Физические факторы, влияющие на микробную жизнь

Микробы могут быть повреждены или убиты элементами их физической среды, такими как температура, радиация или воздействие химических веществ; эти эффекты могут быть использованы для борьбы с патогенами , часто в целях обеспечения безопасности пищевых продуктов .

Облучение

Облучение — это использование ионизирующих гамма-лучей, испускаемых кобальтом-60 и цезием-137 , или высокоэнергетических электронов и рентгеновских лучей для инактивации микробных патогенов, особенно в пищевой промышленности. Такие бактерии, как Deinococcus radiodurans , особенно устойчивы к радиации, но не являются патогенными. ^[1] Активные микробы, такие как Corynebacterium aquaticum , Pseudomonas putida , Comamonas acidovorans , Gluconobacter cerinus , Micrococcus diversus и Rhodococcus rhodochrous , были извлечены из бассейнов хранения отработанного ядерного топлива в Национальной инженерно-экологической лаборатории штата Айдахо (INEEL). Эти микробы снова подверглись контролируемым дозам радиации. Все виды пережили более слабые дозы радиации с небольшими повреждениями, тогда как только грамположительные виды пережили гораздо большие дозы. Споры грамположительных бактерий содержат запасные белки, которые прочно связываются с ДНК и, возможно, действуют как защитный барьер от радиационного повреждения.

Ионизирующее излучение убивает клетки косвенно, создавая реактивные свободные радикалы . Эти свободные радикалы могут химически изменять чувствительные макромолекулы в клетке, приводя к их инактивации. Большая часть макромолекул клетки подвергается воздействию ионизирующей радиации, однако повреждение макромолекулы ДНК чаще всего является причиной гибели клетки, поскольку ДНК часто содержит лишь одну копию ее генов; белки, с другой стороны, часто имеют несколько копий, так что повреждение одной из них не приведет к гибели клетки и в любом случае всегда может быть повторно синтезировано при условии, что ДНК осталась неповрежденной. ^[2]^[3] Ультрафиолетовое излучение уже более века используется в качестве бактерицидного средства как в промышленности, так и в медицине (см. Ультрафиолетовое бактерицидное облучение ). Использование ультрафиолета приводит как к инактивации, так и к стимуляции мутаций. Исследование облученной популяции Escherichia coli выявило растущее число мутантов, устойчивых к бактериофагам, индуцированных светом. ^[4]

Ионы металлов ( Олигодинамический эффект )

Карл Нэгели , швейцарский ботаник, обнаружил в 1893 году, 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 действие на микробную жизнь. денатурируя микробные ферменты и тем самым нарушая их метаболизм. Этот эффект незначителен для вирусов, поскольку они не метаболически активны. ^[5]

Импульсные электрические поля (ПЭП)

Импульсы сильного электрического поля, приложенные к клеткам, вызывают образование в их мембранах пор ( электропорация ), увеличивая проницаемость мембраны с последующей и нежелательной для клетки миграцией химических веществ. Импульсы низкой интенсивности могут привести к увеличению выработки вторичных метаболитов и развитию резистентности. Обработка PEF является подходящим процессом для инактивации микробов в кислотах и других термочувствительных средах, но таит в себе опасность резистентности из-за неполного разрушения. ^[6]^[7]

Импульсные магнитные поля (ИМП)

Исследование 2004 года показало, что E. coli восприимчива к импульсным магнитным полям с показателем выживаемости 1 на 10 000. Как и в случае с PEF, клеточные стенки становятся пористыми, что приводит к гибели клеток. Такие ферменты, как лактопероксидаза , липаза и каталаза, легко инактивируются, хотя и с разной степенью чувствительности. ^[8]^[9] Исследование 2010 года было сосредоточено на влиянии PMF на золотистый стафилококк . ^[10]

