Бактеріофаги у мікробіологічній промисловості
Мікробіологічне виробництво, що використовує бактерії-продуценти, може в певних умовах виявитися залежним від бактеріофагів. Лізис бактерій в промислових апаратах - ферментерах, викликаний бактеріофагами («фаголізіс»), зменшує вихід кінцевого продукту або погіршує його якість і тим самим приносить економічний збиток.
Фаголізіс може стати і причиною особливого, генетичного, забруднення зовнішнього середовища. У виробництві зазвичай використовуються бактеріальні культури обмеженого числа видів. У разі їх масового лізису і попадання певних фагів в зовнішнє середовище може спостерігатися не тільки якісна зміна складу мікроорганізмів, але і взаємодія «виробничих» і «природних» фагів. Це може призвести до появи в природних умовах генетично нових варіантів фагів, ще більш активно лизирующие даний продуцент або здатних візувати близькоспоріднені види бактерій. Отже, порушуються сформовані биоценотические відносини.
Різноманіття і загальні властивості бактеріофагів
Бактеріофаги (або фаги) - різноманітно влаштовані віруси - внутрішньоклітинні паразити прокаріотів.
Структура часток - віріонів - різних бактеріофагів paзлічна. На відміну від вірусів еукаріотів бактеріофаги часто володіють спеціалізованим органом прикріплення до поверхні бактеріальної клітини, або хвостовим відростком, влаштованим з різним ступенем складності, але деякі фаги не мають хвостового відростка. Капсид містить генетичний матеріал фага, його геном. Генетичний матеріал різних фагів може бути представлений різними нуклеїновими кислотами. Деякі фаги містять ДНК як генетичного матеріалу, інші - РНК. Геном у більшості фагів - двунітевих ДНК, а геном деяких відносно рідкісних фагів - однониткових ДНК. На кінцях молекул ДНК деяких фагів присутні «липкі ділянки» (однониткових комплементарні послідовності нуклеотидів), в інших фагів липкі ділянки відсутні. У деяких фагів послідовності генів у молекулах ДНК унікальні, тоді як у інших фагів виявлено пермутації генів. В одних фагів ДНК лінійна, в інших - замкнута в кільце. У деяких фагів на кінцях молекули ДНК є кінцеві повтори декількох генів, у інших фагів така кінцева надмірність забезпечується присутністю щодо коротких повторів. Нарешті, у деяких фагів геном представлений набором з декількох фрагментів нуклеїнової кислоти.
З еволюційної точки зору бактеріофаги, використовують такі різні типи генетичного матеріалу, різняться між собою в істотно більшою мірою, ніж будь-які інші представники еукаріотичних організмів. Разом з тим, дивлячись на такі принципові відмінності у структурі та властивостях носіїв генетичної інформації - нуклеїнових кислотах, різні бактеріофаги виявляють спільність у багатьох відносинах, перш за все за характером втручання в клітинний метаболізм після зараження чутливих бактерій.
Бактеріофаги, здатні викликати продуктивну інфекцію клітин, тобто інфекцію, яка завершується утворенням життєздатного потомства, визначають як недефектного. Для всіх недефектного фагів властиво два стани: стан позаклітинного, або вільного, фага (іноді його називають також зрілим фагом) і стан вегетативного фага. Для деяких так званих помірних фагів можливо ще й стан профага.
Позаклітинний фаг - це частинки, які мають структурою, властивої фагу даного типу, що забезпечує збереження генома фага в період між інфекціями та введення його в чергову чутливу клітину. Позаклітинний фаг біохімічно інертний, а вегетативний фаг - активне («живе») стан фага, виникає після інфекції чутливих бактерій або після індукції профага.
Іноді інфекція чутливих клітин недефектного фагом не завершується утворенням життєздатного потомства. Це може бути у двох випадках: при абортивної інфекції або внаслідок лизогенной стану клітини при інфекції помірним фагом.
Причиною абортивного характеру інфекції може бути активне втручання тих чи інших систем клітини в перебіг інфекції, наприклад руйнування введеного в бактерію генома фага, або відсутність у клітині якогось продукту, необхідного для розвитку фага, і т.д.
Загальна ознака всіх бактеріофагів - внутрішньоклітинний паразитизм - визначається залежністю фагів від апаратів транскрипції і трансляції генетичного матеріалу, від систем реплікації бактерії, від наявності особливих бактеріальних структур, необхідних для складання зрілих частинок фага. У той же час слід відзначити, що рівень такої залежності для різних бактеріофагів різний. Деякі з них (наприклад, Т-парні фаги Escherichia coli) несуть в своєму геномі багато генів, функціонально подібні з певними бактеріальними генами; такі фаги більш автономні, оскільки здатні розвиватися в клітинах бактерій, що не володіють функціями відповідних генів.
