При какой температуре погибают микробы в воде: Есть ли польза от кипячения воды…

Как долго кипятить воду, чтобы убить микробы

Если у вас есть предметы, которые нужно продезинфицировать, прокипятите их в горячей воде (если это безопасно) от одной до пяти минут. Если вы хотите стерилизовать воду и сделать ее безопасной для питья, CDC рекомендует кипятить ее в течение одной минуты на высоте менее 6500 футов и трех минут на высоте более 6500 футов.

Насколько горячей должна быть вода для мытья рук?

Если вы пользуетесь мылом и тщательно моете руки, температура воды не имеет значения, за исключением комфорта. Итак, при условии, что вы используете правильную технику мытья рук, вы можете использовать горячую, теплую, прохладную или холодную воду и ожидать таких же результатов по уничтожению микробов. Если вы используете плохую технику мытья рук или полагаетесь исключительно на воду без мыла для уничтожения микробов, вода должна быть такой горячей, а контакт настолько продолжительным, что вы можете ошпарить руки.Поэтому выберите комфортную температуру для мытья рук, изучите правильную технику мытья рук и используйте жидкое мыло для рук или антибактериальное мыло, чтобы ваши руки были чистыми.

Температура воды для дезинфекции посуды

Существует ли безопасная температура воды для дезинфекции посуды? Маловероятно, что вы сможете продезинфицировать посуду при мытье вручную, используя температуру воды, которую могут выдержать ваши руки. Как правило, голыми руками вы можете выдержать температуру около 115 ° F, и с точки зрения дезинфекции это не повредит.Чтобы продезинфицировать посуду, попробуйте одно из следующего:

• После мытья посуды вручную, если в вашей посудомоечной машине есть цикл дезинфекции, пропустите ее через посудомоечную машину, чтобы продезинфицировать.
• Замочите посуду на одну минуту в растворе из 1 галлона воды на 1 столовую ложку хлорного отбеливателя. Температура воды значения не имеет.
• Замочите посуду на 1 минуту в воде с температурой не менее 170 ° F.

В обоих методах замачивания убедитесь, что посуда полностью покрыта водой.Дайте им высохнуть естественным путем на продезинфицированной сушилке, прежде чем убирать их.

Дезинфекция поверхностей горячей водой

Очистка паром убивает 99,9% микробов на соприкасающихся поверхностях, что делает пароочистители безопасным и эффективным способом использования горячей воды для очистки и дезинфекции. Существуют бытовые пароочистители для мытья поверхностей, таких как столешницы и туалеты, а также для мытья полов и ковров. Несколько советов по безопасной и эффективной очистке паром:

• Пар поверхности систематически, так что все части поверхности контактируют с паром.Проще всего этого добиться, используя отпариватель с широким соплом и работая рядами внахлест.
• Удаляйте влагу с пара бумажными полотенцами и всегда протирайте в одном направлении, чтобы не заразить поверхности повторно. Часто меняйте бумажные полотенца.
• Не используйте губки, в которых обитают бактерии.
• Всегда дайте пароварке остыть и сбросьте давление, прежде чем открывать емкость для воды и добавлять воду.
• Не допускайте попадания на кожу пара, выходящего из пароварки.

Поверхности, которые не следует очищать паром

Есть определенные поверхности, которые нельзя чистить паром:

• Мрамор
• Поверхности, окрашенные водоэмульсионной краской
• Кирпич
• Штукатурка
• Пористые поверхности
• Электроника
• Плавкие пластмассы
• Древесина

Для дезинфекции таких поверхностей используйте раствор воды и отбеливателя. ваш лучший выбор.

Горячая вода для дезинфекции

Горячая вода является эффективным дезинфицирующим средством, если у вас есть безопасный способ использовать воду соответствующей температуры.Циклы дезинфекции в посудомоечной машине, замачивание посуды в горячей воде для дезинфекции, кипячение небольших предметов и использование пароочистителя — наиболее эффективные методы использования горячей воды для уничтожения микробов. Для других проектов по уборке лучше использовать дезинфицирующее бытовое чистящее средство, подходящее для поверхности.

© LoveToKnow, Corp., 2006-2021, если не указано иное. Все права защищены.

Убивает ли кипящая вода вирусы?

Насколько эффективен кипячение воды для уничтожения вирусов?

Общеизвестно, что кипяченая вода делает ее безопасной для питья и купания.Но существуют ли вирусы, которые могут пережить жару и при этом представлять опасность? Вы узнаете, насколько эффективна кипячение воды, как правильно это делать, какие вирусы он убивает и как разные вирусы реагируют на экстремальные температуры.

Дело в том, что кипячение воды очень эффективно убивает или инактивирует человеческие патогены. Однако это не гарантирует безопасность воды, поскольку кипячение не помогает удалить грязь, металлы или минералы, которые могут находиться в воде. Обычно считается, что кипяченая вода безопасна для питья, но ее не следует использовать в течение длительного времени, если это может помочь.

Как тепло убивает вирусы

Патогены в воде были изучены, и было обнаружено, что они убиваются или становятся неактивными при кипячении в воде. К ним относятся бактерии, такие как сальмонелла, вирусы, включая гепатит А, и простейшие, такие как лямблии.

Некоторые исследования даже показали, что близкородственный коронавирус, вызывающий атипичную пневмонию, эффективно уничтожается при температурах, необходимых для кипячения воды.

Как вирусы реагируют на отрицательные температуры

В стремлении защитить свою семью от вирусов и бактерий морозильная камера — не лучший выбор.Чтобы убить вирусы, нужны невероятно низкие температуры — намного ниже, чем может быть в морозильной камере вашего дома.

Чтобы дать вам представление, вирусы и бактерии, как известно, выживают при отрицательных температурах в 80 градусов по Фаренгейту. Это можно сравнить с типичными бытовыми морозильниками, температура которых обычно составляет от нуля до пяти градусов по Фаренгейту.

Низкие температуры, однако, могут сделать вирусы бездействующими, что замедлит их распространение. Но от этого мало пользы, если у вирусов есть шанс оттаять и вернуться к работе, распространяясь.Чтобы эффективно убить бактерии, простейшие и вирусы в воде, кипячение — лучший способ.