Ультразвук высокой мощности

До недавнего времени ультразвуковые системы использовались для очистки, резки, ^[11] сварка пластмасс и медицинская терапия. Ультразвук высокой мощности — полезный инструмент, который чрезвычайно универсален в своих применениях. Ультразвук создает кавитационные пузырьки внутри жидкости или суспензии, заставляя молекулы жидкости вибрировать. В этих пузырьках регулярно регистрируются температуры 5000К и давления до 2000 атмосфер. Кавитацию можно создать, используя частоты слышимого диапазона до 2 МГц, оптимальная частота составляет около 20 кГц. Для генерации ультразвука требуется жидкая среда и источник ультразвука, обычно пьезоэлектрический или магнитострикционный преобразователь . Этот процесс используется для уничтожения кишечной палочки , сальмонеллы , аскарид , лямблий , криптоспоридий цист , цианобактерий и полиовируса . Он также способен расщеплять органические пестициды . ^[12]

Частоты, используемые в диагностическом ультразвуке, обычно составляют от 2 до 18 МГц, и остается неопределенность относительно степени повреждения клеток или долгосрочных последствий сканирования плода. (см. Медицинское УЗИ )

Низкие температуры

Замораживание продуктов питания для сохранения их качества использовалось с незапамятных времен. Низкие температуры сдерживают порчу пищевых продуктов микроорганизмами, но также могут сохранять некоторые болезнетворные микроорганизмы невредимыми в течение длительного периода времени. Замораживание убивает некоторые микроорганизмы в результате физической травмы, другие получают сублетальные повреждения в результате замораживания и могут восстановиться, становясь заразными. ^[13]

Высокие осмотические градиенты

Сироп, мед, рассол, спирт и концентрированные растворы сахара или соли оказывают антибактериальное действие благодаря осмотическому давлению. Сироп и мед уже давно используются в качестве местного средства для лечения поверхностных и глубоких ран. ^[14]^[15]

Соединения древесного дыма действуют как консерванты пищевых продуктов. Фенол и фенольные соединения, содержащиеся в древесном дыме, являются антиоксидантами и противомикробными средствами, замедляя рост бактерий. Другие противомикробные вещества, содержащиеся в древесном дыме, включают формальдегид, уксусную кислоту и другие органические кислоты, которые придают древесному дыму низкий уровень pH — около 2,5. Некоторые из этих соединений также токсичны для людей и могут иметь последствия для здоровья в тех количествах, которые содержатся в кулинарии.

Озон

Жизнеспособность микроорганизмов снижается при контакте с озоном , что нарушает целостность их клеточных стенок. Грамотрицательные бактерии более уязвимы к озону, чем грамположительные организмы. ^[16]^[17]

Высокие температуры

(см. Термизация и Пастеризация )
Экстремальные температуры уничтожают вирусы и вегетативные клетки, которые активны и метаболизируют. Органические молекулы, такие как белки , углеводы , липиды и нуклеиновые кислоты , а также клеточные стенки и мембраны, которые играют важную роль в клеточном метаболизме, повреждаются при чрезмерном нагревании. Пищевые продукты, предназначенные для потребления человеком, обычно нагревают путем запекания, варки и жарки до температур, которые уничтожают большинство болезнетворных микроорганизмов. Термические 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, медицинских отходов . 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 теплу.

Высокое давление

(см. Паскализация )
Вода под очень высоким гидростатическим давлением до 700 МПа (100 000 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 исключает изменения качества пищевых продуктов из-за термического разложения, что приводит к более свежему вкусу, текстуре, внешнему виду и питательной ценности. Обработку удобно проводить при температуре окружающей среды или при температуре охлаждения. ^[19]

Вопрос о том, является ли давление препятствием для (микробной) жизни, на удивление противоречит тому, что предполагалось в течение долгого времени. Анураг Шарма, геохимик, Джеймс Скотт, микробиолог, и другие из Института Карнеги в Вашингтоне провели эксперимент с ячейкой с алмазной наковальней и использовали «прямые наблюдения» за микробной активностью при давлении более 1,0 гигапаскаля. ^[20]

