13.2: Використання фізичних методів боротьби з мікроорганізмами

Цілі навчання

• Зрозумійте та порівняйте різні фізичні методи контролю росту мікробів, включаючи нагрівання, охолодження, заморожування, обробку високого тиску, десикацію, ліофілізацію, опромінення та фільтрацію

Протягом тисячоліть люди використовували різні фізичні методи мікробного контролю для консервації їжі. Загальні методи контролю включають застосування високих температур, випромінювання, фільтрації та десикації (сушіння), серед інших. Багато з цих методів неспецифічно вбивають клітини, порушуючи мембрани, змінюючи проникність мембран або пошкоджуючи білки та нуклеїнові кислоти шляхом денатурації, деградації або хімічної модифікації. У цьому розділі описані різні фізичні методи, що застосовуються для боротьби з мікробами.

Тепло

Опалення є однією з найпоширеніших і найстаріших форм мікробного контролю. Застосовується в простих техніках, таких як приготування і консервування. Тепло може вбивати мікроби, змінюючи їх мембрани та денатуруючи білки. Термічна точка загибелі (TDP) мікроорганізму - найнижча температура, при якій всі мікроби гинуть за 10-хвилинну експозицію. Різні мікроорганізми по-різному реагуватимуть на високі температури, причому деякі (наприклад, ендоспороутворювачі, такі як C. botulinum) більш теплостійкі. Аналогічний параметр, час термічної смерті (ТДТ) - це тривалість часу, необхідного для знищення всіх мікроорганізмів у зразку при заданій температурі. Ці параметри часто використовуються для опису процедур стерилізації, які використовують високу температуру, наприклад, автоклавування. Кип'ятіння - один з найдавніших методів волого-теплової боротьби з мікробами, і він, як правило, досить ефективний при знищенні вегетативних клітин і деяких вірусів. Однак кип'ятіння менш ефективно при знищенні ендоспор; деякі ендоспори здатні пережити до 20 годин кипіння. Крім того, кип'ятіння може бути менш ефективним на більшій висоті, де температура кипіння води нижча, а отже, час кипіння, необхідний для знищення мікробів, довший. З цих причин кип'ятіння не вважається корисною технікою стерилізації в лабораторних чи клінічних умовах.

Для стерилізації в лабораторії чи клініці можна використовувати багато різних протоколів опалення, і ці протоколи можна розбити на дві основні категорії: стерилізація сухим теплом та волого-теплова стерилізація. Асептична техніка в лабораторії, як правило, включає деякі протоколи сухої теплової стерилізації з використанням прямого застосування високої температури, таких як стерилізація інокуляційних петель (рис.\(\PageIndex{1}\)). Спалювання при дуже високих температурах знищує всі мікроорганізми. Сухе тепло також може застосовуватися протягом відносно тривалого періоду часу (не менше 2 годин) при температурі до 170° C за допомогою стерилізатора сухого тепла, такого як духовка. Однак стерилізація вологою-теплом, як правило, є більш ефективним протоколом, оскільки вона проникає в клітини краще, ніж сухе тепло.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Стерилізація петлі, яку часто називають «полум'яною петлею», є загальним компонентом асептичної техніки в лабораторії мікробіології і використовується для спалювання будь-яких мікроорганізмів на петлі. (b) В якості альтернативи можна використовувати бактерицинератор для зменшення аерозолізації мікробів та видалення присутності відкритого полум'я в лабораторії. Це приклади сухої теплової стерилізації шляхом прямого застосування високого тепла, здатного до спалювання. (Кредит а: модифікація роботи Ан-Хюе Ту; кредит б: модифікація роботи Брайана Форстера)

Автоклави

Автоклави покладаються на волого-теплову стерилізацію. Вони використовуються для підвищення температури вище температури кипіння води для стерилізації таких предметів, як хірургічне обладнання від вегетативних клітин, вірусів і особливо ендоспор, які, як відомо, витримують температуру кипіння, не пошкоджуючи предмети. Чарльз Чемберленд (1851—1908) спроектував сучасний автоклав у 1879 році під час роботи в лабораторії Луї Пастера. Автоклав досі вважається найефективнішим методом стерилізації (рис.\(\PageIndex{2}\)). Поза лабораторними та клінічними умовами великі промислові автоклави, які називаються ретортами, дозволяють проводити стерилізацію вологою-теплом у великих масштабах.