Фаги прийнято відносити до трьох типів. Тип визначається характером впливу продуктивної інфекції фага на долю інфікованої клітини.
Перший тип - істинно вірулентні фаги. Інфекція клітини вірулентним фагом неминуче веде до загибелі інфікованої клітини, її руйнування і звільнення фага-потомства (виключаючи випадки абортивної інфекції). Такі фаги називають істинно вірулентними, для відмінності їх від вірулентних мутантів помірних фагів.
Другий тип - помірні фаги. У ході продуктивної інфекції клітини помірним фагом можливі два принципово різних шляхи його розвитку: літичний, загалом (за своїм результату) подібний литическому циклу вірулентних фагів, і лизогенной, коли геном помірного фага переходить в особливий стан - профаг. Клітка, що несе профаг, називається лизогенной або просто лизогенной (оскільки в певних умовах вона може зазнати літичної розвиток фага). Помірні фаги, що відповідають в стані профага на застосування індукуючого фактора початком литического розвитку, називають індуцибельних, а фаги, не реагує таким чином, - неіндуцібельнимі. У помірних фагів можуть виникати вірулентні мутанти. Мутації вірулентності ведуть до такої зміни послідовності нуклеотидів в оператор них ділянках, яке позначається у втраті спорідненості до репрессора.
Третій тип фагів - це фаги, продуктивна інфекція якими не веде до загибелі бактерій. Ці фаги здатні залишати інфіковану бактерію, не викликаючи її фізичного руйнування. Клітка, інфікована таким фагом, знаходиться в стані постійної (перманентною) продуктивної інфекції. Розвиток фага позначається в деяке уповільнення швидкості поділів бактерій.
Попадання фагів на виробництво
Те, як саме фаг потрапляє на виробництво, в істотному ступені визначається характером самого виробництва. Так, наприклад, у галузях промисловості, де виробництво ведеться у відкритих ємностях, фаг може потрапляти в них з повітря, з добавками і т.д. У разі таких виробництв (сироваріння, виноробство) фаголізіси викликаються в основному фагами, що потрапили із зовнішнього середовища (екзогенні фаги). У цьому випадку єдиною гарантією безлізісного виробництва може бути використання комплексу спеціально розроблених заходів. Зрідка, при використанні лізогенним продуцентів, причиною лізису може стати виникнення вірулентних мутантів (ендогенні фаги) У разі використання у виробництві тільки одного штаму бактерій апаратурне оформлення виробництва дозволяй вести його в мікробіологічно стерильних умовах, основним джерелом фаголізіса повинні бути фаги, що мають ендогенне походження (вірулентні мутанти профагом лізогенним продуцентів), і лише при порушенні певних технологічних умов (неякісна стерилізація середовища, повітря тощо) лізис може бути викликаний екзогенними фагами. Екзогенні фаги, взагалі кажучи, можуть бути не тільки вірулентними, але і помірними, якщо, наприклад, у ферментери потрапляють разом з нестерильними компонентами лізогенним бактерії виду, спорідненого продуценту і які виділяють фаг, активний їм клітинах продуцента.
Таким чином, основним завданням після виявлення на виробництві випадку, підозрілого на фаголізіс, є доказ можливої ролі фага як причини невдалої операції, в тому числі виявлення самого фага і його характеристики дозволяє встановити спосіб попадання фага на виробництво (ендо-або екзогенний), а також визначити, чи є виявлений фаг варіантом (мутантом) будь-якого раніше відомого фага або зустрічається вперше.
Основні стадії розвитку і найпростіші методи дослідження бактеріофагів
Незважаючи на надзвичайне різноманіття бактеріофагів, процедури їх дослідження, за рідкісним винятком, застосовні до більшості фагів. У заводській лабораторії можна провести попереднє вивчення фага з застосуванням відносно простих методів, а потім у добре оснащеної спеціалізованої лабораторії підібрати оптимальні умови для розмноження фага і піддати фаг докладного вивчення (електронна мікроскопія, аналізи нуклеїнової кислоти, білків каптіда та ін.) Так здійснюється класифікація фага і робиться остаточний висновок про шлях її потрапляння на виробництво. Слід застерегти від проведення тривалих робіт з дослідження бактеріофагів у заводських лабораторіях, територіально пов'язаних з виробництвом. Потрібні зазвичай для проведення досліджень препарати фагів у високих титрах можуть стати джерелом нових забруднень виробництва, в тому числі і мутантами з розширеними спектрами літичної активності.
Всі основні групи мікроорганізмів можуть бути забруднювачами біопроізводств - бактерії, гриби, фаги. Оптимальна температура для їх розвитку знаходиться в межах 24-30 °, тобто це мезофільні організми. Спори бактерій і конідій грибів можуть виносити температуру 100 ° С, міцеліальні гриби виявляються домінуючими серед мікроорганізмів при підвищеній вологості.