Их целью было протестировать микробы и выяснить, под каким уровнем давления они могут осуществлять жизненные процессы. Эксперименты проводились при давлении до 1,6 ГПа, что более чем в 16 000 раз превышает давление на поверхности Земли (давление на поверхности Земли составляет 985 гПа). Эксперимент начался с помещения раствора бактерий, в частности Escherichia coli и Shewanella oneidensis , в пленку и помещения ее в DAC. Затем давление подняли до 1,6 ГПа. При повышении такого давления и выдерживании его в течение 30 часов выжило по крайней мере 1% бактерий. Затем экспериментаторы добавили в раствор краситель, а также контролировали метаболизм формиата с помощью рамановской спектроскопии in-situ. Если бы клетки выдержали сжатие и были способны осуществлять жизненные процессы, в частности расщеплять формиат, краситель стал бы прозрачным. Давление 1,6 ГПа — такое большое давление, что во время эксперимента ЦАП превратил раствор в лед-IV — лед комнатной температуры. Когда бактерии расщепляли формиат во льду, в результате химической реакции образовывались жидкие карманы. Бактерии также смогли цепляться за поверхность ЦАП своими хвостами. ^[21]

Этот новаторский эксперимент вызвал некоторый скептицизм. По мнению Арта Яяноса, океанографа из Института океанографии Скриппса в Ла-Хойе, Калифорния, организм следует считать живым только в том случае, если он способен размножаться. Другая проблема эксперимента DAC заключается в том, что при возникновении высоких давлений обычно присутствуют и высокие температуры, но в этом эксперименте их не было. Этот эксперимент проводился при комнатной температуре. Однако намеренное 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 явлений окружающей среды посредством экспериментов. Практически не ведется дискуссия о том, может ли микробная жизнь выдерживать давление до 600 МПа, что было доказано за последнее десятилетие или около того в ряде разрозненных публикаций. ^[20] Что важно в этом подходе Шармы и соавт. Работа 2002 года — это элегантно простая возможность контролировать системы в экстремальных условиях, которые с тех пор остаются технически недоступными. Хотя эксперимент демонстрирует простоту и элегантность, результаты не являются неожиданными и согласуются с большинством биофизических моделей. Этот новый подход закладывает основу для будущих работ по микробиологии в условиях, не связанных с окружающей средой, не только обеспечивая научную предпосылку, но и закладывая техническую осуществимость для будущих работ по биологии и органическим системам, не связанной с окружающей средой.

Высокое ускорение

Поверхности бактериальных клеток могут быть повреждены силами ускорения, возникающими в центрифугах . ^[23] Лабораторные центрифуги обычно достигают 5000–15000 g — процедура, которая часто убивает значительную часть микробов, особенно если они находятся в фазе экспоненциального роста . ^[24]