Загалом, повітря в камері автоклава видаляється і замінюється збільшенням кількості пари, що затримується всередині закритої камери, що призводить до підвищення внутрішнього тиску і температури вище температури кипіння води. Два основних типи автоклавів відрізняються способом видалення повітря з камери. У автоклавах з самопливним переміщенням пар вводиться в камеру зверху або з боків. Повітря, який важче пари, опускається на дно камери, де витісняється назовні через вентиляційний отвір. Повне витіснення повітря утруднено, особливо при великих навантаженнях, тому для таких навантажень можуть знадобитися більш тривалі цикли. У попередньо вакуумних стерилізаторах повітря видаляється повністю за допомогою високошвидкісного вакууму перед введенням пари в камеру. Оскільки повітря більш повно усувається, пар може легше проникати в загорнуті предмети. Багато автоклави здатні як гравітаційний, так і превакуум цикли, використовуючи перші для знезараження відходів і стерилізації середовищ і розгорнутого скляного посуду, а другі - для стерилізації упакованих інструментів.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) Автоклав зазвичай використовується для стерилізації в лабораторії та в клінічних умовах. За рахунок витіснення повітря в камері зі збільшенням кількості пари підвищується тиск, і можуть бути досягнуті температури, що перевищують 100° C, що дозволяє провести повну стерилізацію. (b) Дослідник програмує автоклав для стерилізації зразка. (Кредит а: модифікація роботи Кортні Харрінгтон; кредит b: модифікація роботи Лакемєра М.Г., Кок-Меркадо Fd, Вада Дж., Боллінгер Л, Кіндрачук Дж., Вахл-Йенсен V, Kuhn JH, Jahrling PB)

Стандартні робочі температури для автоклавів становлять 121° C або, в деяких випадках, 132° C, як правило, при тиску від 15 до 20 фунтів на квадратний дюйм (psi). Тривалість експозиції залежить від обсягу та характеру стерилізованого матеріалу, але це, як правило, 20 хвилин або більше, причому більші обсяги вимагають більш тривалого часу експозиції, щоб забезпечити достатню тепловіддачу стерилізованим матеріалам. Пар повинен безпосередньо контактувати з рідинами або сухими матеріалами, що стерилізуються, тому контейнери залишають вільно закритими, а інструменти вільно загортають у папір або фольгу. Ключем до автоклавування є те, що температура повинна бути достатньо високою, щоб вбити ендоспори для досягнення повної стерилізації.

Оскільки стерилізація настільки важлива для безпечних медичних та лабораторних протоколів, контроль якості є важливим. Автоклави можуть бути оснащені реєстраторами для документування тиску та температури, досягнутих під час кожного запуску. Крім того, внутрішні показники різних типів слід автоклавувати разом із матеріалами, що підлягають стерилізації, щоб забезпечити досягнення належної температури стерилізації (рис.\(\PageIndex{3}\)). Одним з поширених типів індикаторів є використання термочутливої автоклавної стрічки, яка має білі смуги, які чорніють при досягненні відповідної температури під час успішного запуску автоклава. Цей тип індикатора відносно недорогий і може використовуватися під час кожного пробігу. Однак автоклавна стрічка не забезпечує вказівки тривалості впливу, тому її не можна використовувати як показник стерильності. Інший тип індикатора, біологічний індикатор споровий тест, використовує або смужку паперу, або рідку суспензію ендоспор Geobacillus stearothermophilus, щоб визначити, чи вбиваються ендоспори процесом. Ендоспори облігатної термофільної бактерії G. stearothermophilus є золотим стандартом, який використовується для цієї мети через їх надзвичайну термостійкість. Біологічні показники спор також можуть бути використані для перевірки ефективності інших протоколів стерилізації, включаючи оксид етилену, сухе тепло, формальдегід, гамма-випромінювання та стерилізацію плазми пероксиду водню, використовуючи або G. стеаротермофіл, Bacillus atrophaeus, B. subtilis або спори B. pumilus. У разі перевірки автоклавної функції ендоспори інкубуються після автоклавування, щоб забезпечити відсутність життєздатних ендоспор. Ріст бактерій після проростання ендоспор можна контролювати за допомогою біологічних індикаторних спорових тестів, які виявляють кислотні метаболіти або флуоресценцію, вироблену ферментами, отриманими з життєздатних G. stearothermophilus Третім типом автоклавного індикатора є трубка Diack, скляна ампула, що містить чутливу до температури гранулу, яка плавиться при належній температурі стерилізації. Спорові смужки або трубки Diack використовуються періодично, щоб забезпечити правильну роботу автоклава.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Білі смужки на автоклавної стрічці (ліва трубка) темніють під час успішного запуску автоклава (права трубка). (Кредит: модифікація роботи Брайана Форстера)

Пастеризація

Хоча повна стерилізація ідеально підходить для багатьох медичних застосувань, вона не завжди практична для інших застосувань, а також може змінити якість продукту. Кип'ятіння та автоклавування не є ідеальними способами контролю росту мікробів у багатьох продуктах, оскільки ці методи можуть зруйнувати консистенцію та інші органолептичні (сенсорні) якості їжі. Пастеризація - це форма мікробного контролю для їжі, яка використовує тепло, але не робить їжу стерильною. Традиційна пастеризація вбиває хвороботворні мікроорганізми і зменшує кількість мікробів, що викликають псування, зберігаючи при цьому якість їжі. Процес пастеризації вперше був розроблений Луї Пастером в 1860-х роках як метод запобігання псування пива і вина. Сьогодні пастеризація найчастіше використовується для знищення термочутливих патогенів в молоці та інших харчових продуктах (наприклад, яблучному соку і меді) (рис.\(\PageIndex{4}\)). Однак оскільки пастеризовані харчові продукти не є стерильними, вони з часом зіпсуються.