140 градусов по Фаренгейту: магическое число

Большинство микробов, вирусов и бактерий погибнет при температуре около 140 градусов по Фаренгейту. Это значительно ниже, чем 212 градусов по Фаренгейту, при которых вода закипает. К счастью, большая часть водопроводной воды в США была обработана и обезврежена еще до того, как она попала в ваш дом.

Но есть несколько ситуаций, в которых вам может потребоваться вскипятить воду. Например, если вы путешествуете и не уверены, безопасна ли вода, рекомендуется вскипятить ее, прежде чем пить или купаться.Или в случае чрезвычайной ситуации, когда что-то случилось с вашим водопроводом.

Очень просто, если не эффективно, вскипятить воду и сделать ее безопасной для питья. Если вы живете на высоте менее 6500 футов над уровнем моря, просто доведите воду до кипения в течение одной минуты. Затем снимите его с огня и дайте ему остыть самостоятельно. Если вы живете на высоте более 6500 футов, кипятите воду в течение трех минут вместо одной и дайте ей остыть самостоятельно.

Если вы считаете, что в вашей воде могут быть отложения, минералы или металлы, лучше всего пропустить воду через фильтр, а не кипятить.Однако кипяченая вода считается относительно безопасной для питья.

О компании Marc Francis Plumbing

Вот уже 25 лет Marc Francis Plumbing с гордостью обслуживает Джонсон-Сити, штат Теннесси. Они лицензированы, связаны и застрахованы, чтобы гарантировать спокойствие. Прежде всего, они обеспечивают отличное качество изготовления и превосходное обслуживание клиентов. Они коммуникативны, прозрачны и обеспечивают круглосуточное обслуживание в случае возникновения чрезвычайной ситуации.

Влияние низкой температуры на рост микробов: пониженное сродство к субстратам ограничивает рост при низкой температуре | FEMS Microbiology Ecology

Аннотация

Влияние температуры окружающей среды на сродство микроорганизмов к субстратам обсуждается в связи с измерениями сродства по значениям K _s или удельному сродству ( a _A ).Для психрофилов, мезофилов и термофилов можно показать, что когда a _A используется в качестве меры сродства, сродство последовательно снижается по мере того, как температура опускается ниже оптимальной температуры для роста. Этот эффект может быть связан с жесткостью липидов мембраны ниже температурного оптимума, что приводит к снижению эффективности транспортных белков, встроенных в мембрану. Следовательно, нижний температурный предел для роста — это такая температура, при которой организм больше не может обеспечивать потребность в питательном веществе, ограничивающем скорость роста, из-за потери сродства к этому субстрату.Эта связь температуры и сродства к субстратам, принимаемым активным транспортом (модель сродства субстрата с температурной модуляцией), включает в себя захват как органических, так и неорганических субстратов. Этот эффект снижения сродства к субстрату при низкой температуре может иметь серьезные последствия для доступности субстратов в естественной среде при изменении температуры окружающей среды. При температурах ниже оптимальных для роста микроорганизмы будут становиться все более неспособными изолировать субстраты от окружающей среды из-за пониженного сродства, что в любом случае усугубляет условия, близкие к голоданию во многих природных средах.

1 Кардинальные температуры для роста

Реакция любого вида на температуру характеризуется рядом «основных температур» [1] — верхним и нижним пределами температуры для роста — и оптимальной температурой для роста в некоторой точке между этими двумя крайностями. Причины верхнего предела температуры относительно хорошо поняты, вызванные увеличением скорости денатурации ключевых клеточных компонентов по мере повышения температуры: до такой степени, что денатурация превышает скорость, с которой они могут быть заменены, с последующим нарушением клеточной функции.Верхний предел температуры не является неизменным для данного вида, возможна некоторая степень адаптации с точки зрения модификаций ключевых структур, таких как мембраны, и производства белков теплового шока, которые защищают клеточные процессы. Однако степень адаптации данного вида к высокой температуре, на которую указывают изменения максимальной температуры для роста, обычно ограничена. Причины нижнего предела температуры для роста менее ясны, хотя, по-видимому, существует консенсус, что при нижнем пределе температуры происходит потеря мембранной функции.В течение долгого времени предполагалось, что поглощение ключевых субстратов ингибируется низкой температурой из-за воздействия на клеточную мембрану (например, [2]), но было мало убедительных доказательств в поддержку этого случая.

2 Адаптация мембран к температуре

Было проведено много исследований, посвященных изучению того, как структура и состав мембран меняются в зависимости от температуры как внутри одного вида, так и между видами, адаптированными к различным температурным режимам, и выявился ряд тенденций (обзоры см. [3, 4–5]). .У микроорганизмов, адаптированных к низкотемпературной среде (психрофилы и психротолеранты), как правило, наблюдается повышенная доля ненасыщенных мембранных липидов и сниженная доля липидов с разветвленной цепью по сравнению с видами, адаптированными к умеренным (мезофилы) или высоким (термофилы) диапазонам температур. Подобные тенденции изменения липидов мембран можно наблюдать у одного вида, когда он выращивается в своем температурном диапазоне [6–9]. Кроме того, при воздействии на организм низкой температуры могут образовываться белки холодового шока, некоторые из которых являются ферментами, такими как ферменты десатуразы, связанные с модификацией клеточной мембраны в ответ на температуру [3,4].Суутари и Лааксо [9] обнаружили изменения индекса насыщения, средней длины цепи и степени разветвления жирных кислот мембраны Mycobacterium phlei при изменении температуры.