См. также

Ссылки

^ Облучение пищевых продуктов
^ Облучение микробов из среды бассейна хранения отработавшего ядерного топлива
^ Питонзо, Бет Дж.; Эми, Пенни С.; Рудин, Марк (1999). «Реанимация микроорганизмов после гамма-облучения». Радиационные исследования . 152 (1): 71–75. Бибкод : 1999РадР..152...71П . дои : 10.2307/3580051 . JSTOR 3580051 . ПМИД 10381843 .
^ Виткин, Э.М. (1956). «Время, температура и синтез белка: исследование мутаций в бактериях, вызванных ультрафиолетом». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 21 : 123–140. дои : 10.1101/SQB.1956.021.01.011 . ПМИД 13433586 .
^ Дик, Р.Дж.; Рэй, Дж.А.; Джонстон, Х.Н. (1973). Поиск литературы и технологий по бактериостатическим и дезинфицирующим свойствам поверхностей меди и медных сплавов . OCLC 552217563 . ^{[ нужна страница ]}
^ Грал, Т.; Меркл, Х. (1996). «Уничтожение микроорганизмов импульсными электрическими полями». Прикладная микробиология и биотехнология . 45 (1–2): 148–57. дои : 10.1007/s002530050663 . ПМИД 8920190 . S2CID 21587763 .
^ Эдебо, Л.; Холм, Т.; Селин, И. (1968). «Микробицидное действие соединений, генерируемых переходными электрическими дугами в водных системах» . Журнал общей микробиологии . 53 (1): 1–7. дои : 10.1099/00221287-53-1-1 . ПМИД 4971159 .
^ Хайле, Ма; Пан, Чжунли; Гао, Мэнсян; Ло, Линь (2008). «Эффективность микробной стерилизации обработки импульсным магнитным полем». Международный журнал пищевой инженерии . 4 (4). дои : 10.2202/1556-3758.1177 . S2CID 96223683 .
^ Влияние импульсного магнитного поля на микроорганизмы и ферменты в молоке. ^{[ ненадежный источник? ]}
^ Сюй, Шэнь-Ши; Ма, Хай-Ле (2010). «Стерилизационные и биологические эффекты импульсного магнитного поля на золотистый стафилококк и динамика его инактивации» . Пищевая наука . 31 (21): 20–23.
^ http://www.geiss-ttt.com/www_geiss/exp_tech_trim_ultrasonic_cutting_e_134_197_0_f.htm ^{[ нужна полная цитата ]}
^ Бейтс, Даррен; Бейтс, Джоан. «Описание потенциальных применений мощного ультразвука при переработке отходов» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2012 года. ^{[ самостоятельно опубликованный источник? ]}^{[ ненадежный источник? ]}
^ Арчер, Дуглас Л. (2004). «Замораживание: недостаточно используемая технология обеспечения безопасности пищевых продуктов?». Международный журнал пищевой микробиологии . 90 (2): 127–38. дои : 10.1016/S0168-1605(03)00215-0 . ПМИД 14698095 .
^ Вестергаард, Г.; Фрагази, Д. (1987). «Самолечение ран обезьяной капуцином (Cebus apella)». Эволюция человека . 2 (6): 557–562. дои : 10.1007/BF02437429 . S2CID 84199315 .
^ «Целебный мед для лечения ран» . Новости Би-би-си .
^ Мур, Г.; Гриффит, К.; Питерс, А. (2000). «Бактерицидные свойства озона и его потенциальное применение в качестве конечного дезинфицирующего средства» . Журнал защиты пищевых продуктов . 63 (8): 1100–6. дои : 10.4315/0362-028x-63.8.1100 . ПМИД 10945587 .
^ Сельма, Мария Виктория; Ибаньес, Ана Мария; Кэнтуэлл, Марита; Суслоу, Тревор (2008). «Уменьшение сальмонеллы и микробной флоры, связанной со свежесрезанной дыней, с помощью газообразного озона». Пищевая микробиология . 25 (4): 558–565. дои : 10.1016/j.fm.2008.02.006 . ПМИД 18456110 .
^ Потакамури, Уша Р.; Монсальве-Гонсалес, А.; Барбоса-Кановас, Гюстав В.; Суонсон, Барри Г. (1995). «Инактивация Escherichia coli и Staphylococcus aureus в модельных пищевых продуктах с помощью технологии импульсного электрического поля». Международное исследование пищевых продуктов . 28 (2): 167–71. дои : 10.1016/0963-9969(95)90801-G .
^ Обработка продуктов питания под высоким давлением ^{[ нужен неосновной источник ]}
^ Jump up to: ^а ^б ^с Шарма, А.; Скотт, Дж. Х.; Коди, Грузия; Фогель, МЛ; Хазен, РМ; Хемли, Р.Дж.; Охотница, WT (2002). «Микробная активность при гигапаскальском давлении». Наука . 295 (5559): 1514–1516. Бибкод : 2002Sci...295.1514S . дои : 10.1126/science.1068018 . ПМИД 11859192 . S2CID 41228587 .
^ Jump up to: ^а ^б Кузен, Дж. (2002). «МИКРОБИОЛОГИЯ: тяжесть мира на плечах микробов». Наука . 295 (5559): 1444б–1445. дои : 10.1126/science.295.5559.1444b . ПМИД 11859165 . S2CID 83692800 .
^ Ванлинт, Д.; Митчелл, Р.; Бейли, Э.; Меерсман, Ф.; Макмиллан, ПФ; Михилс, CW; Артсен, А. (2011). «Быстрое приобретение устойчивости Escherichia coli к высокому давлению в гигапаскалях» . мБио . 2 (1): e00130–10. дои : 10.1128/mBio.00130-10 . ПМК 3025523 . ПМИД 21264062 .
^ Петерсон, Брэндон В.; Шарма, Прашант К.; Ван дер Мей, Хенни С.; Бушер, Хенк Дж. (2012). «Повреждение поверхности бактериальных клеток вследствие центробежного уплотнения» . Прикладная и экологическая микробиология . 78 (1): 120–125. Бибкод : 2012ApEnM..78..120P . дои : 10.1128/AEM.06780-11 . ПМЦ 3255633 . ПМИД 22038609 .
^ Гилберт, Питер; Браун, Майкл Р.В. (1991). «Из пробирки на сковороду: переменные после роста и перед тестированием» . Журнал антимикробной химиотерапии . 27 (6): 859–860. дои : 10.1093/jac/27.6.859 . ПМИД 1938693 .