У виробництві антибіотиків, деяких плазмозамінників крові (декстран), окремих вітамінів істотна роль спорових бактерій типу Вас. brevis, Вас. subtilis, які потрапляють у ферментери із забрудненим повітрям. Як правило, в цих випадках має місце негерметичність апаратури або попадання у ферментери нестерильного зовнішнього повітря через його поганий очищення. З неочищеним повітрям у ферментери можуть потрапити і фаги, що призводять до лізису чутливі культури. При цьому не виключаються випадки активації профагом в лізогенним культурах з подальшою загибеллю продуцента від вегетуючій фага. Стосовно до процесів ферментації ймовірність проскакування таких мікроорганізмів у ферментери знаходиться в межах 1:1000-1:100 000.
Грамнегативні бактерії з групи Escherichia coli і Pseudomonas sp. можуть потрапити в ферментери з нестерильного водою. У зв'язку з цим необхідно стежити за тим, щоб зварні шви в трубопроводах і апаратах не давали течі; щоб гладкі поверхні фланцевих з'єднань залишалися непошкодженими і мали гумові прокладки. Ферментаційні апарати повинні завжди мати надлишковий тиск у процесі експлуатації. В іншому випадку можливі підсосу нестерильного повітря через сальники вентилів і валів мішалок. Необхідно ретельно стежити за вихлопними лініями ферментерів, через які може проникати в них грамнегативна рухлива флора.
Дріжджові організми можуть бути в культуральній рідині внаслідок недостатньої стерилізації живильного середовища, що містить, наприклад, кукурудзяний екстракт, вельми сприятливий для розвитку названих організмів.
Железобактерії Gallionella ferruginea виявляються причиною корозії, наприклад, каналізаційних систем. Корозія споруд з залізистих металів, міді, свинцю, цинку відбувається більш інтенсивно в погано аерованих грунтах з великим вмістом розчинних солей і вираженою кислотністю. Анаеробні грунту виявляються придатними для зростання сульфатвідновлювальних бактерій, і вони, як правило, мають низький окислювально-відновний потенціал.
У будь-яких видах мікробіологічної псування матеріалів чи об'єктів найважливішим фактором є вологість, поза якою не відбувається розвитку мікробів. Підтримання відносної вологості на рівні 50-70% запобігає розвитку мікрофлори на різних матеріалах і об'єктах.
Слід пам'ятати, що мікробної псування можуть піддаватися самі різні об'єкти, ферментаційні середовища, готові продукти медичного, харчового та іншого призначення, дерев'яні та металеві споруди і вироби, пластичні маси, гума, лакофарбові матеріали, оптичні прилади і т.д. Отже, в усіх галузях народного господарства прямо або побічно ми маємо справу з мікробами-шкідниками. В основі їх шкідливої діяльності лежить більша або менша метаболічна активність, коли продукти обміну речовин виявляють ту чи іншу агресивність щодо відповідного субстрату. У біопроізводствах часто мають справу з біомасою таких мікробів, які виступають забруднювачами середовищ або готових продуктів. Нерідко продукти їх життєдіяльності можуть з'явитися причиною пірогенності препаратів.
До числа пірогенний діючих речовин відносяться комплексно пов'язані білки, жири і вуглеводи (повноцінні антигени), тейхоєвих кислоти, фосфорильовані ліпополісахариди. Пірогени проходять через бактеріальні фільтри, стійкі до нагрівання і багатьох інших факторів зовнішнього середовища. Шляхи дії пірогенів (у тому числі бактеріальних) в макроорганізмі на теплорегулірующіе центри багатоканальний:
Комплекс змін, які спостерігаються після введення пірогенів в макроорганізм, характеризується підвищенням температури, вазомоторними розладами, порушенням обміну речовин. Хоча, наприклад, підвищення температури тіла може відбуватися за рахунок збільшення частки нефосфорілірующего окислення вуглеводів внаслідок утворення деякими мікробами речовин-роз'єднувача, здатних, подібно динитрофенола, роз'єднувати біологічне окислення і фосфорилювання (токсини стафілококів). Але це особливий випадок. Ось чому стерильний продукт повинен бути вільним від пірогенних речовин.
Всі сапрофітні форми мікробів-шкідників потрапляють в сферу технологічного процесу з природних субстратів (грунт, вода, повітря). Якщо ж мова йде про будь-які патогенних мікроби, то в цьому випадку джерелом їх виступають хворі люди або бактеріоносії, які негайно мають бути відсторонені від роботи. В інших випадках істотно важливою є оцінка пилового джерела забруднення. Для цього необхідно враховувати можливості запиленості повітря робочих приміщень, коридорів, транспортних засобів (наприклад, ліфтів), а також запиленість стін, виступів, трубопроводів, вентиляційних труб, допоміжних та пакувальних матеріалів і т.д.
