الظروف الفيزيائية التي تؤثر على نمو البكتيريا

إن دراسة الأسس الفسيولوجية للظروف البيئية للبكتيريا قد أسفرت عن تحديد العوامل الفيزيائية المختلفة التي تؤثر على نمو وتأقلم مختلف المجاميع البكتيرية في الطبيعة. ومن الملاحظ أنه كلما قل عدد العوامل الفيزيائية التي تحدد نمو مجموع بكتيري معين في بيئة ما. كلما سهل التعرف عن سبب تأقلم هذه البكتريا في هذه البيئة الطبيعية.
فالبكتيريات الأرضية تتأثر بالتقلبات المختلفة التي تحدث للظروف البيئية الفيزيائية كالحرارة ، والضغط، والتهوية والحموضة والإشعاعات.
والكائنات الحية الدقيقة التي تتواجد في الطبقات العليا من مياه البحار لا تختلف كثيرا عن البكتيريات الأرضية نظرا لتشابه ظروفهما البيئية فيما عدا ارتفاع ملوحة مياه البحار. أما فيما يختص بالبكتيريات التي تعيش في أعماق المحيطات فإنها تعيش تحت ظروف من الحرارة والضغط لا يتحملها أكثر البكتيريات الأرضية مقاومة للظروف غير الملائمة. والدراسات التي أجريت على بكتيريا الأعماق هذه والتي تم عزلها من رواسب أعماق المحيطات على أبعاد تصل إلى 000. 10 قدم فأكثر، أسفرت عن أمكان تنمية هذه الكائنات صناعيا في ظروف تختلف عن الظروف السائدة في بيئاتها الطبيعية ألا وهى الملوحة المرتفعة، والضغط المائي المرتفع والحرارة المنخفضة. وبمقارنة بكتيريا الأعماق البكتيريات الأرضية أو تلك التي تعيش في المناطق. السطحية من مياه البحار أمكن التعرف على أجناس بكتيرية متشابهة تماما من الوجهة التقسيمية، من ذلك يمكننا أن نفترض أن بروتوبلازم بكتيريا الأعماق هذه تعمل بطريقة أفضل تحت ظروف تختلف عن الظروف الملائمة لنمو الأنواع البكتيرية الأرضية، وأن الاختلاف في هذه الظروف يتمثل فقط في الضغط سواء كان ضغطا مائيا أو اسموزيا.
وسوف نتناول فيما يلي مناقشة بعض الظروف الفيزيائية التي تؤثر على نمو ونشاط البكتريا بشيء من التفصيل. ويحب أن نعلم أنه من الصعب تحديد تأثير الظروف الفيزيائية وتمييزها عن تأثير الظروف الكيمائية حيث أن تأثراتهما قد تكون متداخلة بدرجة ملحوظة.

الحرارة Temperature

من المعروف أن خلايا البكتيريا لا يمكنها النمو على درجات حرارة تزيد أو تقل عن تلك السائدة في بيئاتها الطبيعية وفيما يختص بتأثر الحرارة وتأقلم الخلايا البكتيرية نفترض أن الخلايا البكتيرية والبيئة النامية بها تكون ذات درجة حرارة متشابهة، وأن الحرارة التي تنطلق في الخلايا نتيجة للعمليات الايضية المختلفة بالخلية تفقد منها عن طريق الاشعاع الحرارى أو التحول أو بكلتا الطريقتين. وتتلخص دراسة تأثير الحرارة على البكتيريا في كل معرفة قدرتها على النمو بقوة أو ببطء أو توقفها عن النمو على درجات الحرارة المختلفة (المرتفعة والمنخفضة)، كما تشمل أيضا دراسة قدرة الخلايا على تحمل الدرجات القصوى والدنيا من الحرارة عندما تعرض لها لفترات قصيرة.
إن النطاق الحراري الذي يسمح لنمو البكتيريات بصفة عامة يتراوح بين صفر إلى 75 5م . هذا ولكل نوع بكتيرى- أحيانا لكل سلالة- نطاق حراري يقع في حدود الدرجة الدنيا والدرجة القصوى وتقع بينهما درجة الحرارة المثالية لنموه.
ودرجة الحرارة المثالية هي درجة الحرارة التي تسمح بحدوث أسرع نمو خلال فترة حضانة قصيرة نسبيا تتراوح بين 12- 24 ساعة إلا أنه ممكن الحصول على عدد كلى أكبر من الخلايا البكتيرية عندما يحتفظ بالمزرعة البكتيرية لفترة حضانة طويلة على درجة من الحرارة تقل عن الدرجة المثالية. ويجب أن نعلم أن الدرجة الحرارة المثلى للنمو ليس من الضروري أن تكون هي نفس الدرجة المثلى للنشاط الخلوي الأنزيمي!