Мембраны представляют собой коллоидные растворы фосфолипидов и белков в жидкой (жидкокристаллической) фазе, и только в этой жидкой фазе они являются биологически функциональными. По мере снижения температуры мембраны становятся все более вязкими с уменьшением текучести мембран [10,11], и при некоторой температуре претерпевают фазовый переход в гелевую («твердую») фазу, когда биологическая функция утрачивается [12].Было высказано предположение, что изменения в липидном составе мембран в ответ на пониженную температуру окружающей среды, которые описаны выше, приводят к поддержанию клеточной мембраны в биологически функциональной жидкой фазе до как можно более низкой температуры (гомеовязкая адаптация [10]). Ненасыщенные липиды имеют тенденцию иметь более низкие температуры плавления, чем эквивалентные насыщенные липиды, в то время как разветвленные липиды имеют тенденцию иметь даже более высокие температуры плавления. При прочих равных условиях предполагается, что повышенная доля ненасыщенных липидов в мембранах снижает температуру, при которой происходит фазовый переход, и, следовательно, поддерживает мембраны в состоянии функциональной жидкости до более низкой температуры.Напротив, высокие доли насыщенных и разветвленных липидов в мембранах термофилов увеличивают температуру фазового перехода мембраны, обеспечивая стабильность при высокой температуре, но делая мембрану «жесткой» и биологически нефункциональной при сравнительно высокой минимальной температуре для роста. Белки, встроенные в мембрану, включая ключевые респираторные и транспортные белки, функционируют только тогда, когда мембрана находится в жидкой фазе, и прекращают активность при фазовом переходе в твердое состояние [3,13].Имеется ли прогрессирование постепенного изменения функции мембраны по мере того, как температура снижается до температуры фазового перехода, или существует постоянная полная функция с последующим полным прекращением активности при температуре фазового перехода, плохо изучено.

3 Ограничение питательных веществ в естественной среде и «сродство» к субстратам

Практически во всех природных средах жизненно важные ресурсы, такие как энергетические субстраты и субстраты, необходимые для роста (азотистые соединения, фосфаты и т. Д.)), присутствуют в очень низких, обычно ограничивающих скорость роста, концентрациях (например, см. [14]). Таким образом, рост и выживание зависят от способности вида изолировать эти редкие ресурсы в условиях жесткой конкуренции с другими видами, борющимися за те же ресурсы. Если механизм поглощения субстратом зависит от пассивной диффузии, то скорость его поглощения, вероятно, будет низкой и будет зависеть только от градиента концентрации через мембрану, хотя облегченная диффузия может увеличить скорость пассивного поглощения.Однако активное поглощение зависит от присутствия и активности белков-переносчиков в мембране, которые могут накапливать субстраты против градиента концентрации. Непрерывная активность переносчика зависит от мембраны, поддерживающей заряженное энергетическое состояние, необходимое для приведения в действие конформационных изменений, которые переносят субстраты через мембрану, и на их активность может влиять текучесть мембраны [15,16]. Эффективность активного поглощения микроорганизмом из внешней среды любого субстрата в низкой концентрации зависит от «сродства» организма к этому субстрату.Сродство для микроорганизмов чаще всего описывалось кривой насыщения типа Михаэлиса-Ментен, связывающей скорость роста с концентрацией ограничивающего скорость субстрата (см. [17]). Такая кривая насыщения описывается двумя «константами»: μ _max , максимальной удельной скоростью роста, и K _s , константой полунасыщения (в случае специфической ферментативной реакции В _макс и K _м ). Фактически, именно сродство активных центров транспортных белков в клеточной мембране влияет на K _s (или K _m ), в то время как максимальная емкость для реакции μ _max или V _max , является функцией общего количества активных центров на единицу биомассы или на клетку.Традиционно сродство организма к субстрату описывалось значением K _s (или K _m ), константа полунасыщения, но исследования проводились для обнаружения изменений сродства микроорганизмов. для подложек путем измерения только изменений значений температуры K _s (или K _m ) с температурой, как правило, не позволяет выявить какие-либо устойчивые тенденции (например, [18,19]).

Однако константы полунасыщения сами по себе являются плохими индикаторами сродства к субстрату, особенно при низких концентрациях субстрата, характерных для микроорганизмов в их естественной среде.На рис. 1 показаны две кривые роста для организмов с одинаковыми значениями K _s , но разными значениями μ _max . Очевидно, что при низких концентрациях субстрата способность одного организма вытеснять другой за субстрат является функцией не только K _s , но и μ _max и K _s . По сути, это начальный наклон кривой при очень низких концентрациях субстрата, типичных для многих природных сред (когда концентрация субстрата K _s ), который определяет, какой организм побеждает с точки зрения скорости его секвестрации. подложка и растет, и этот наклон приблизительно равен мкм _max / K _s .Баттон с соавторами [17,20,21] назвали эту функцию специфической аффинностью ( a _A ) и утверждали, что это гораздо более надежная мера, чем K _s аффинности организма. для субстрата и, кроме того, не зависит от действительного механизма поглощения. Удельная скорость роста, мкм, , связана с внеклеточной концентрацией ограничивающего скорость роста субстрата S через способность изолировать субстрат, как описано удельным сродством к субстрату, a _A , и эффективностью преобразования этого субстрата в клеточный материал (выход клеток на моль субстрата, Y _s ) на

(см. [17,21]).

1

Графики кинетики Михаэлиса-Ментен для роста двух бактерий с разными μ _max , но одинаковыми K _s .

1

Графики кинетики Михаэлиса-Ментен для роста двух бактерий с разными μ _max , но одинаковыми K _s .

В литературе имеется сравнительно немного наборов данных, которые включают как μ _max , так и K _s при различных температурах.Для тех данных, которые доступны, когда мы исследуем влияние температуры на сродство к субстратам, используя , _A в качестве меры «сродства», начинают проявляться согласованные тенденции там, где они не наблюдались только при К. _s [22]. На рис. 2 показаны тенденции роста на глюкозе психротолерантных и мезофильных бактерий с температурой , , _, . Диапазон температур, в которых растет каждая бактерия, и фактические значения , , _, при данной температуре различаются для каждого организма, что отражает их различную широкую физиологическую адаптацию в отношении диапазона температур, необходимых для их роста.Однако во всех случаях наблюдалась устойчивая тенденция к снижению a _A при понижении температуры ниже оптимальной для роста, что указывает на последовательное снижение сродства бактерий к субстрату при понижении температуры, независимо от того, были ли они психрофилами или мезофилы. В исследовании с хемостатами с ограниченным содержанием углерода Герберт и Белл [24] изучали рост психрофильного Vibrio AF1 на семи различных субстратах, измеряя как мкм _max , так и K _s при разных температурах. до оптимума при 17 ° C.Рост на сахарозе, лактозе, галактозе, маннозе, рибозе и ксилозе показал увеличение удельного сродства до оптимальной температуры роста, хотя на глюкозе результат был неоднозначным. Небольшое количество доступных исследований, в которых измеряли как K _s , так и μ _max при разных температурах, тем самым подтверждается общая парадигма, согласно которой, когда температура окружающей среды опускается ниже оптимальной для роста, сродство к субстратам постоянно снижается. когда аффинность измеряется мкм _max / K _s .