Спороутворюючі бактерії в забрудненому повітрі частіше ставляться до груп Вас. subtilis, Вас. cereus, Вас. mesentericus, Вас. megaterium. Багато хто з них утворюють активну пеніциліназу та інші гідролітичні ферменти. Грамнегативні бактерії пологів Escherichia, Pseudomonas, Proteus та інші (переважно водні мешканці) також мають активними гідролазами, які каталізують реакції гідролізу, наприклад, окремих антибіотиків. Дріжджові організми роду Candida ростуть і розвиваються в присутності високих концентрацій протибактеріальних антибіотиків. З-поміж останніх пеніцилін може стимулювати їх ріст.
Бактеріальна, дріжджова (Bacterium, Chromobacterium, Pseudomonas, Pseudobacterium, Lactobacterium, Bacillus, Micrococcus, Streptococcus, Sarcina, Mycobacterium, Torulopsis, Pichia тощо) і цвілевих мікрофлора більш-менш постійно супроводжують кормовим дріжджів при їх вирощуванні у виробничих умовах. При цьому зниження виходу цільового продукту може досягати 70-80%. Організми родів Pseudomonas, Escherichia, Bacillus повністю інгібують продукцію токсинів анаеробними клостридиями.
Викид в навколишнє середовище повітря та інших складових частин матеріальних потоків, забруднених грибами та бактеріями - продуцентами антибіотиків, вітамінів, білка, амінокислот або інших біологічно активних речовин, може призвести до ураження культурних рослин, хутрових звірів і птиці, грибкових захворювань серед людей, а також хворобам риб, бджіл та інших комах. Нитчасті гриби і дріжджі як продуценти певних речовин можуть виступати причиною розвитку алергії.
Для боротьби з мікробами-шкідниками біопроізводств використовують різні заходи, серед яких відомі:
1. Загальні: а) контроль за герметичністю технологічного обладнання та систем, пов'язаних, наприклад, з подачею стерильного повітря, піногасників і т.д.;
б) особиста гігієна людей, зайнятих у виробництві;
в) дотримання правил санітарії та гігієни на всіх ділянках технологічного процесу;
г) кваліфіковане обслуговування працюючих приладів і апаратів з метою дотримання регламентованих процесів.
2, Спеціальні: а) контроль за якістю води, що використовується;
б) систематичний медичний огляд людей, зайнятих у виробництві;
в) санітарно-бактеріологічний контроль повітря робочих допоміжних та інших приміщень, а також контроль вологості і температури повітря;
г) фізичні і хімічні методи боротьби з мікробами-шкідниками біопроізводств.
Гігієнічний та санітарно-бактеріологічний контроль за повітрям ведуть за методами, викладеними в практичних курсах гігієни. Стосовно до мікробного обсіменіння повітря враховують якість і кількість мікробів, а потім роблять висновок про чистоту або забрудненості повітря і ступеня його небезпеки для технологічного процесу, а також і для працюючих.
Серед фізичних і хімічних методів боротьби з мікробами-шкідниками біопроізводств відомі численні прийоми і речовини, що забезпечують певну надійність знищення небажаної мікрофлори.
З фізичних методів вкажемо на фільтрацію (повітря, поживних середовищ, культуральних рідин), теплову стерилізацію (живильних середовищ, деяких готових засобів), створення надлишкового тиску стерильного повітря у відповідних приміщеннях (наприклад, в фасувальних відділеннях медичних препаратів для ін'єкцій); використання стерильних халатів і масок людьми, зайнятими у виробництві; ліофіліза-ція готового продукту перед зберіганням; використання ультрафіолетового та гамма-опромінення для стерилізації відповідно приміщень і флаконів.
Стосовно до антимікробних агентам та їх використанню існують такі визначення:
1) статичну дію речовини, тобто коли агент затримує розмноження клітин. Видалення його з-поміж супроводжується відновленням розмноження тест-об'єкта. У залежності від тест-організмів говорять про бактеріостаті-зації та фунгістатичну дію антимікробних речовин;
2) цідное дію речовини, тобто коли агент вбиває чутливий організм, який не оживає після видалення з середовища цієї речовини. Ефект останнього може проявитися в розчинення (лізис) клітин або, навпаки, клітини залишаються непошкодженими і навіть продовжують залишатися «метаболічно» щодо активними; цідное дія може бути як бактерицидний, так і фунгіцидну.
3. Стерильність - звільнення від будь-яких живих клітин. Стерилізація може бути досягнута хімічними речовинами (а також фільтрацією та опроміненням). Стерильний матеріал може містити інтактні «метаболізуючих» клітини.
4. Дезінфектантів - речовина, що вбиває патогенні мікроорганізми.
5. Асептичності, що характеризується відсутністю мікробів.
