помірному кліматі. Вони також відповідають за псування охолоджених продуктів.

Клінічна спрямованість: Дозвіл

Наявність лістерії в крові Джені говорить про те, що її симптоми обумовлені лістеріозом, інфекцією, спричиненою L. monocytogenes. Лістеріоз є серйозною інфекцією з 20% смертності і є особливим ризиком для плоду Дженні. Проба з навколоплідних вод, культивована на наявність лістерії, дала негативні результати. Оскільки відсутність організмів не виключає можливості зараження, молекулярний тест, заснований на ампліфікації нуклеїнових кислот 16S рибосомної РНК Лістерії, був проведений для підтвердження того, що жодні бактерії не перетнули плаценту. На щастя, результати молекулярного тесту також були негативними.

Дженні була прийнята до лікарні для лікування та одужання. Вона отримувала високу дозу двох антибіотиків внутрішньовенно протягом 2 тижнів. Кращими препаратами для лікування лістеріозу є ампіцилін або пеніцилін G з аміноглікозидним антибіотиком. Стійкість до поширених антибіотиків все ще рідкісна в лістерії, і лікування антибіотиками зазвичай успішне. Вона була відпущена на домашній догляд через тиждень і повністю оговталася від своєї інфекції.

L. monocytogenes - це грампозитивний короткий стрижень, який міститься в грунті, воді та їжі. Він класифікується як психрофіл і є галотолерантним. Його здатність розмножуватися при температурах охолодження (4—10° C) і толерантність до високих концентрацій солі (до 10% хлориду натрію [NaCl]) роблять її частим джерелом харчових отруєнь. Оскільки лістерія може заражати тварин, вона часто забруднює їжу, таку як м'ясо, риба або молочні продукти. Забруднення комерційних харчових продуктів часто простежується до стійких біоплівок, які утворюються на виробничому обладнанні, яке недостатньо очищене.

Інфекція лістерії відносно поширена серед вагітних жінок, оскільки підвищений рівень прогестерону знижує регулювання імунної системи, роблячи їх більш вразливими до інфекції. Збудник може перетинати плаценту і інфікувати плід, часто призводить до викидня, мертвонародження або смертельної неонатальної інфекції. Таким чином, вагітним жінкам рекомендується уникати вживання м'яких сирів, охолодженого м'ясного нарізки, копчених морепродуктів та непастеризованих молочних продуктів. Оскільки бактерії Listeria легко сплутати з дифтероїдами, ще однією поширеною групою грампозитивних стрижнів, важливо попередити лабораторію при підозрі на лістеріоз.

Організми, витягнуті з арктичних озер, таких як озеро Вілланс, вважаються екстремальними психрофілами (холодолюбними). Психрофіли - це мікроорганізми, які можуть рости при 0° C і нижче, мають оптимальну температуру росту, близьку до 15° C, і зазвичай не виживають при температурі вище 20° C, зустрічаються в постійно холодних середовищах, таких як глибокі води океанів. Оскільки вони активні при низькій температурі, психрофіли та психротрофи є важливими розкладачами в холодному кліматі.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Чорний курець на дні океану відригує гарячою, багатою хімічними речовинами водою і нагріває навколишні води. Морські отвори забезпечують екстремальне середовище, яке, тим не менш, кишить макроскопічним життям (червоними трубчастими черв'яками), підтримуваним рясною мікробною екосистемою. (Кредит: NOAA)