2

Графики зависимости удельного сродства к глюкозе от температуры для психрофильных Vibrio TG3, психротолерантных коринеформ TG5 и мезофильных Klebsiella aerogenes (данные для K. aerogenes [23] и психротолерантов [18]]. , с любезно предоставленными авторами дополнительными данными). Стрелки указывают оптимальную температуру для роста каждой бактерии.

2

Графики зависимости удельного сродства к глюкозе от температуры для психрофильного Vibrio TG3, психротолерантного коринеформного TG5 и мезофильного Klebsiella aerogenes (данные для K.aerogenes [23]; и для психротолерантов [18], дополнительные данные любезно предоставлены авторами). Стрелки указывают оптимальную температуру для роста каждой бактерии.

Тенденция снижения сродства при понижении температуры касается не только поглощения органических субстратов (доноров электронов). Мы показали (таблица 1) с помощью анаэробных хемостатов с ограничением содержания нитратов, что сродство к нитрату у нитратодышащих бактерий (т.е. к захвату акцептора электронов) также снижается с температурой [25].

Температурные изменения удельного сродства (1 мкмоль ^-1 ч ^-1 ) к нитратам у нитратдыхающих бактерий в анаэробных хемостатах с ограничением азота ([25] и Lloyd and Nedwell, неопубликованные данные)

Температурные изменения удельного сродства (1 мкмоль ^-1 ч ^-1 ) для нитратов, выделяемых нитратодышащими бактериями в анаэробных [ограниченных азотом хемостазах 25] и Ллойд и Недвелл, неопубликованные данные)

4 Доказательства влияния температуры на сродство к субстратам?

Какие доказательства из естественной среды свидетельствуют о том, что сродство к поглощению субстратов действительно подавляется пониженной температурой? В ключевой статье Pomeroy et al. [26] показали, что в арктической морской воде у побережья Ньюфаундленда (температура in situ -1 ° C) частота дыхания бактериального сообщества подавлялась при температуре in situ, но стимулировалась либо более высокой температурой, либо более высокими концентрациями добавленных субстратов (глюкозы или протеозопептон).Wiebe et al. [27] предположили, что существует взаимодействие между температурой и требованиями к субстрату, так что более высокие концентрации субстрата необходимы при температурах, близких к нижнему температурному пределу вида. Wiebe et al. [28] показали, что даже мезофильные морские бактерии, изолированные из вод юго-восточного субтропического шельфа США, подавлялись отсутствием субстрата при температурах, близких к минимальным для роста, несмотря на то, что минимальная температура была сравнительно высокой, около 10 ° C.Скорость роста увеличивалась либо за счет повышения температуры, либо за счет добавления субстратов. Эти рабочие пришли к выводу, что существует повышенная потребность в субстрате вблизи их нижнего предела температуры для роста как мезофильных, так и психротолерантных бактерий. Это полностью согласуется с предложенной моделью снижения сродства этих бактериальных сообществ к субстратам при низкой температуре.

5 Влияние низкой температуры на поглощение неорганических субстратов

Приведенные выше аргументы о том, как низкая температура может влиять на поглощение органических субстратов, также применимы к поглощению по крайней мере некоторых неорганических субстратов.Ранее утверждалось, что низкая температура влияет на способность водорослей поглощать нитраты [29], но исследование этой способности обычно ограничивалось измерениями значений K _s для нитратов при различных температурах. Как и в случае поглощения органических субстратов, не было очевидной последовательной картины изменения K _s в зависимости от температуры. Например, Mechling и Kilham [19] изучали поглощение силиката водорослями в экспериментах с периодическим культивированием с подпиткой, и из девяти видов водорослей, для которых были данные в их статье, три показали снижение на K _m при низкой температуре, три не показали никакого эффекта, а три других показали повышенные значения K _м .Недавняя работа моей группы как с бактериями, так и с водорослями [30,31] показала, что, когда сродство к нитратам измеряется по удельному сродству, а не только по K _s , наблюдается устойчивая тенденция к снижению a _{A (нитрат)} с пониженной температурой (рис. 3). Это верно для всех физиологических типов (психрофилы, мезофилы, термофилы). Напротив, удельное сродство к аммиаку ( a _{A (amm)} ) показало гораздо меньшую реакцию на температуру.Также для корней высших растений было продемонстрировано, что на поглощение нитратов в гораздо большей степени влияет температура, чем на поглощение аммония (например, [32,33]), поэтому, похоже, различное влияние температуры на поглощение как нитратов, так и аммония одинаково для разных групп. бактерии, водоросли и высшие растения. Это неудивительно, поскольку биохимические требования к ассимиляции нитрата и аммония идентичны у всех организмов, ассимилирующих их, и, следовательно, эволюционно эти механизмы, вероятно, будут строго сохранены.Меньшее влияние температуры на поглощение аммония может соответствовать по крайней мере некоторому пассивному переносу NH ₃ через мембрану, способствующему общему поглощению аммония. На пассивный транспорт не влияет снижение текучести мембраны при низкой температуре.

3

Пропорциональное изменение удельного сродства с температурой, нормированное на 15 ° C, для нитрата (закрашенные символы) и аммиака (светлые символы) с пятью бактериями и двумя водорослями [30,31].Бактерии: (○) Klebsiella oxytoca , (▿) Vibrio logei , (♢) E. coli , (△) Hydrogenophaga pseudoflava , (шестиугольник) Brevibacterium sp. Водоросли: (◻) Dunaliella tertiolecta , (▲) Chaetoceros curvisetum . ( H. pseudoflava не могла расти на нитрате, а C. curvisetum не выращивалась на аммонии.) Третья водоросль, психрофильная Chaetoceros sp., Показывала те же тенденции с температурой на нитрате и аммонии, но не имела растут до такой же высоты при 15 ° C и не показаны на этом рисунке.Точно так же термофильный Bacillus stearothermophilus демонстрировал аналогичные тенденции в зависимости от температуры, но не рос при 15 ° C.