إن معدل التفاعلات الكيماوية عموما تتأثر بدرجة حرارة التفاعل فصرعة التفاعل تتضاعف بزيادة الحرارة مما قيمته 10 درجات مئوية. وقد وجد أن هذا صحيحاً فيما يختص بالنمو البكتيرى بصفته يتم نتيجة لحدوث تفاعلات كيمائية حيوية بداخل الخلايا في حدود حرارية تتراوح بين 25- 45 5م حيث أن ارتفاع درجة الحرارة عن هذا الحد سوف يفسد البروتين الأنزيمى الخلوي. لذلك فان محصلة تأثير درجات الحرارة المتزايدة على خلايا البكتيريا هو زيادة سرعة التفاعلات الكيماوية بالخلية والتى من شأنها بناء البروتوبلازم وإنتاج الطاقة. كما أنها تشمل أيضاً التفاعلات التي من شأنها إفساد أو هرجلة البروتينات الخلوية .
فدرجة الحرارة تحدد جزئيا معدل النمو وكميته النهائية وقد تؤثر أيضا على العمليات الأيضية على الشكل المظهري للخلايا. فكل نوع بكتيري ينمو على درجة مثالية من الحرارة تقع في مجال حراري معين، وعلى أساس المجال الحراري الخاص والذي في نطاقه تنمو البكتيريات، أمكن تقسم البكتيريا إلى ما يلي:
1 - بكتيريا محبة للحرارة المنخفضة psychrophiles وهى التي يجود نموها على درجات الحرارة المخفضة وهى تقسم إلى مجموعتين إحداهما إجبارية Obligate psychrophiles وهى التي تموت عند حرارة 20 5م أو قليلا والمجموعة الأخرى Facultative psychrophiles فإن درجتي الحرارة المثلى والقصوى لا تكونان في الطاق الحراري للمحبة للحرارة المخفضة.
2- بكتيريا محبة للحرارة المتوسطة mesophiles وتقع درجة حرارتها المثالية النمو بين 35- 545 م.
3- بكتيريا محبة للحرارة المرتفعة thermophiles وتقع درجة حرارتها المثالية بين درجتي 55- 75 5م وقد يمتد مجال بعض البكتيريات المحبة للحرارة المرتفعة إلى مجال البكتيريات الميزوفيلية وتعرف هذه الأنواع بالمحبة للحرارة اختياراً Facultative psychrophiles أو eurithermophiles والبعض الآخر من البكتيريا الثيرموفيلية يكون نموها على أشده على درجة 60 5م ولا تنمو على درجات الحرارة الواقعة في مجال البكتيريات الميزوفيلية. وهذه الأنواع بالبكتيريا المحبة للحرارة حقيقة true thermophiles أو stonothermophiles وأحيانا يطلق على الخلايا البكتيرية التي تقاوم الحرارة وهى في حالتها الخضرية اسم البكتيريات المتحملة للحرارة thermoduric، بالرغم من عدم وجود حد فصل (في درجة الحرارة أو وقت التعرض لها) بين البكتيريات الحساسة والمتحملة للحرارة.
تأثير درجات الحرارة المنخفض :
عند انخفاض درجة الحرارة فان النشاط الأيضى للخلايا يقل بسرعة ملحوظة ويحدث ذلك عند الاقتراب من درجة حرارة التجمد. ويجب أن نعلم أن هذه التفاعلات لا توقف كلياً على مثل هذه الحرارة- حيث يمكن لبعض الاعفان أن تنمو على اللحوم المحفوظة عند درجة- 10 5م كما أمكن عزل بعض البكتيريات التابعة لجنسBacillus والتي يمكنها أن تحلل اليوريا على درجات من الحرارة تتراوح بين- 2 أو- 4 5م. وعموما فان تعريض خلايا البكتيريا إلى درجات من الحرارة دون درجة التجمد لا يقتلها كلياً، فبالرغم من سرعة موت غالبية الخلايا هذه الدرجات إلا أن أعدادا متوسطة منها تظل حية. فقد وجد أن خلايا E.coliتتحمل الحرارة شديدة الانخفاض (درجة -20 5م) بمعدل أفضل من تعرضها لدرجة (-2 5م) وحتى البكتيريا الرهيفه مثل أفراد رتبة Spirochaetalesوبخاصة البكتيريا Treponema pallidum يكنها أن تعيش لمدة طويلة على درجة حرارة -78 5م دون أن تتأثر قدرتها الممرضة ، ويبدو أنه عقب موت بعض خلايا المزرعة نتيجة للتعرض إلى درجة التجمد فان الخلايا المتبقية ينخفض معدل موتها بدرجة ملحوظة. وقد وجد أن عددا من البكتيريا يمكنها أن تقاوم درجات حرارة الغازات السائلة. فقد وجد أن البكتريا Streptococcus lactis ممكنها أن تتحمل درجة حرارة الهواء السائل (-191 5م) لمدة 111 يوما تمكن بعدها أن تواصل نموها بنفس السرعة وأن 99% من خلايا الخميرة تقتل خلال ثلاثة أيام من حفظها على هذه الدرجة ولكن الجراثيم الاسكية لخلايا الخميرة وغيرها من الفطريات كانت أكثر مقاومة. فمن الناحبة العملية يمكن القول أن الأغذية المجمدة والثلج يمكنها أن تحمل ميكروبات ممرضة بالرغم من درجتها المنخفضة . فبكتيريا التيفود مثلاً يمكن عزلها من الأغذية المجمدة التي أمكن حفظها لمدة عام على درجة-25 5م وممكن القول أن عدم تأثر الخلايا البكتيرية الملوثة للأغذية المجمدة يرجع جزئيا إلى انفصال بلورات الثلج والتي تكون عادة خالية من خلايا البكتيريات تاركة هذه الخلايا مركزة في الجزء السائل من الغذاء والذي لا يتجمد عادة على درجات التجمد العادية. هذا وتعرض الخلايا البكترية إلى التجميد والاسالة المتكررة يحدث تأثيرا ضارا بالخلايا البكتيرية عنه في حالة التجميد البسيط.