Мікробіологічне виробництво, що використовує бактерії-продуценти, може в певних умовах виявитися залежним від бактеріофагів. Лізис бактерій в промислових апаратах - ферментерах, викликаний бактеріофагами («фаголізіс»), зменшує вихід кінцевого продукту або погіршує його якість і тим самим приносить економічний збиток.
Фаголізіс може стати і причиною особливого, генетичного, забруднення зовнішнього середовища. У виробництві зазвичай використовуються бактеріальні культури обмеженого числа видів. У разі їх масового лізису і попадання певних фагів в зовнішнє середовище може спостерігатися не тільки якісна зміна складу мікроорганізмів, але і взаємодія «виробничих» і «природних» фагів. Це може призвести до появи в природних умовах генетично нових варіантів фагів, ще більш активно лизирующие даний продуцент або здатних візувати близькоспоріднені види бактерій. Отже, порушуються сформовані биоценотические відносини.
Різноманіття і загальні властивості бактеріофагів
Бактеріофаги (або фаги) - різноманітно влаштовані віруси - внутрішньоклітинні паразити прокаріотів.
Структура часток - віріонів - різних бактеріофагів paзлічна. На відміну від вірусів еукаріотів бактеріофаги часто володіють спеціалізованим органом прикріплення до поверхні бактеріальної клітини, або хвостовим відростком, влаштованим з різним ступенем складності, але деякі фаги не мають хвостового відростка. Капсид містить генетичний матеріал фага, його геном. Генетичний матеріал різних фагів може бути представлений різними нуклеїновими кислотами. Деякі фаги містять ДНК як генетичного матеріалу, інші - РНК. Геном у більшості фагів - двунітевих ДНК, а геном деяких відносно рідкісних фагів - однониткових ДНК. На кінцях молекул ДНК деяких фагів присутні «липкі ділянки» (однониткових комплементарні послідовності нуклеотидів), в інших фагів липкі ділянки відсутні. У деяких фагів послідовності генів у молекулах ДНК унікальні, тоді як у інших фагів виявлено пермутації генів. В одних фагів ДНК лінійна, в інших - замкнута в кільце. У деяких фагів на кінцях молекули ДНК є кінцеві повтори декількох генів, у інших фагів така кінцева надмірність забезпечується присутністю щодо коротких повторів. Нарешті, у деяких фагів геном представлений набором з декількох фрагментів нуклеїнової кислоти.
З еволюційної точки зору бактеріофаги, використовують такі різні типи генетичного матеріалу, різняться між собою в істотно більшою мірою, ніж будь-які інші представники еукаріотичних організмів. Разом з тим, дивлячись на такі принципові відмінності у структурі та властивостях носіїв генетичної інформації - нуклеїнових кислотах, різні бактеріофаги виявляють спільність у багатьох відносинах, перш за все за характером втручання в клітинний метаболізм після зараження чутливих бактерій.
Бактеріофаги, здатні викликати продуктивну інфекцію клітин, тобто інфекцію, яка завершується утворенням життєздатного потомства, визначають як недефектного. Для всіх недефектного фагів властиво два стани: стан позаклітинного, або вільного, фага (іноді його називають також зрілим фагом) і стан вегетативного фага. Для деяких так званих помірних фагів можливо ще й стан профага.
Позаклітинний фаг - це частинки, які мають структурою, властивої фагу даного типу, що забезпечує збереження генома фага в період між інфекціями та введення його в чергову чутливу клітину. Позаклітинний фаг біохімічно інертний, а вегетативний фаг - активне («живе») стан фага, виникає після інфекції чутливих бактерій або після індукції профага.
Іноді інфекція чутливих клітин недефектного фагом не завершується утворенням життєздатного потомства. Це може бути у двох випадках: при абортивної інфекції або внаслідок лизогенной стану клітини при інфекції помірним фагом.
Причиною абортивного характеру інфекції може бути активне втручання тих чи інших систем клітини в перебіг інфекції, наприклад руйнування введеного в бактерію генома фага, або відсутність у клітині якогось продукту, необхідного для розвитку фага, і т.д.
Загальна ознака всіх бактеріофагів - внутрішньоклітинний паразитизм - визначається залежністю фагів від апаратів транскрипції і трансляції генетичного матеріалу, від систем реплікації бактерії, від наявності особливих бактеріальних структур, необхідних для складання зрілих частинок фага. У той же час слід відзначити, що рівень такої залежності для різних бактеріофагів різний. Деякі з них (наприклад, Т-парні фаги Escherichia coli) несуть в своєму геномі багато генів, функціонально подібні з певними бактеріальними генами; такі фаги більш автономні, оскільки здатні розвиватися в клітинах бактерій, що не володіють функціями відповідних генів.