3

Пропорциональное изменение удельного сродства с температурой, нормированное на 15 ° C, для нитрата (закрашенные символы) и аммиака (светлые символы) с пятью бактериями и двумя водорослями [30,31]. Бактерии: (○) Klebsiella oxytoca , (▿) Vibrio logei , (♢) E. coli , (△) Hydrogenophaga pseudoflava , (шестиугольник) Brevibacterium sp.Водоросли: (◻) Dunaliella tertiolecta , (▲) Chaetoceros curvisetum . ( H. pseudoflava не могла расти на нитрате, а C. curvisetum не выращивалась на аммонии.) Третья водоросль, психрофильная Chaetoceros sp., Показывала те же тенденции с температурой на нитрате и аммонии, но не имела растут до такой же высоты при 15 ° C и не показаны на этом рисунке. Точно так же термофильный Bacillus stearothermophilus демонстрировал аналогичные тенденции в зависимости от температуры, но не рос при 15 ° C.

6 Причина изменения удельного сродства к субстратам с пониженной температурой

Отношение между удельной скоростью роста и концентрацией субстрата показано в формуле. 1, где секвестрация внешней подложки S определяется удельным сродством a _A и эффективностью использования изолированной подложки Y . Изменения скорости роста с температурой могут быть результатом изменения любого из этих условий.Во-первых, это способность клетки изолировать субстрат от окружающей среды, которая может регулироваться сродством транспортных белков в мембране к субстрату, изменяющемуся с температурой. Во-вторых, с температурой могут происходить изменения в эффективности нижестоящего внутриклеточного фермента, который регулирует ассимиляцию субстрата и, следовательно, выход клеток. В стабильной ситуации (например, в наших экспериментах с хемостатом) изменения температуры a _A должны отражать изменения в поглощении питательного вещества, ограничивающего рост, а не изменения в последующей ассимиляционной функции.Если бы нижестоящий фермент, а не скорость поглощения, регулировал скорость роста (т.е. был меньше скорости поглощения субстрата), то происходило бы внутриклеточное накопление субстрата, то есть нестационарное состояние. Сообщенные изменения температуры a _A указывают на влияние на поглощение субстрата через мембрану, а не на ответ нижестоящих ассимиляционных ферментов на изменение температуры, которое может проявляться как изменения в Y . В литературе нет доказательств того, что выход клеток показывает какие-либо устойчивые тенденции изменения с температурой.Более того, трудно представить себе, что все различные внутриклеточные ассимиляционные ферменты, необходимые для множества различных субстратов, доступных в окружающей среде, будут одинаково реагировать на пониженную температуру. Гораздо более вероятно, что общим фактором, влияющим на реакцию на пониженную температуру, является влияние температуры на саму мембрану, особенно потому, что уменьшение удельного сродства с пониженной температурой, по-видимому, связано, в частности, с субстратами, поглощаемыми активным транспортом (см. Ниже ).

Такую тенденцию снижения сродства к температуре можно было бы ожидать, если бы эффект снижения температуры заключался в уменьшении текучести клеточной мембраны, несмотря на различия в липидах мембраны, которые адаптируются к различным диапазонам температуры у разных физиологических типов бактерий ( см. раздел 2 выше). Уменьшение текучести мембраны (делая ее «жестче») снижает эффективность транспортных белков и ферментов в мембране (например, [16,34]). Последовательное снижение a _A при пониженной температуре является первым убедительным доказательством того, что температура, пониженная ниже оптимума для вида, действительно снижает поглощение субстрата; и, кроме того, предполагает, что нижний предел температуры для роста может определяться самой низкой температурой, при которой вид может поддерживать текучесть мембраны и активный транспорт через мембрану.Предположительно, минимальная температура для роста — это такая температура, при которой сродство белков-переносчиков к секвестрации этих ограничивающих скорость роста субстратов, захваченных активным транспортом, настолько низкое, что оно больше не может соответствовать минимальным требованиям к содержанию клетки. для этого субстрата, и тогда он умрет. Если источником энергии является субстрат, ограничивающий скорость роста, это может быть связано с потерей способности из-за последующего низкого энергетического заряда внутри клетки поддерживать молекулы-переносчики в заряженном состоянии, способном поглощать субстраты.Минимальная температура для роста будет сильно варьироваться в зависимости от различных физиологических типов (от психрофилов до термофилов), что отражает широкий диапазон температур, в котором липидный состав их мембран адаптирует их мембраны к жидкому состоянию, но для всех типов это, по-видимому, потеря эффективное связывание субстрата, которое устанавливает нижний температурный предел.

Более того, похоже, что при понижении температуры ниже оптимума роста наблюдается прогрессивное снижение удельного сродства к субстрату, а не постоянное сродство во всем диапазоне температур роста с внезапным уменьшением вблизи минимальной температуры роста.Эта тенденция неуклонного снижения сродства в широком диапазоне температур, по-видимому, отражает прогрессивное снижение функциональной эффективности мембранного транспорта по мере снижения температуры, прежде чем поглощение и рост, наконец, полностью подавляются на нижнем температурном пределе. Это не указывает на внезапное изменение аффинности вблизи минимальной температуры, которое могло бы быть связано с внезапным фазовым изменением мембраны.

Можно измерить текучесть мембраны с помощью таких датчиков, как 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриен, которые флуоресцируют только в липидной фазе, например, в мембране.Обычно текучесть мембраны измеряется как анизотропия по поляризации флуоресценции (например, [35,36]), которая уменьшается по мере увеличения текучести мембраны. Когда такие флуоресцентные зонды использовались с мембранными препаратами бактерий, не было доказательств резких фазовых переходов с температурой (например, [36]), а скорее было постоянное изменение текучести мембран. Это широкое изменение, по-видимому, связано с разнообразием липидов в бактериальных мембранах, которые также взаимодействуют с белками, встроенными в мембрану.На рис. 4 показаны изменения анизотропии в зависимости от температуры, измеренные в целых клетках Escherichia coli и психрофильной бактерии JC / CPS / 2/5 [37]. По-видимому, наблюдаются устойчивые тенденции увеличения текучести мембран в широком диапазоне температур, а не резкие фазовые переходы, отражающие последовательные тенденции изменения удельного сродства с температурой, измеренной у других бактерий. Бактериальные ауксотрофы с менее разнообразным диапазоном мембранных липидов, как правило, имеют более резкие температуры фазового перехода [38].