Методи, що застосовуються для пастеризації молока, балансують температуру і тривалість обробки. Один з методів, високотемпературна короткочасна пастеризація (HTST), піддає молоко температурі 72° C протягом 15 секунд, що знижує кількість бактерій, зберігаючи якість молока. Альтернативою є ультрависокотемпературна (УВТ) пастеризація, при якій молоко піддається впливу температури 138° C протягом 2 і більше секунд. Пастеризоване молоко ультрапастеризоване можна довго зберігати в герметичних контейнерах, не будучи охолодженим; однак дуже високі температури змінюють білки в молоці, викликаючи незначні зміни смаку та запаху. Все-таки такий спосіб пастеризації вигідний в регіонах, де доступ до холодильного обладнання обмежений.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Два різних методи пастеризації, HTST і UHT, зазвичай використовуються для знищення патогенів, пов'язаних з псуванням молока. (кредит ліворуч: модифікація роботи Марка Хілларі; кредит праворуч: модифікація роботи Керрі Чешика)

Вправа\(\PageIndex{1}\)

1. Як досягаються температури вище кипіння в автоклаві?
2. Як би порівняння настання псування між HTST-пастеризованим та UHT-пастеризованим молоком?
3. Чому кип'ятіння не використовується як метод стерилізації в клінічних умовах?

Холодильні та заморожувальні

Подібно до того, як високі температури ефективні для контролю росту мікробів, піддавання мікробів низьким температурам також може бути простим та ефективним методом боротьби з мікробами, за винятком психрофілів, які віддають перевагу холодним температурам (див. Температура та ріст мікробів). Холодильники, що використовуються на домашніх кухнях або в лабораторії, підтримують температуру від 0° C до 7° C. цей температурний діапазон гальмує мікробний метаболізм, значно уповільнюючи ріст мікроорганізмів і допомагає зберігати охолоджені продукти, такі як продукти харчування або медикаменти. Певні види лабораторних культур можна консервувати охолодженням для подальшого використання.

Заморожування нижче −2° C може зупинити ріст мікробів і навіть вбити чутливі організми. За даними Міністерства сільського господарства США (USDA), єдині безпечні способи розморожування заморожених продуктів - це холодильник, занурений у холодну воду, змінену кожні 30 хвилин, або в мікрохвильовій печі, зберігаючи їжу при температурі, що не сприяє росту бактерій. ¹ Крім того, зупинений ріст бактерій може перезапуститися в розморожених продуктах, тому розморожені продукти слід ставитися як до свіжих швидкопсувних продуктів.

Бактеріальні культури та медичні зразки, які потребують тривалого зберігання або транспортування, часто заморожують при наднизьких температурах −70° C або нижче. Ці наднизькі температури можуть бути досягнуті шляхом зберігання зразків на сухому льоду в наднизькій морозильній камері або в спеціальних резервуарах з рідким азотом, які підтримують температуру нижче −196° C (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Культури та інші медичні зразки можуть зберігатися протягом тривалого періоду при наднизьких температурах. (a) Наднизька морозильна камера підтримує температуру на рівні або нижче -70° C. (b) Навіть нижчі температури можуть бути досягнуті шляхом заморожування та зберігання в рідкому азоті. (Кредит а: модифікація роботи «Експерт Піхота» /Flickr; кредит б: модифікація роботи USDA)

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Чи розміщення їжі в холодильнику вбиває бактерії на їжі?

Тиск

Вплив високого тиску вбиває багатьох мікробів. У харчовій промисловості обробка високого тиску (також називається паскалізацією) використовується для знищення бактерій, дріжджів, цвілі, паразитів та вірусів у харчових продуктах, зберігаючи якість їжі та продовжуючи термін зберігання. Застосування високого тиску між 100 і 800 МПа (атмосферний тиск на рівні моря становить близько 0,1 МПа) є достатнім для знищення вегетативних клітин шляхом денатурації білка, але ендоспори можуть пережити ці тиск. ^{2 3}