ويجب أن نعلم أنه بدرجات الحرارة المنخفضة يقل التأثير الضار على البروتين الخلوي إذا لم تصل درجة الحرارة إلى ما دون التجميد بدرجات كبيره. وإذ حدث التجمد بسرعة فائقة ليتكون نتيجتها بلورات ثلجية صغيرة جداً فان ذلك يضمن الاحتفاظ بحيوية الخلايا. وقد أمكن إيجاد طريقة لحفظ الخلايا البكتيرية لمدد طويلة جداً تصل إلى 20 سنة أو أكثر، وذلك بتجميد وتجفيف المزارع بسرعة، وتعرف المزارع المحفوظة بهذه الطريقة باسم Lyophilized .
تأثير درجات الحرارة المرتفعة :
تزداد سرعة العمليات الأيضية الخلوية بازدياد درجة الحرارة إلى حد محدود حيث أن الزيادة في النشاط الأيضى على الدرجات المرتفعة من الحرارة يكون مصحوباً بزيادة في فساد البروتين الأنزيمي أيضا. إذن فحدوث النمو على مثل هذه الدرجات المرتفعة من الحرارة يعني حدوث توازن بين العمليات الحيوية المختلفة بمعنى أن العمليات التي من شأنها تعويض البروتين بالخلية تفوق سرعة فساد البروتين نفسه نتيجة للحرارة المرتفعة.
ومقاومة الخلايا البكتيرية لدرجات الحرارة المرتفعة (على من الحد الأقصى للنمو) تعنى أن الفساد الذي قد يحدث للبروتين الخلوي لم يشمل البروتين الأنزيمي الخاص بعملية التعويض أو الإصلاح erpair process بحيث أنه لو أعيدت الخلايا إلى الدرجات الملائمة للنمو يمكنها أن تستأنف نشاطها.
وقد أظهرت الأبحاث أن درجة الحرارة القصوى لأي نوع بكتيرى تقع مباشرة تحت درجة الحرارة الدنيا لتثبيط البروتين الأنزيمي الخلوي. أو بمعنى آخر أن أقل درجة من الحرارة يمكنها أن تثبط الأنزيمات تكون أعلى قليلا من درجة الحرارة القصوى للنمو. وبما أن لكل نوع بكتيرى درجة حرارة قصوى خاصة به إذا فان درجة الحرارة التي تتثبط عندها الإنزيمات البكتيرية تختلف تبعاً للنوع البكتيرى. فقد وجد أن انزيمات البكتيريا Bacillus mycoides يقل نشاطها على درجة حرارة 41 5م في حين أن الخلايا تنمو على درجة 40 5م وليس على درجة 41 5م وفي حالة Bacillus subtilis تثبط أنزيماتها عندما تصل درجة الحرارة إلى 55 5م في حين أن الخلايا يمكنها أن تستمر في نموها على درجة 45 5م وتتوقف عن النمو في الدرجات الأعلى من الحرارة. ولا يوجد من الأدلة ما يفيد ما إذا كانت كل الإنزيمات الخلوية تتأثر أو تتثبط بنفس الدرجة المرتفعة من الحرارة.
وقد وجد أن أنزيمات البكتيريا المحبة للحرارة وخاصة أنزيم cytochrome oxidase وأنزيم malic dehydrogenase وأنزيم hexokinases تكون مقاومة للتثبيط الحراري حتى بعد عزلها من الخلايا في صور نقية. ولا ممكن أن يقال أن مثل هذه الأنزيمات تكون محمية باتحادها مع بعض البروتينات الغروية بالخلية والمقاومة للحرارة بل يعزى مقاومة هذه الانزيمات للتثبيط الحراري إلى تركيب الأنزيم .