4

Температурная зависимость анизотропии 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена, измеренная по поляризации флуоресценции в интактных клетках E. coli и психротолерантном JC / CPS / 2/5.

4

Температурная зависимость анизотропии 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена, измеренная по поляризации флуоресценции в интактных клетках E. coli и психротолерантном JC / CPS / 2/5.

7 Экологические последствия взаимодействия температуры и сродства к субстратам

Наши наблюдения взаимосвязи между температурой и удельным сродством к органическим и неорганическим субстратам обеспечивают механизм для объяснения эффектов добавления субстрата при низкой температуре на естественные сообщества морских бактерий [26–28].Подразумевается, что любой субстрат, который поглощается какой-либо формой активного транспорта, вероятно, будет становиться все менее доступным по мере снижения температуры, потому что способность организма изолировать субстрат снижается при низкой температуре. Я назвал это механизмом «сродство к субстрату с температурной модуляцией». То есть существует взаимодействие между удельным сродством к субстрату и температурой, которое влияет на кинетику поглощения субстрата при изменении температуры и, следовательно, влияет на рост бактерий и конкуренцию.

Минимальная концентрация, при которой организм может удалить субстрат из окружающей среды, зависит от его сродства к субстрату. Таким образом, в целом, постепенно увеличивающиеся пулы недоступного остаточного субстрата будут оставаться в окружающей среде при понижении температуры, потому что уменьшение сродства организма (ов) к субстрату при низкой температуре предотвращает любое дальнейшее поглощение. Мы можем вывести взаимосвязь между a _A и скоростью роста μ как пропорцию максимальной удельной скорости роста μ _m , которая иллюстрирует их влияние на стационарную концентрацию субстрата S. _с .

На рис. 5 показаны стационарные концентрации субстрата при различных значениях a _A и скорости роста для скоростей роста <0,5 μ _max , где применимо a _A . Ясно, что при низких скоростях роста, типичных для большинства естественных сред, стационарная концентрация субстрата является функцией как сродства организма к субстрату, так и скорости роста организма. Концентрация стационарного субстрата обратно пропорциональна a _A , но напрямую связана со скоростью роста.Поскольку a _A также напрямую связано с температурой, следствием является то, что при низкой температуре присутствие даже относительно высокой концентрации субстрата в окружающей среде не означает, что присутствующие организмы не ограничены субстратом. Предельные концентрации питательных веществ могут стать намного выше в нижней части диапазона температур вида, чем в конце диапазона высоких температур, из-за более низкого сродства при низкой температуре. Кроме того, ингибирование роста при низкой температуре из-за низкого сродства может быть обращено вспять, если добавлены более высокие концентрации субстрата для преодоления ограничения доступности субстрата из-за низкого сродства, как показано Pomeroy et al.[26] и Wiebe et al. [27,28]. Это подчеркивает синергизм между температурой и концентрацией субстрата в управлении доступностью субстрата при низкой температуре. Фактически, для любого органотрофного микроорганизма, который в подавляющем большинстве природных сред в любом случае существует в условиях низкой доступности субстрата и серьезного ограничения энергии, низкая температура усугубляет голодание из-за пониженного сродства к субстратам, даже когда остаются значительные концентрации субстратов. присутствует в окружающей среде.Любой вид, который имеет более высокое сродство, чем другие, к субстрату при данной низкой температуре, сможет более эффективно изолировать субстрат, будет иметь тенденцию вытеснять другие при низкой температуре и, следовательно, будет отобран по низкой температуре.

5

Изменение устойчивых концентраций субстрата с пропорциональной скоростью роста ( мкМ как пропорция мкМ _макс ) при различных значениях удельного сродства к субстрату.

5

Изменение стационарных концентраций субстрата с пропорциональной скоростью роста ( мкМ как пропорция мкМ _макс ) при различных значениях удельного сродства к субстрату.

Любое влияние низкой температуры на поглощение неорганических субстратов также может иметь серьезные последствия для первичной продукции, и мы можем предсказать, что, при прочих равных условиях, секвестрация любого неорганического субстрата, поглощаемого мембранно-ассоциированным активным транспортом, будет ингибироваться при низкой температуре. .Удельное сродство к нитрату у ряда бактерий и водорослей уменьшается вместе с температурой окружающей среды ( Q ₁₀ около 3), но удельное сродство к аммонию существенно не изменяется с температурой ( Q ₁₀ около 1) [30, 31]. Это меньшее влияние температуры на поглощение аммония по сравнению с поглощением нитратов может быть связано с пассивным поглощением по крайней мере некоторого количества аммиака, но разница будет иметь сильное влияние на то, какой источник азота используется при низкой температуре.В Южном океане в течение большей части летнего вегетационного периода первичная продукция обычно поддерживается за счет ассимиляции аммония, а не нитрата, несмотря на обычно гораздо более высокие концентрации последнего [39,40]. Коэффициенты поглощения азота f обычно <0,5, что указывает на преимущественное использование аммония, а не нитрата. Эти наблюдения согласуются с тем, что сродство к нитрату значительно снижается при низкой температуре до такой степени, что даже относительно высокие концентрации нитрата остаются недоступными в окружающей среде при низкой температуре.На усвоение нитрата водорослями также могут синергетически влиять факторы окружающей среды, отличные от температуры, такие как доступность Fe [41], особенно потому, что для ассимиляции нитрата требуется больше Fe, чем для ассимиляции аммония [42,43]. Однако при прочих равных условиях пониженная температура усугубит затруднения водорослей по связыванию нитратов. Такое пониженное сродство при низкой температуре менее важно для поглощения аммония, и поэтому аммоний может быть изолирован до гораздо более низкой концентрации, чем нитрат, даже при низкой температуре.Raven et al. [44] указали, что в глобальном масштабе более половины общего азота, ассимилированного во время первичного производства на суше и в море, составляет аммоний, несмотря на его обычно более низкую концентрацию, чем у нитратов в океанах.