У клінічних умовах для лікування інфекцій іноді використовується гіпербарична киснева терапія. У цій формі терапії пацієнт дихає чистим киснем при тиску вище нормального атмосферного тиску, як правило, між 1 і 3 атмосфер (атм). Це досягається поміщенням пацієнта в гіпербаричну камеру або подачею кисню під тиском через дихальну трубку. Гіпербарична оксигенотерапія сприяє підвищенню насичення киснем тканин, які стають гіпоксичними через інфекцію і запалення. Ця підвищена концентрація кисню підсилює імунну відповідь організму за рахунок збільшення активності нейтрофілів і макрофагів, лейкоцитів, які борються з інфекціями. Підвищений рівень кисню також сприяє утворенню токсичних вільних радикалів, які гальмують ріст чутливих до кисню або анаеробних бактерій, таких як Clostridium perfringens, поширена причина газової гангрени. При інфекціях C. perfringens гіпербарична киснева терапія також може зменшити секрецію бактеріального токсину, що викликає руйнування тканин. Гіпербарична киснева терапія також, здається, підвищує ефективність лікування антибіотиками. На жаль, деякі рідкісні ризики включають токсичність кисню та вплив на делікатні тканини, такі як очі, середнє вухо та легені, які можуть бути пошкоджені підвищеним тиском повітря.

Обробка під високим тиском зазвичай не використовується для дезінфекції або стерилізації фомітів. Хоча застосування тиску та пари в автоклаві ефективно для знищення ендоспор, саме досягнута висока температура, а не безпосередньо тиск, призводить до загибелі ендоспор.

Смуга поганого Потлука

Одного понеділка навесні 2015 року жінка Огайо почала відчувати розмитість, подвійне бачення; утруднене ковтання; і опущення повік. Її доставили до відділення невідкладної допомоги місцевої лікарні. Під час обстеження вона почала відчувати спазми в животі, нудоту, параліч, сухість у роті, слабкість м'язів обличчя та утруднення розмови та дихання. Виходячи з цих симптомів, був активований командний центр інциденту лікарні, і чиновники охорони здоров'я Огайо були повідомлені про можливий випадок ботулізму. Тим часом інші пацієнти з подібними симптомами почали з'являтися в інших місцевих лікарнях. Через підозру на ботулізм антитоксин був відправлений на ніч з CDC до цих медичних установ для введення постраждалим пацієнтам. Перший пацієнт помер від дихальної недостатності в результаті паралічу, а близько половини інших постраждалих потребували додаткової госпіталізації після введення антитоксину, причому принаймні двом потрібні апарати ШВЛ для дихання.

Чиновники охорони здоров'я досліджували кожен із випадків і визначили, що всі пацієнти відвідували ту саму церкву potluck напередодні. Більш того, вони простежили джерело спалаху до картопляного салату, зробленого з картоплею домашньої консервованої. Більш ніж імовірно, картопля консервували за допомогою окропу - методу, який дозволяє вижити ендоспорам Clostridium botulinum. C. botulinum виробляє ботулотоксин, нейротоксин, який часто смертельно небезпечний після прийому всередину. За даними CDC, випадок Огайо був найбільшим спалахом ботулізму в США за майже 40 років. ⁴

Для вбивства C. botulinum endospores потрібна мінімальна температура 116° C (240° F), що значно вище температури кипіння води. Цю температуру можна досягти лише в канері під тиском, який рекомендується для домашнього консервування низькокислих продуктів, таких як м'ясо, риба, птиця та овочі (рис.\(\PageIndex{6}\)). Крім того, CDC рекомендує кип'ятити домашні консерви приблизно за 10 хвилин до вживання. Оскільки ботулотоксин є теплолабільним (це означає, що він денатурується теплом), 10 хвилин кипіння зробить нефункціональним будь-який ботулотоксин, який може містити їжа.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): (а) Clostridium botulinum є збудником ботулізму. (b) Для домашнього консервування рекомендується використовувати консервний апарат під тиском, оскільки ендоспори C. botulinum можуть витримувати температуру вище температури кипіння води. (кредит a: зміна роботи Центрів контролю та профілактики захворювань; кредит b: зміна роботи Національного центру збереження харчових продуктів на дому)

Посилання на навчання

Щоб дізнатися більше про правильні методи домашнього консервування, відвідайте веб-сайт CDC.

Висихання

Сушка, також відома як висушування або зневоднення, - це метод, який протягом тисячоліть використовувався для збереження таких продуктів, як родзинки, чорнослив та в'ялене м'ясо. Він працює тому, що всі клітини, включаючи мікроби, вимагають води для їх метаболізму і виживання. Хоча сушка контролює ріст мікробів, воно може не вбити всіх мікробів або їх ендоспори, які можуть почати відростати, коли умови більш сприятливі та відновлення вмісту води.

У деяких випадках продукти сушать на сонці, покладаючись на випаровування для досягнення висушування. Сублімаційна сушка, або ліофілізація, - це ще один метод десикації, при якому предмет швидко заморожують («заморожують») і поміщають під вакуум, щоб вода втрачалася сублімацією. Ліофілізація поєднує в собі як вплив холодних температур, так і десикацію, що робить її досить ефективною для контролю росту мікробів. Крім того, ліофілізація завдає меншої шкоди предмету, ніж звичайна сушка, і краще зберігає оригінальні якості виробу. Ліофілізовані предмети можуть зберігатися при кімнатній температурі, якщо вони упаковані належним чином, щоб запобігти потраплянню вологи. Ліофілізація застосовується для консервування в харчовій промисловості, а також використовується в лабораторії для тривалого зберігання і транспортування мікробних культур.