Внешние ссылки

Научные источники и законодательство - Оборудование для физического вмешательства

[1] Облучение пищевых продуктов

[2] Облучение микробов из среды бассейна хранения отработавшего ядерного топлива

[3] Питонзо, Бет Дж.; Эми, Пенни С.; Рудин, Марк (1999). «Реанимация микроорганизмов после гамма-облучения». Радиационные исследования . 152 (1): 71–75. Бибкод : 1999РадР..152...71П . дои : 10.2307/3580051 . JSTOR 3580051 . ПМИД 10381843 .

[4] Виткин, Э.М. (1956). «Время, температура и синтез белка: исследование мутаций в бактериях, вызванных ультрафиолетом». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии . 21 : 123–140. дои : 10.1101/SQB.1956.021.01.011 . ПМИД 13433586 .

[5] Дик, Р.Дж.; Рэй, Дж.А.; Джонстон, Х.Н. (1973). Поиск литературы и технологий по бактериостатическим и дезинфицирующим свойствам поверхностей меди и медных сплавов . OCLC 552217563 . ^{[ нужна страница ]}

[6] Грал, Т.; Меркл, Х. (1996). «Уничтожение микроорганизмов импульсными электрическими полями». Прикладная микробиология и биотехнология . 45 (1–2): 148–57. дои : 10.1007/s002530050663 . ПМИД 8920190 . S2CID 21587763 .

[7] Эдебо, Л.; Холм, Т.; Селин, И. (1968). «Микробицидное действие соединений, генерируемых переходными электрическими дугами в водных системах» . Журнал общей микробиологии . 53 (1): 1–7. дои : 10.1099/00221287-53-1-1 . ПМИД 4971159 .

[8] Хайле, Ма; Пан, Чжунли; Гао, Мэнсян; Ло, Линь (2008). «Эффективность микробной стерилизации обработки импульсным магнитным полем». Международный журнал пищевой инженерии . 4 (4). дои : 10.2202/1556-3758.1177 . S2CID 96223683 .

[9] Влияние импульсного магнитного поля на микроорганизмы и ферменты в молоке. ^{[ ненадежный источник? ]}

[10] Сюй, Шэнь-Ши; Ма, Хай-Ле (2010). «Стерилизационные и биологические эффекты импульсного магнитного поля на золотистый стафилококк и динамика его инактивации» . Пищевая наука . 31 (21): 20–23.