Несмотря на то, что опубликованных данных о поглощении других неорганических питательных веществ мало, исследование влияния температуры на поглощение силиката ледяной водорослью Pseudonitzschia seriata [45] измеряет как μ _max и K _s показал, что (за исключением одной аномальной точки при 0 ° C) a _{A (Si)} увеличивалось с температурой до оптимальной для водоросли температуры.Данные для зеленой водоросли Scenedesmus (рис. 6) показали, что при пересчете значений a _A сродство как к фосфату [46], так и к нитрату [47] снижается с понижением температуры. Брокер и Пенг [48] утверждали также, что поглощение фосфатов должно тормозиться низкой температурой полярных морей.

6

Примеры влияния температуры на специфическое сродство, описанные в литературе для (A) фосфора в хемостатах с ограничением P зеленой одноклеточной водоросли Scenedesmus quadricauda [46] и (B) нитратов в культурах с ограниченным по N хемостатом из Scenedesmus sp.[47]. Удельное сродство было рассчитано из значений мкм _max и K _s , указанных при различных температурах. Стрелка указывает оптимальную температуру для роста.

6

Примеры влияния температуры на специфическое сродство, описанные в литературе для (A) фосфора в хемостатах с ограничением P зеленой одноклеточной водоросли Scenedesmus quadricauda [46] и (B) нитратов в N-ограниченном хемостате культур Scenedesmus sp.[47]. Удельное сродство было рассчитано из значений мкм _max и K _s , указанных при различных температурах. Стрелка указывает оптимальную температуру для роста.

В заключение, похоже, что по мере того, как температура окружающей среды опускается ниже оптимальной температуры роста для вида, происходит снижение его сродства к любым субстратам, которые поглощаются активными процессами переноса. Наиболее вероятное объяснение этого явления состоит в том, что снижение текучести мембраны влияет на молекулы-переносчики, встроенные в мембрану, предположительно потому, что «жесткость» мембраны из-за пониженной температуры снижает эффективность транспортного белка.Эта пониженная эффективность проявляется как прогрессирующая потеря сродства к субстрату по мере того, как температура опускается ниже оптимальной для вида температуры для роста. Фактически, минимальная пороговая концентрация, до которой субстрат может быть изолирован от окружающей среды, повышается с понижением температуры, оставляя увеличивающуюся концентрацию недоступного субстрата, обостряя тенденцию к «голоданию» при низкой температуре.

8 Глобальные последствия

Это физиологическое явление может иметь серьезные последствия для глобальной экологии.В полярных океанах при температурах от -1 до 2–3 ° C есть микробные сообщества, как бактерии, так и водоросли, которые находятся под физиологическим стрессом в том смысле, что температура окружающей среды популяций намного ниже оптимальной температуры для роста. Большинство микробных сообществ относятся к психротолерантным типам, способным расти при 0 ° C, но с оптимальными температурами> 20 ° C; в то время как даже небольшая часть облигатных психрофилов имеет оптимальные температуры выше температуры окружающей среды. Следовательно, небольшие изменения температуры океана могут иметь значительное влияние на сродство этих микроорганизмов к субстратам и, следовательно, на эффективный размер пулов питательных веществ, поглощаемых активным транспортом.Даже небольшое потепление океана во время межледниковья приведет к увеличению сродства водорослей и бактерий к субстратам (нитратам, фосфатам, силикатам), поглощаемым активным транспортом, и эффективно увеличит размеры доступных пулов этих питательных веществ в океанах. Нитраты имеют гораздо более короткое время пребывания в океанах (10 ³ –10 ⁴ лет), чем фосфор, и, следовательно, с большей вероятностью демонстрируют межледниково-ледниковые вариации [49]. Это увеличение доступных питательных веществ с более высокой температурой, по прогнозам, приведет к увеличению первичной продукции океана и сокращению выбросов CO ₂ во время межледниковья.Такой сценарий согласуется с данными профилей изотопных отношений δ ¹³ C в тестах бентосных фораминифер в кернах отложений Южного океана, которые предполагают усиление межледниковой океанической продукции, данные, которые до сих пор не были объяснены [48]. Однако это противоречит данным по кернам льда, которые указывают на повышенные концентрации CO ₂ во время межледниковья. Это явление также может объяснить очевидное снижение скорости денитрификации водной толщи в ледниковые периоды [50].Как отмечалось выше, сродство денитрифицирующих бактерий к нитрату также уменьшается с температурой [24].

Благодарности

Я хотел бы поблагодарить Эндрю Аптона, Марка Раттера, Бретта Огилви, Дебби Ллойд и Дэвида Ри за данные, которые способствовали исследованию влияния низких температур на микробную экологию, а также Кинан Эллис-Эванс, Дэвид Винн-Уильямс и Джулиан Приддл (британский Antarctic Survey) за их многолетнее сотрудничество в Южном океане.Благодарим профессора Ника Рассела за рецензирование более ранней версии рукописи и за предложения по ее улучшению. Работа поддержана Исследовательским советом по окружающей среде Великобритании в рамках исследовательских грантов GR3 / 7643a, GR3 / 8172a и студенческих стипендий GT4 / 84 / BAS / 6 и GT4 / 94/339 / L.

Список литературы

(

1975

Психрофильные бактерии. Бактериол. Ред.

39

144

167

(

1974

Низкотемпературное ингибирование поглощения субстрата

Влияние окружающей среды океана на микробную деятельность

124

129

University Park Press

Baltimore, MD

(

1990

Холодовая адаптация микроорганизмов

Фил. Пер. R. Soc. Лондон.

B 326

595

611

(

1992

Психрофильные микроорганизмы

Molecular Biology and Biotechnology of Extremophiles

203

224

Blackie

Glasgow

(

1990

Сравнение термической адаптации мембранных липидов у психрофильных и термофильных бактерий

FEMS Microbiol. Ред.

75

171

182

(

1962

Влияние температуры на состав жирных кислот в Escherichia coli

J. Bacteriol.

84

1260

1267

(

1979

Влияние температуры на жирнокислотный и фосфолипидный состав четырех облигатно психрофильных Vibrio spp

Arch. Microbiol.

121

121

127

(

1980

Жирные кислоты и фосфолипидный состав пяти психротрофных Pseudomonas spp. выращен при разных температурах

Arch. Microbiol.

121

121

127

(

1993

Влияние температуры роста на состав жирных кислот Mycobacterium phlei

Arch. Microbiol.