Вміст води в харчових продуктах та матеріалах, званий активністю води, можна знизити без фізичного сушіння шляхом додавання розчинених речовин, таких як солі або цукру. При дуже високих концентраціях солей або цукрів кількість доступної води в мікробних клітині різко зменшується, оскільки вода буде витягнута з області низької концентрації розчинених речовин (всередині клітини) в область з високою концентрацією розчинених речовин (поза клітиною) (рис.\(\PageIndex{7}\)). Багато мікроорганізмів не витримують цих умов високого осмотичного тиску. Мед, наприклад, на 80% складається з сахарози, середовища, в якій дуже мало мікроорганізмів здатне рости, тим самим виключаючи необхідність охолодження. Солоне м'ясо та риба, як шинка та тріска, відповідно, були критично важливими продуктами до віку охолодження. Фрукти консервували, додаючи цукор, роблячи джеми і желе. Однак певні мікроби, такі як цвіль та дріжджі, як правило, більш терпимі до висихання та високого осмотичного тиску, і, таким чином, все ще можуть забруднювати ці види їжі.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): (а) Додавання розчиненої речовини створює гіпертонічне середовище, витягуючи воду з клітин. (b) Деякі продукти можна сушити безпосередньо, наприклад родзинки та в'ялені. Інші продукти сушать з додаванням солі, як у випадку з солоною рибою, або цукру, як у випадку з варенням. (Кредит а: модифікація роботи «Брюса Блауса» /Wikimedia Commons; кредитні родзинки: модифікація роботи Крістіана Шнеттелкера; кредитний джем: модифікація роботи Ларрі Якобсена; кредитна солона риба: модифікація роботи «Фотограф» /Wikimedia Commons; кредитний джем: модифікація роботи Кім Беккер )

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Як впливає додавання солі або цукру в їжу на її водну активність?

Радіація

Випромінювання в різних формах, від високоенергетичного випромінювання до сонячного світла, може використовуватися для знищення мікробів або пригнічення їх росту. Іонізуюче випромінювання включає рентгенівські промені, гамма-промені та високоенергетичні електронні пучки. Іонізуюче випромінювання досить сильне, щоб перейти в клітину, де воно змінює молекулярні структури і пошкоджує клітинні компоненти. Наприклад, іонізуюче випромінювання вводить двониткові розриви в молекулах ДНК. Це може безпосередньо спричинити мутації ДНК, або мутації можуть бути введені, коли клітина намагається відновити пошкодження ДНК. У міру накопичення цих мутацій вони в кінцевому підсумку призводять до загибелі клітин.

І рентгенівські промені, і гамма-промені легко проникають в папір і пластик і тому можуть бути використані для стерилізації багатьох упакованих матеріалів. У лабораторії іонізуюче випромінювання зазвичай використовується для стерилізації матеріалів, які неможливо автоклавувати, таких як пластикові чашки Петрі та одноразові пластикові інокуляційні петлі. Для клінічного застосування іонізуюче випромінювання використовується для стерилізації рукавичок, внутрішньовенних трубок та інших латексних та пластикових виробів, що використовуються для догляду за пацієнтами. Іонізуюче випромінювання також використовується для стерилізації інших видів делікатних, термочутливих матеріалів, що застосовуються клінічно, включаючи тканини для трансплантації, фармацевтичні препарати та медичне обладнання.

У Європі широко використовується гамма-опромінення для збереження харчових продуктів, хоча в США його було повільно (див. Вікно Micro Connections на цю тему). Упаковані сушені спеції також часто опромінюються гаммою. Через їх здатність проникати в папір, пластик, тонкі листи дерева і металу, тканини необхідно дотримуватися великої обережності при використанні рентгенівських променів і гамма-опромінення. Ці типи іонізуючого опромінення не можуть проникати в товсті шари заліза або свинцю, тому ці метали зазвичай використовуються для захисту людей, які можуть бути потенційно піддані впливу.

Інший тип випромінювання, неіонізуюче випромінювання, зазвичай використовується для стерилізації і використовує менше енергії, ніж іонізуюче випромінювання. Він не проникає в клітини або упаковку. Ультрафіолетове (УФ) світло є одним із прикладів; воно призводить до утворення тимінових димерів між сусідніми тимінами в межах однієї нитки ДНК (рис.\(\PageIndex{8}\)). Коли ДНК-полімераза стикається з тиміновим димером, вона не завжди включає відповідні комплементарні нуклеотиди (два аденіни), і це призводить до утворення мутацій, які в кінцевому підсумку можуть вбити мікроорганізми.