Фаги прийнято відносити до трьох типів. Тип визначається характером впливу продуктивної інфекції фага на долю інфікованої клітини.
Перший тип - істинно вірулентні фаги. Інфекція клітини вірулентним фагом неминуче веде до загибелі інфікованої клітини, її руйнування і звільнення фага-потомства (виключаючи випадки абортивної інфекції). Такі фаги називають істинно вірулентними, для відмінності їх від вірулентних мутантів помірних фагів.
Другий тип - помірні фаги. У ході продуктивної інфекції клітини помірним фагом можливі два принципово різних шляхи його розвитку: літичний, загалом (за своїм результату) подібний литическому циклу вірулентних фагів, і лизогенной, коли геном помірного фага переходить в особливий стан - профаг. Клітка, що несе профаг, називається лизогенной або просто лизогенной (оскільки в певних умовах вона може зазнати літичної розвиток фага). Помірні фаги, що відповідають в стані профага на застосування індукуючого фактора початком литического розвитку, називають індуцибельних, а фаги, не реагує таким чином, - неіндуцібельнимі. У помірних фагів можуть виникати вірулентні мутанти. Мутації вірулентності ведуть до такої зміни послідовності нуклеотидів в оператор них ділянках, яке позначається у втраті спорідненості до репрессора.
Третій тип фагів - це фаги, продуктивна інфекція якими не веде до загибелі бактерій. Ці фаги здатні залишати інфіковану бактерію, не викликаючи її фізичного руйнування. Клітка, інфікована таким фагом, знаходиться в стані постійної (перманентною) продуктивної інфекції. Розвиток фага позначається в деяке уповільнення швидкості поділів бактерій.
Попадання фагів на виробництво
Те, як саме фаг потрапляє на виробництво, в істотному ступені визначається характером самого виробництва. Так, наприклад, у галузях промисловості, де виробництво ведеться у відкритих ємностях, фаг може потрапляти в них з повітря, з добавками і т.д. У разі таких виробництв (сироваріння, виноробство) фаголізіси викликаються в основному фагами, що потрапили із зовнішнього середовища (екзогенні фаги). У цьому випадку єдиною гарантією безлізісного виробництва може бути використання комплексу спеціально розроблених заходів. Зрідка, при використанні лізогенним продуцентів, причиною лізису може стати виникнення вірулентних мутантів (ендогенні фаги) У разі використання у виробництві тільки одного штаму бактерій апаратурне оформлення виробництва дозволяй вести його в мікробіологічно стерильних умовах, основним джерелом фаголізіса повинні бути фаги, що мають ендогенне походження (вірулентні мутанти профагом лізогенним продуцентів), і лише при порушенні певних технологічних умов (неякісна стерилізація середовища, повітря тощо) лізис може бути викликаний екзогенними фагами. Екзогенні фаги, взагалі кажучи, можуть бути не тільки вірулентними, але і помірними, якщо, наприклад, у ферментери потрапляють разом з нестерильними компонентами лізогенним бактерії виду, спорідненого продуценту і які виділяють фаг, активний їм клітинах продуцента.
Таким чином, основним завданням після виявлення на виробництві випадку, підозрілого на фаголізіс, є доказ можливої ролі фага як причини невдалої операції, в тому числі виявлення самого фага і його характеристики дозволяє встановити спосіб попадання фага на виробництво (ендо-або екзогенний), а також визначити, чи є виявлений фаг варіантом (мутантом) будь-якого раніше відомого фага або зустрічається вперше.
Основні стадії розвитку і найпростіші методи дослідження бактеріофагів
Незважаючи на надзвичайне різноманіття бактеріофагів, процедури їх дослідження, за рідкісним винятком, застосовні до більшості фагів. У заводській лабораторії можна провести попереднє вивчення фага з застосуванням відносно простих методів, а потім у добре оснащеної спеціалізованої лабораторії підібрати оптимальні умови для розмноження фага і піддати фаг докладного вивчення (електронна мікроскопія, аналізи нуклеїнової кислоти, білків каптіда та ін.) Так здійснюється класифікація фага і робиться остаточний висновок про шлях її потрапляння на виробництво. Слід застерегти від проведення тривалих робіт з дослідження бактеріофагів у заводських лабораторіях, територіально пов'язаних з виробництвом. Потрібні зазвичай для проведення досліджень препарати фагів у високих титрах можуть стати джерелом нових забруднень виробництва, в тому числі і мутантами з розширеними спектрами літичної активності.
Всі основні групи мікроорганізмів можуть бути забруднювачами біопроізводств - бактерії, гриби, фаги. Оптимальна температура для їх розвитку знаходиться в межах 24-30 °, тобто це мезофільні організми. Спори бактерій і конідій грибів можуть виносити температуру 100 ° С, міцеліальні гриби виявляються домінуючими серед мікроорганізмів при підвищеній вологості.