159

119

123

(

1974

Гомеовязкая адаптация: гомеостатический процесс, регулирующий вязкость мембранных липидов Escherichia coli

Proc. Natl. Акад. Sci. США

71

522

525

(

1988

Влияние температуры на клеточные мембраны

Plants and Temperature

42

237

258

Компания биологов

Кембридж

(

1990

Липидные фазовые переходы, индуцированные холодом

Фил. Пер. R. Soc. Лондон.

B 326

555

570

, (

1982

Влияние мембранных липидов на транспорт и ферментативную активность

Curr. Темы Membr. Трансп.

17

317

380

(

1987

Почвы и отложения как матрица роста микробов

Симпозиум Общества общей микробиологии

40

21

54

Cambridge University Press

Cambridge

(

1970

Корреляция фазовых переходов in vitro и in vivo мембранных липидов в E. coli

Proc. Natl. Акад. Sci. США

67

606

612

(

1977

Модификация мембранного липида: функциональные свойства мембраны по отношению к структуре жирных кислот

J. Biol. Chem.

252

8797

8803

(

1985

Некоторые размышления о микробной конкурентоспособности среди гетеротрофных бактерий

Антони ван Левенгук

51

473

494

(

1985

Взаимодействие почвенной и озерной микрофлоры на острове Сигни

Antarctic Nutrient Cycles

662

668

Springer-Verlag

Berlin

(

1983

Влияние температуры на кремний ограничивает рост диатомовых водорослей из озера Мичиган Stephanodiscus minutus (Bacillariophyceae)

J. Phycol.

18

119

205

(

1986

Сродство организмов к субстрату

Лимнол. Oceanogr.

31

453

456

(

1993

Кинетика роста микроорганизмов с ограничением питательных веществ: обзор и последние достижения

Антони ван Левенгук

63

225

235

(

1994

Влияние температуры на скорость роста и конкуренцию между двумя психротолерантными антарктическими бактериями: низкая температура снижает сродство к поглощению субстрата

заявл. Environ. Microbiol.

60

1984

1992

(

1971

Температурные зависимости в непрерывной культуре

Biotechnol. Bioeng.

13

795

813

(

1977

Ростовые характеристики облигатно-психрофильного Vibrio sp

Arch. Microbiol.

113

215

220

(

1997

Отбор по температуре нитратредуцирующих бактерий из эстуарных отложений: видовой состав и конкуренция за нитраты

FEMS Microbiol. Ecol.

23

11

22

(

1991

Бактериальные реакции на температуру и концентрацию субстрата во время весеннего цветения Ньюфаундленда

Mar. Ecol. Прогр. Сер.

75

143

159

(

1992

Рост бактерий на холоде: свидетельство повышенной потребности в субстрате

заявл. Environ. Microbiol.

58

359

364

(

1993

Доказательства повышенной потребности в субстрате для морских мезофильных бактериальных изолятов при минимальных температурах роста

Microb. Ecol.

25

151

159

(

1989

Температурная зависимость поглощения и ассимиляции неорганического азота микроводорослями антарктического морского льда

Polar Biol.

9

443

446

(

1998

Температурная зависимость использования неорганического азота бактериями и микроводорослями

Неопубликованная кандидатская диссертация. Диссертация

Университет Эссекса

Колчестер

(

1999

Температурная зависимость использования неорганического азота: I снижение сродства к нитрату при неоптимальных температурах у ряда водорослей и бактерий, а также последствия для производства в полярных регионах

заявл. Environ. Microbiol.

(

1991

Рост и предпочтение поглощения аммония или нитратов ячменем в зависимости от температуры корня

J. Exp. Бот.

42

521

530

(

1993

Поглощение аммония и нитрата рожковым деревом ( Ceratonia siliqua ) под влиянием температуры корней и ингибиторов

Physiol. Растение.

89

532

543

(

1973

Сборка транспортной системы и подвижность мембранных липидов в Escherichia coli

Биохимия

12

2822

2829

(

1983

Влияние температуры роста на липидную среду мембран психрофильных бактерий Micrococcus cryophilus

Arch. Biochem. Биофиз.

224

718

727

(

1985

Дифференциальный сканирующий калориметр и флуоресцентное поляризационное исследование текучести мембранных липидов у психрофильных бактерий

Биохим. Биофиз. Acta

820

115

121

(

1988

Сравнительная физиологическая адаптация отдельных сообществ антарктических микробов к низкой температуре

к.э.н. Диссертация

Университет Эссекса

Колчестер

(

1976

Модификация липидов мембран: физические свойства в зависимости от структуры жирных кислот

Биохимия

15

2986

2994

(

1980

Поглощение нитратов и аммония в водах Антарктики

Лимнол. Oceanogr.

25

1064

1074

(

1982

Утилизация аммония и нитратов в течение южного лета в море Скотия

Deep Sea Res.

29

837

850

(

1990

Железо в водах Антарктики

Природа

345

156

158

(

1988

Железо и молибден используют эффективность роста растений с различными источниками энергии, углерода и азота

New Phytol.

109

279

287

(

1996

Влияние азотного субстрата на потребность морских центрических диатомовых водорослей в железе

Mar. Ecol. Прогр. Сер.

141

161

172

(

1993

Количественная роль аммиака / транспорта и метаболизма аммония растениями в глобальном круговороте азота

Physiol. Растение.

89

512

518

(

1996

Взаимодействие температуры и ограничения кремния на психрофильных ледяных диатомовых водорослях Pseudonitzschia seriata

Polar Biol.

16

589

594

(

1987

Температурные функции в биологии и их применение к константам роста водорослей

Ойкос

49

177

190

(

1981

Влияние факторов окружающей среды на рост фитопланктона: температура и взаимодействие температуры с ограничением питательных веществ

Лимнол. Oceanogr.

26

635

648

(

1993

Что вызвало изменение CO ₂ от ледникового до межледникового?

Глобальный углеродный цикл

95

115

Springer-Verlag

Berlin

(

1989

Фосфор в сравнении с ограничением азота для нового и экспортного производства

Productivity of the Oceans: Present and Past

377

395

Wiley

Нью-Йорк

(

1995

Значительные изменения в запасах питательных веществ океана от ледникового до межледникового периода

Природа

31

755

758

© 1999 Федерация европейских микробиологических обществ. Опубликовано Elsevier Science B.