Ультрафіолетове світло може ефективно використовуватися як споживачами, так і лабораторним персоналом для контролю росту мікробів. УФ-лампи зараз зазвичай вбудовані в системи очищення води для використання в будинках. Крім того, невеликі портативні ультрафіолетові світильники зазвичай використовуються кемперами для очищення води від природних середовищ перед вживанням їжі. Бактерицидні лампи також використовуються в хірургічних кабінетах, шафах біологічної безпеки та переносних витяжках, зазвичай випромінюючи ультрафіолетове світло на довжині хвилі 260 нм. Оскільки ультрафіолетове світло не проникає через поверхні і не пройде через пластмаси або скло, клітини повинні піддаватися безпосередньо джерелу світла.

Сонячне світло має дуже широкий спектр, який включає УФ і видиме світло. У деяких випадках сонячне світло може бути ефективним проти певних бактерій як через утворення тимінових димерів ультрафіолетовим світлом, так і за рахунок виробництва активних продуктів кисню, індукованих у невеликих кількостях впливом видимого світла.

Малюнок\(\PageIndex{8}\): (а) УФ-випромінювання викликає утворення тимінових димерів в ДНК, що призводить до летальних мутацій у оголених мікробів. (б) Бактерицидні лампи, що випромінюють ультрафіолетове світло, зазвичай використовуються в лабораторії для стерилізації обладнання.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

1. Які дві переваги іонізуючого випромінювання як методу стерилізації?
2. Як ефективність іонізуючого випромінювання порівнюється з ефективністю неіонізуючого випромінювання?

Опромінена їжа: Ви б з'їли це?

З усіх способів запобігання псування їжі і харчових хвороб гамма-опромінення може виявитися самим неапетитним. Хоча гамма-опромінення є перевіреним методом усунення потенційно шкідливих мікробів з їжі, громадськості ще належить придбати. Більшість їх занепокоєнь, однак, пов'язані з дезінформацією та поганим розумінням основних принципів радіації.

Найпоширеніший метод опромінення - піддавати їжу кобальту-60 або цезію-137 шляхом пропускання його через радіаційну камеру на стрічці конвеєра. Їжа безпосередньо не контактує з радіоактивним матеріалом і сама не стає радіоактивною. Таким чином, немає ризику впливу радіоактивного матеріалу через вживання в їжу продуктів, опромінених гаммою. Крім того, опромінені продукти не суттєво змінюються з точки зору харчових якостей, окрім втрати певних вітамінів, що також посилюється тривалим зберіганням. Зміни смаку або запаху можуть відбуватися в опромінених продуктах з високим вмістом жиру, таких як жирне м'ясо та молочні продукти, але цей ефект можна мінімізувати, використовуючи менші дози радіації при більш холодних температурах.

У Сполучених Штатах CDC, Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) та Управління з контролю за продуктами та ліками (FDA) визнали опромінення безпечним та ефективним для різних видів м'яса, птиці, молюсків, свіжих фруктів та овочів, яєць зі шкаралупою, спецій та приправ. Гамма-опромінення харчових продуктів також було схвалено для використання в багатьох інших країнах, включаючи Францію, Нідерланди, Португалію, Ізраїль, Росію, Китай, Таїланд, Бельгію, Австралію та Південну Африку. Щоб допомогти покращити занепокоєння споживачів та допомогти з освітніми зусиллями, опромінені продукти тепер чітко позначені та позначені міжнародним символом опромінення, званим «радіурою» (рис.\(\PageIndex{9}\)). Прийняття споживачів, здається, зростає, про що свідчать кілька останніх досліджень.

Малюнок\(\PageIndex{9}\): (а) Харчові продукти піддаються впливу гамма-випромінювання шляхом проходження на конвеєрній стрічці через радіаційну камеру. (b) Продукти, опромінені гаммою, повинні бути чітко позначені та відображати символ опромінення, відомий як «радіура». (кредит a, b: модифікація роботи Міністерства сільського господарства США)

Ультразвукова обробка

Використання високочастотних ультразвукових хвиль для порушення клітинних структур називається ультразвуком. Застосування ультразвукових хвиль викликає швидкі зміни тиску всередині внутрішньоклітинної рідини; це призводить до кавітації, утворення бульбашок всередині клітини, які можуть порушити клітинні структури і в кінцевому підсумку призвести до лізу або руйнування клітини. Ультразвукова обробка корисна в лабораторії для ефективного лізування клітин, щоб звільнити їх вміст для подальших досліджень; поза лабораторією ультразвукова обробка використовується для очищення хірургічних інструментів, лінз та різноманітних інших об'єктів, таких як монети, інструменти та музичні інструменти.