У виробництві антибіотиків, деяких плазмозамінників крові (декстран), окремих вітамінів істотна роль спорових бактерій типу Вас. brevis, Вас. subtilis, які потрапляють у ферментери із забрудненим повітрям. Як правило, в цих випадках має місце негерметичність апаратури або попадання у ферментери нестерильного зовнішнього повітря через його поганий очищення. З неочищеним повітрям у ферментери можуть потрапити і фаги, що призводять до лізису чутливі культури. При цьому не виключаються випадки активації профагом в лізогенним культурах з подальшою загибеллю продуцента від вегетуючій фага. Стосовно до процесів ферментації ймовірність проскакування таких мікроорганізмів у ферментери знаходиться в межах 1:1000-1:100 000.
Грамнегативні бактерії з групи Escherichia coli і Pseudomonas sp. можуть потрапити в ферментери з нестерильного водою. У зв'язку з цим необхідно стежити за тим, щоб зварні шви в трубопроводах і апаратах не давали течі; щоб гладкі поверхні фланцевих з'єднань залишалися непошкодженими і мали гумові прокладки. Ферментаційні апарати повинні завжди мати надлишковий тиск у процесі експлуатації. В іншому випадку можливі підсосу нестерильного повітря через сальники вентилів і валів мішалок. Необхідно ретельно стежити за вихлопними лініями ферментерів, через які може проникати в них грамнегативна рухлива флора.
Дріжджові організми можуть бути в культуральній рідині внаслідок недостатньої стерилізації живильного середовища, що містить, наприклад, кукурудзяний екстракт, вельми сприятливий для розвитку названих організмів.
Железобактерії Gallionella ferruginea виявляються причиною корозії, наприклад, каналізаційних систем. Корозія споруд з залізистих металів, міді, свинцю, цинку відбувається більш інтенсивно в погано аерованих грунтах з великим вмістом розчинних солей і вираженою кислотністю. Анаеробні грунту виявляються придатними для зростання сульфатвідновлювальних бактерій, і вони, як правило, мають низький окислювально-відновний потенціал.
У будь-яких видах мікробіологічної псування матеріалів чи об'єктів найважливішим фактором є вологість, поза якою не відбувається розвитку мікробів. Підтримання відносної вологості на рівні 50-70% запобігає розвитку мікрофлори на різних матеріалах і об'єктах.
Слід пам'ятати, що мікробної псування можуть піддаватися самі різні об'єкти, ферментаційні середовища, готові продукти медичного, харчового та іншого призначення, дерев'яні та металеві споруди і вироби, пластичні маси, гума, лакофарбові матеріали, оптичні прилади і т.д. Отже, в усіх галузях народного господарства прямо або побічно ми маємо справу з мікробами-шкідниками. В основі їх шкідливої діяльності лежить більша або менша метаболічна активність, коли продукти обміну речовин виявляють ту чи іншу агресивність щодо відповідного субстрату. У біопроізводствах часто мають справу з біомасою таких мікробів, які виступають забруднювачами середовищ або готових продуктів. Нерідко продукти їх життєдіяльності можуть з'явитися причиною пірогенності препаратів.
До числа пірогенний діючих речовин відносяться комплексно пов'язані білки, жири і вуглеводи (повноцінні антигени), тейхоєвих кислоти, фосфорильовані ліпополісахариди. Пірогени проходять через бактеріальні фільтри, стійкі до нагрівання і багатьох інших факторів зовнішнього середовища. Шляхи дії пірогенів (у тому числі бактеріальних) в макроорганізмі на теплорегулірующіе центри багатоканальний:
Комплекс змін, які спостерігаються після введення пірогенів в макроорганізм, характеризується підвищенням температури, вазомоторними розладами, порушенням обміну речовин. Хоча, наприклад, підвищення температури тіла може відбуватися за рахунок збільшення частки нефосфорілірующего окислення вуглеводів внаслідок утворення деякими мікробами речовин-роз'єднувача, здатних, подібно динитрофенола, роз'єднувати біологічне окислення і фосфорилювання (токсини стафілококів). Але це особливий випадок. Ось чому стерильний продукт повинен бути вільним від пірогенних речовин.
Всі сапрофітні форми мікробів-шкідників потрапляють в сферу технологічного процесу з природних субстратів (грунт, вода, повітря). Якщо ж мова йде про будь-які патогенних мікроби, то в цьому випадку джерелом їх виступають хворі люди або бактеріоносії, які негайно мають бути відсторонені від роботи. В інших випадках істотно важливою є оцінка пилового джерела забруднення. Для цього необхідно враховувати можливості запиленості повітря робочих приміщень, коридорів, транспортних засобів (наприклад, ліфтів), а також запиленість стін, виступів, трубопроводів, вентиляційних труб, допоміжних та пакувальних матеріалів і т.д.