Організми, які ростуть при оптимальних температурах від 50° C до максимуму 80° C, називаються термофілами («теплолюбними»). Вони не розмножуються при кімнатній температурі. Термофіли широко поширені в гарячих джерелах, геотермальних грунтах та техногенних середовищах, таких як садові компостні купи, де мікроби руйнують кухонні обрізки та рослинний матеріал. Приклади термофілів включають Thermus aquaticus і Geobacillus spp. Вище за шкалою екстремальних температур ми знаходимо гіпертермофілів, які характеризуються діапазонами зростання від 80° C до максимуму 110° C, з деякими екстремальними прикладами, які витримують температуру вище 121° C, середню температуру автоклава. Гідротермальні отвори на дні океану є яскравим прикладом екстремальних середовищ, температура яких досягає приблизно 340° C (рис.\(\PageIndex{1}\)). Мікроби, виділені з вентиляційних отворів, досягають оптимального зростання при температурах вище 100 °С, примітними прикладами є піробол і піродікцій, архей, які ростуть при 105° C і витримують автоклавування. \(\PageIndex{2}\)На малюнку показані типові перекошені криві температурно-залежного зростання для розглянутих нами категорій мікроорганізмів.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Графік показує швидкість росту бактерій в залежності від температури. Зверніть увагу, що криві перекошені в бік оптимальної температури. Вважається, що перекос кривої росту відображає швидку денатурацію білків, оскільки температура піднімається за оптимальну для росту мікроорганізму.

Життя в екстремальних умовах викликає захоплюючі питання про адаптацію макромолекул і обмінних процесах. Дуже низькі температури впливають на клітини різними способами. Мембрани втрачають плинність і пошкоджуються утворенням кристалів льоду. Хімічні реакції і дифузія значно сповільнюються. Білки стають занадто жорсткими для каталізації реакцій і можуть піддаватися денатурації. На протилежному кінці температурного спектра тепло денатурує білки і нуклеїнові кислоти. Підвищена плинність погіршує обмінні процеси в мембранах. Деякі з практичних застосувань руйнівного впливу тепла на мікроби - стерилізація парою, пастеризація та спалювання інокуляційних петель. Білки в психрофілах, як правило, багаті гідрофобними залишками, демонструють збільшення гнучкості і мають меншу кількість вторинних стабілізуючих зв'язків у порівнянні з гомологічними білками з мезофілів. Поширені білки антифризу і розчинні речовини, що знижують температуру замерзання цитоплазми. Ліпіди в мембранах, як правило, ненасичені для підвищення плинності. Темпи зростання набагато повільніші, ніж ті, що зустрічаються при помірних температурах. При відповідних умовах мезофіли і навіть термофіли можуть пережити заморожування. Рідкі культури бактерій змішують зі стерильними розчинами гліцерину і заморожують до −80 °С для тривалого зберігання в якості запасів. Культури можуть витримувати сублімаційне сушіння (ліофілізацію), а потім зберігати у вигляді порошків у герметичних ампулах для відновлення відваром, коли це необхідно.

Макромолекули в термофілах та гіпертермофілах показують деякі помітні структурні відмінності від того, що спостерігається у мезофілів. Співвідношення насичених до поліненасичених ліпідів збільшується, щоб обмежити плинність клітинних мембран. Їх послідовності ДНК показують більшу частку азотистих основ гуанін - цитозин, які утримуються разом трьома водневими зв'язками на відміну від аденіну і тиміну, які з'єднані в подвійній спіралі двома водневими зв'язками. Додаткові вторинні іонні і ковалентні зв'язки, а також заміна ключових амінокислот для стабілізації згортання сприяють стійкості білків до денатурації. Так звані термоферменти, очищені від термофілів, мають важливе практичне застосування. Наприклад, ампліфікація нуклеїнових кислот в полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) залежить від термічної стабільності Taq полімерази, ферменту, виділеного з T. aquaticus. Ферменти деградації з термофілів додають як інгредієнти в миючі засоби з гарячою водою, підвищуючи їх ефективність.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

1. Які вимоги до температури мають більшість бактеріальних патогенів людини?
2. Яку адаптацію ДНК проявляють термофіли?

Годування світу... і Всесвітніх водоростей

Штучні добрива стали важливим інструментом у виробництві харчових продуктів у всьому світі. Вони несуть відповідальність за багато здобутків так званої зеленої революції 20 століття, яка дозволила планеті прогодувати багатьох своїх понад 7 мільярдів людей. Штучні добрива забезпечують азотом і фосфором, ключовими обмежуючими поживними речовинами, для посіву рослин, знімаючи нормальні бар'єри, які в іншому випадку обмежують швидкість росту. Таким чином, удобрені культури ростуть набагато швидше, а господарства, які використовують добрива, дають більш високі врожаї культур.