Фільтрація

Фільтрація - це метод фізичного відділення мікробів від зразків. Повітря зазвичай фільтрується через високоефективні фільтри для твердих частинок (HEPA) (рис.\(\PageIndex{10}\)). HEPA-фільтри мають ефективні розміри пор 0,3 мкм, досить малі, щоб захоплювати бактеріальні клітини, ендоспори та багато вірусів, оскільки повітря проходить через ці фільтри, майже стерилізуючи повітря з іншого боку фільтра. HEPA-фільтри мають різноманітне застосування і широко використовуються в клінічних умовах, в автомобіках і літаках і навіть в домашніх умовах. Наприклад, їх можна зустріти в пилососах, системах опалення та кондиціонування повітря, очищувачах повітря.

1um) - це коли частинка заклинюється між волокнами. Дифузія (<0,01) - це коли частинка рухається між волокнами." style="width: 866px; height: 391px;" width="866px" height="391px" src="https://bio.libretexts.org/@api/deki...13_02_HEPA.jpg">

Малюнок\(\PageIndex{10}\): (а) HEPA-фільтри, подібні до цього, видаляють мікроби, ендоспори та віруси, коли повітря протікає через них. (б) Схема HEPA-фільтра. (кредит а: модифікація роботи CSIRO; кредит б: модифікація роботи «LadyOfHats» /Маріана Руїс Вільярреал)

Шафи біологічної безпеки

Шафи біологічної безпеки є хорошим прикладом використання HEPA-фільтрів. HEPA-фільтри в шафах біологічної безпеки (BSCs) використовуються для видалення частинок у повітрі або надходять в шафу (повітрозабірник), виходячи з шафи (витяжка повітря), або обробки як впуску, так і витяжки. Використання повітрозабірного HEPA-фільтра запобігає потраплянню забруднюючих речовин навколишнього середовища в ЦБК, створюючи чисту зону для поводження з біологічними матеріалами. Використання повітряно-витяжного HEPA-фільтра запобігає забрудненню лабораторії патогенними мікроорганізмами, підтримуючи тим самим безпечну робочу зону для персоналу лабораторії.

Розрізняють три класи БСК: I, II і III. Кожен клас призначений для забезпечення різного рівня захисту лабораторного персоналу та навколишнього середовища; BSC II і III також призначені для захисту матеріалів або пристроїв в шафі. Таблиця\(\PageIndex{1}\) узагальнює рівень безпеки, передбачений кожним класом BSC для кожного BSL.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Біологічні ризики та БСК

Оцінений біологічний ризик	Клас BSC	Захист персоналу	Охорона навколишнього середовища	Захист продукту
БСЛ-1, БСЛ-2, БСЛ-3	Я	Так	Так	Ні
БСЛ-1, БСЛ-2, БСЛ-3	II	Так	Так	Так
БСЛ-4	III; II при використанні в кімнаті костюма з костюмом	Так	Так	Так

BSCs I класу захищають працівників лабораторій та навколишнє середовище від низького до середнього ризику впливу біологічних агентів, що використовуються в лабораторії. Повітря втягується в шафу, а потім фільтрується перед виходом через витяжну систему будівлі. BSCs класу II використовують спрямований потік повітря і часткові бар'єрні системи для утримання інфекційних агентів. BSC класу III призначені для роботи з високоінфекційними агентами, такими як ті, що використовуються в лабораторіях BSL-4. Вони газонепроникні, і матеріали, що надходять або виходять з шафи, повинні бути пропущені через систему з подвійними дверима, що дозволяє знезаражувати проміжний простір між використанням. Все повітря пропускається через один або два фільтри HEPA і систему спалювання повітря перед виходом безпосередньо на вулицю (не через витяжну систему будівлі). Персонал може маніпулювати матеріалами всередині шафи класу III, використовуючи довгі гумові рукавички, герметичні до шафи.

Посилання на навчання

У цьому відео показано, як розробляються BSC, і пояснюється, як вони захищають персонал, навколишнє середовище та продукт.

Фільтрація в лікарнях

HEPA-фільтри також широко використовуються в лікарнях та хірургічних кабінетах для запобігання забрудненню та поширенню бактерій, що передаються повітрям через вентиляційні системи. Системи фільтрації НЕРА можуть бути призначені для цілих будівель або для окремих приміщень. Наприклад, опікові відділення, операційні або ізоляційні блоки можуть вимагати спеціальних систем фільтрації HEPA-для видалення умовно-патогенних мікроорганізмів з навколишнього середовища, оскільки пацієнти в цих приміщеннях особливо вразливі до інфекції.