Спороутворюючі бактерії в забрудненому повітрі частіше ставляться до груп Вас. subtilis, Вас. cereus, Вас. mesentericus, Вас. megaterium. Багато хто з них утворюють активну пеніциліназу та інші гідролітичні ферменти. Грамнегативні бактерії пологів Escherichia, Pseudomonas, Proteus та інші (переважно водні мешканці) також мають активними гідролазами, які каталізують реакції гідролізу, наприклад, окремих антибіотиків. Дріжджові організми роду Candida ростуть і розвиваються в присутності високих концентрацій протибактеріальних антибіотиків. З-поміж останніх пеніцилін може стимулювати їх ріст.
Бактеріальна, дріжджова (Bacterium, Chromobacterium, Pseudomonas, Pseudobacterium, Lactobacterium, Bacillus, Micrococcus, Streptococcus, Sarcina, Mycobacterium, Torulopsis, Pichia тощо) і цвілевих мікрофлора більш-менш постійно супроводжують кормовим дріжджів при їх вирощуванні у виробничих умовах. При цьому зниження виходу цільового продукту може досягати 70-80%. Організми родів Pseudomonas, Escherichia, Bacillus повністю інгібують продукцію токсинів анаеробними клостридиями.
Викид в навколишнє середовище повітря та інших складових частин матеріальних потоків, забруднених грибами та бактеріями - продуцентами антибіотиків, вітамінів, білка, амінокислот або інших біологічно активних речовин, може призвести до ураження культурних рослин, хутрових звірів і птиці, грибкових захворювань серед людей, а також хворобам риб, бджіл та інших комах. Нитчасті гриби і дріжджі як продуценти певних речовин можуть виступати причиною розвитку алергії.
Для боротьби з мікробами-шкідниками біопроізводств використовують різні заходи, серед яких відомі:
1. Загальні: а) контроль за герметичністю технологічного обладнання та систем, пов'язаних, наприклад, з подачею стерильного повітря, піногасників і т.д.;
б) особиста гігієна людей, зайнятих у виробництві;
в) дотримання правил санітарії та гігієни на всіх ділянках технологічного процесу;
г) кваліфіковане обслуговування працюючих приладів і апаратів з метою дотримання регламентованих процесів.
2, Спеціальні: а) контроль за якістю води, що використовується;
б) систематичний медичний огляд людей, зайнятих у виробництві;
в) санітарно-бактеріологічний контроль повітря робочих допоміжних та інших приміщень, а також контроль вологості і температури повітря;
г) фізичні і хімічні методи боротьби з мікробами-шкідниками біопроізводств.
Гігієнічний та санітарно-бактеріологічний контроль за повітрям ведуть за методами, викладеними в практичних курсах гігієни. Стосовно до мікробного обсіменіння повітря враховують якість і кількість мікробів, а потім роблять висновок про чистоту або забрудненості повітря і ступеня його небезпеки для технологічного процесу, а також і для працюючих.
Серед фізичних і хімічних методів боротьби з мікробами-шкідниками біопроізводств відомі численні прийоми і речовини, що забезпечують певну надійність знищення небажаної мікрофлори.
З фізичних методів вкажемо на фільтрацію (повітря, поживних середовищ, культуральних рідин), теплову стерилізацію (живильних середовищ, деяких готових засобів), створення надлишкового тиску стерильного повітря у відповідних приміщеннях (наприклад, в фасувальних відділеннях медичних препаратів для ін'єкцій); використання стерильних халатів і масок людьми, зайнятими у виробництві; ліофіліза-ція готового продукту перед зберіганням; використання ультрафіолетового та гамма-опромінення для стерилізації відповідно приміщень і флаконів.
Стосовно до антимікробних агентам та їх використанню існують такі визначення:
1) статичну дію речовини, тобто коли агент затримує розмноження клітин. Видалення його з-поміж супроводжується відновленням розмноження тест-об'єкта. У залежності від тест-організмів говорять про бактеріостаті-зації та фунгістатичну дію антимікробних речовин;
2) цідное дію речовини, тобто коли агент вбиває чутливий організм, який не оживає після видалення з середовища цієї речовини. Ефект останнього може проявитися в розчинення (лізис) клітин або, навпаки, клітини залишаються непошкодженими і навіть продовжують залишатися «метаболічно» щодо активними; цідное дія може бути як бактерицидний, так і фунгіцидну.
3. Стерильність - звільнення від будь-яких живих клітин. Стерилізація може бути досягнута хімічними речовинами (а також фільтрацією та опроміненням). Стерильний матеріал може містити інтактні «метаболізуючих» клітини.
4. Дезінфектантів - речовина, що вбиває патогенні мікроорганізми.
5. Асептичності, що характеризується відсутністю мікробів.