[11] ttp://www.geiss-ttt.com/www_geiss/exp_tech_trim_ultrasonic_cutting_e_134_197_0_f.htm ^{[ нужна полная цитата ]}

[12] Бейтс, Даррен; Бейтс, Джоан. «Описание потенциальных применений мощного ультразвука при переработке отходов» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2012 года. ^{[ самостоятельно опубликованный источник? ]}^{[ ненадежный источник? ]}

[13] Арчер, Дуглас Л. (2004). «Замораживание: недостаточно используемая технология обеспечения безопасности пищевых продуктов?». Международный журнал пищевой микробиологии . 90 (2): 127–38. дои : 10.1016/S0168-1605(03)00215-0 . ПМИД 14698095 .

[14] Вестергаард, Г.; Фрагази, Д. (1987). «Самолечение ран обезьяной капуцином (Cebus apella)». Эволюция человека . 2 (6): 557–562. дои : 10.1007/BF02437429 . S2CID 84199315 .

[15] «Целебный мед для лечения ран» . Новости Би-би-си .

[16] Мур, Г.; Гриффит, К.; Питерс, А. (2000). «Бактерицидные свойства озона и его потенциальное применение в качестве конечного дезинфицирующего средства» . Журнал защиты пищевых продуктов . 63 (8): 1100–6. дои : 10.4315/0362-028x-63.8.1100 . ПМИД 10945587 .

[17] Сельма, Мария Виктория; Ибаньес, Ана Мария; Кэнтуэлл, Марита; Суслоу, Тревор (2008). «Уменьшение сальмонеллы и микробной флоры, связанной со свежесрезанной дыней, с помощью газообразного озона». Пищевая микробиология . 25 (4): 558–565. дои : 10.1016/j.fm.2008.02.006 . ПМИД 18456110 .

[18] Потакамури, Уша Р.; Монсальве-Гонсалес, А.; Барбоса-Кановас, Гюстав В.; Суонсон, Барри Г. (1995). «Инактивация Escherichia coli и Staphylococcus aureus в модельных пищевых продуктах с помощью технологии импульсного электрического поля». Международное исследование пищевых продуктов . 28 (2): 167–71. дои : 10.1016/0963-9969(95)90801-G .

[19] Обработка продуктов питания под высоким давлением ^{[ нужен неосновной источник ]}

[sharma-20] Jump up to: ^а ^б ^с Шарма, А.; Скотт, Дж. Х.; Коди, Грузия; Фогель, МЛ; Хазен, РМ; Хемли, Р.Дж.; Охотница, WT (2002). «Микробная активность при гигапаскальском давлении». Наука . 295 (5559): 1514–1516. Бибкод : 2002Sci...295.1514S . дои : 10.1126/science.1068018 . ПМИД 11859192 . S2CID 41228587 .

[couz-21] Jump up to: ^а ^б Кузен, Дж. (2002). «МИКРОБИОЛОГИЯ: тяжесть мира на плечах микробов». Наука . 295 (5559): 1444б–1445. дои : 10.1126/science.295.5559.1444b . ПМИД 11859165 . S2CID 83692800 .

[vanlint-22] Ванлинт, Д.; Митчелл, Р.; Бейли, Э.; Меерсман, Ф.; Макмиллан, ПФ; Михилс, CW; Артсен, А. (2011). «Быстрое приобретение устойчивости Escherichia coli к высокому давлению в гигапаскалях» . мБио . 2 (1): e00130–10. дои : 10.1128/mBio.00130-10 . ПМК 3025523 . ПМИД 21264062 .

[23] Петерсон, Брэндон В.; Шарма, Прашант К.; Ван дер Мей, Хенни С.; Бушер, Хенк Дж. (2012). «Повреждение поверхности бактериальных клеток вследствие центробежного уплотнения» . Прикладная и экологическая микробиология . 78 (1): 120–125. Бибкод : 2012ApEnM..78..120P . дои : 10.1128/AEM.06780-11 . ПМЦ 3255633 . ПМИД 22038609 .

[24] Гилберт, Питер; Браун, Майкл Р.В. (1991). «Из пробирки на сковороду: переменные после роста и перед тестированием» . Журнал антимикробной химиотерапии . 27 (6): 859–860. дои : 10.1093/jac/27.6.859 . ПМИД 1938693 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]