Мембранні фільтри

Фільтрація також може використовуватися для видалення мікробів з рідких зразків за допомогою мембранної фільтрації. Мембранні фільтри для рідин функціонують аналогічно НЕРА-фільтрам для повітря. Як правило, мембранні фільтри, які використовуються для видалення бактерій, мають ефективний розмір пор 0,2 мкм, менший за середній розмір бактерії (1 мкм), але фільтри з меншими розмірами пір доступні для більш конкретних потреб. Мембранна фільтрація корисна для видалення бактерій з різних типів термочутливих розчинів, використовуваних в лабораторії, таких як розчини антибіотиків і вітамінні розчини. Великі обсяги культуральних середовищ також можуть бути стерилізовані фільтром, а не автоклавом для захисту термочутливих компонентів. Часто при фільтрації невеликих обсягів застосовують шприцеві фільтри, а ось вакуумні фільтри зазвичай використовують для фільтрації великих обсягів (рис.\(\PageIndex{11}\)).

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Мембранні фільтри бувають різних розмірів, в залежності від обсягу фільтрується розчину. (a) Більші обсяги фільтруються в таких одиницях. Розчин витягується через фільтр шляхом підключення агрегату до вакууму. (b) Менші обсяги часто фільтруються за допомогою шприцевих фільтрів, які є одиницями, які поміщаються на кінці шприца. В цьому випадку розчин проштовхують шляхом натискання на поршень шприца. (Кредит а, б: модифікація роботи Брайана Форстера)

Вправа\(\PageIndex{5}\)

1. Чи може мембранна фільтрація з фільтром 0,2 мкм, ймовірно, видалити віруси з розчину? Поясніть.
2. Назвіть принаймні два загальних використання фільтрації HEPA в клінічних або лабораторних умовах.

Малюнок\(\PageIndex{12}\) і малюнок\(\PageIndex{13}\) узагальнюють фізичні методи контролю, розглянуті в цьому розділі.

Малюнок\(\PageIndex{12}\): Фізичні методи контролю

Малюнок\(\PageIndex{13}\): Фізичні методи контролю (продовження)

Ключові поняття та резюме

• Тепло - широко використовуваний і високоефективний метод боротьби з ростом мікробів.
• Протоколи сухої теплової стерилізації зазвичай використовуються в асептичних методах в лабораторії. Однак стерилізація вологою-теплом, як правило, є більш ефективним протоколом, оскільки вона проникає в клітини краще, ніж сухе тепло.
• Пастеризація використовується для знищення хвороботворних мікроорганізмів і зменшення кількості мікробів, що викликають псування їжі. Високотемпературна короткочасна пастеризація зазвичай використовується для пастеризації молока, яке буде охолоджуватися; пастеризація надвисокої температури може бути використана для пастеризації молока для тривалого зберігання без охолодження.
• Охолодження уповільнює ріст мікробів; заморожування зупиняє ріст, вбиваючи деякі організми. Лабораторні та медичні зразки можуть бути заморожені на сухому льоду або при наднизьких температурах для зберігання та транспортування.
• Обробка високого тиску може бути використана для знищення мікробів в їжі. Гіпербарична киснева терапія для збільшення насичення киснем також була використана для лікування деяких інфекцій.
• Висушування здавна використовується для збереження продуктів і прискорюється за рахунок додавання солі або цукру, які знижують активність води в продуктах.
• Ліофілізація поєднує холодний вплив та висушування для тривалого зберігання харчових продуктів та лабораторних матеріалів, але мікроби залишаються і можуть бути регідратовані.
• Іонізуюче випромінювання, включаючи гамма-опромінення, є ефективним способом стерилізації термочутливих і упакованих матеріалів. Неіонізуюче випромінювання, як і ультрафіолетове світло, не здатне проникати через поверхні, але корисно для стерилізації поверхні.
• Фільтрація HEPA зазвичай використовується в системах вентиляції лікарні та кабінетах біологічної безпеки в лабораторіях для запобігання передачі повітряних мікробів. Мембранна фільтрація зазвичай використовується для видалення бактерій з термочутливих розчинів.

Виноски

1. 1 Міністерство сільського господарства США. «Заморожування та безпека харчових продуктів». 2013 р. http://www.fsis.usda.gov/wps/portal/...afety/CT_Index. Доступ до 8 червня 2016 року.
2. 2 С. Ферстль. «Обробка високого тиску: уявлення про технології та нормативні вимоги». Їжа для думки/Біла книга. Серія Том 10. Лівермор, Каліфорнія: Національна харчова лабораторія; липень 2013.
3. 3 Управління з контролю за продуктами та ліками США. «Кінетика мікробної інактивації для альтернативних технологій харчової промисловості: обробка високим тиском». 2000. www.fda.gov/Food/FoodSciencer... /см101456.хм. Доступ до 19 липня 2016 року.
4. 4 CL Маккарті та ін. «Великий спалах ботулізму, пов'язаний з церквою Potluck Meal-Ohio, 2015.» Щотижневий звіт про захворюваність та смертність 64, № 29 (2015) :802—803.
5. 5 AM Джонсон та ін. «Споживче прийняття електронно-променевого опроміненого готового до вживання м'яса птиці». Консервація харчової промисловості, 28 № 4 (2004): 302—319.