Однак було показано, що необережне використання та надмірне використання штучних добрив має значний негативний вплив на водні екосистеми, як прісноводні, так і морські. Добрива, які вносяться в невідповідний час або в занадто великих кількостях, дозволяють сполукам азоту та фосфору уникнути використання сільськогосподарськими рослинами та потрапляти в дренажні системи. Неправильне використання добрив у житлових приміщеннях також може сприяти навантаженню поживних речовин, які потрапляють до озер та прибережних морських екосистем. Оскільки вода зігрівається, а поживних речовин багато, цвітуть мікроскопічні водорості, часто змінюючи колір води через високу щільність клітин.

Більшість цвітіння водоростей не є безпосередньо шкідливими для людини чи дикої природи; однак вони можуть завдати шкоди опосередковано. Оскільки популяція водоростей розширюється, а потім гине, вона забезпечує значне збільшення органічної речовини для бактерій, які живуть у глибокій воді. При такому великому запасі поживних речовин популяція нефотосинтетичних мікроорганізмів вибухає, споживаючи доступний кисень і створюючи «мертві зони», де життя тварин практично зникло.

Виснаження кисню у воді - не єдине руйнівний наслідок деяких цвітіння водоростей. Водорості, які виробляють червоні припливи в Мексиканській затоці, Karenia brevis, виділяють потужні токсини, які можуть вбивати рибу та інші організми, а також накопичуватися в молюсках. Споживання заражених молюсків може спричинити важкі неврологічні та шлунково-кишкові симптоми у людини. Грядки з молюсками повинні регулярно контролюватися на наявність токсинів, а врожаї часто припиняються, коли вони присутні, що спричиняє економічні витрати на промисел. Ціанобактерії, які можуть утворювати цвітіння в морських та прісноводних екосистемах, виробляють токсини, звані мікроцистинами, які можуть викликати алергічні реакції та пошкодження печінки при попаданні в питну воду або під час плавання. Повторне цвітіння ціанобактеріальних водоростей в озері Ері (рис.\(\PageIndex{3}\)) змусило муніципалітети видавати заборони питної води протягом декількох днів через неприйнятний рівень токсину.

Це лише невелика вибірка негативних наслідків цвітіння водоростей, червоних припливів і відмерлих зон. Проте користь добрив для сільськогосподарських культур - головної причини такого цвітіння - важко заперечити. Легкого вирішення цієї дилеми немає, оскільки заборона на добрива не є політично чи економічно доцільним. Замість цього ми повинні виступати за відповідальне використання та регулювання в сільськогосподарському та житловому контексті, а також відновлення водно-болотних угідь, які можуть поглинати надлишки добрив до того, як вони досягнуть озер та океанів.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Сильні дощі викликають стік добрив в озеро Ері, викликаючи велике цвітіння водоростей, яке можна спостерігати вздовж берегової лінії. Зверніть увагу на коричневі незасаджені та зелені висаджені сільськогосподарські угіддя на березі. (кредит: NASA)

Посилання на навчання

У цьому відео більш глибоко обговорюється цвітіння водоростей та мертві зони.

Ключові поняття та резюме

• Мікроорганізми процвітають при широкому діапазоні температур; вони колонізували різні природні середовища і адаптувалися до екстремальних температур. Як екстремальні холодні, так і гарячі температури вимагають еволюційного коригування макромолекул і біологічних процесів.
• Психрофіли найкраще ростуть в діапазоні температур від 0 до 15° C, тоді як психротрофи процвітають від 4° C до 25° C.
• Мезофіли найкраще ростуть при помірних температурах в діапазоні від 20° C до приблизно 45° C, патогенами зазвичай є мезофіли.
• Термофіли і гіпертермофіли пристосовані до життя при температурі вище 50° C.
• Пристосування до холодних і гарячих температур вимагають зміни складу мембранних ліпідів і білків.