Kravene til mikrobiel vækst, kan opdeles i to hovedgrupper: fysisk og kemisk. Fysiske aspekter omfatter temperatur, pH og osmotisk tryk. Kemiske aspekter omfatter kilder af kulstof, nitrogen, svovl, phosphor, ilt, sporstoffer og organiske vækstfaktorer.
5.1.1 Fysiske aspekter
Temperatur
De fleste mikroorganismer vokser godt ved de temperaturer, der er i menneskers favør. Men visse bakterier er i stand til at vokse ved ekstreme temperaturer, der næsten helt sikker ville hæmme overlevelsen af eukaryote organismer.
Mikroorganismer er klassificeret i tre primære grupper på grundlag af deres foretrukne område af temperatur: psykrofile (kuldeelskende mikroorganismer), mesofile (moderat temperaturelskende mikroorganismer) og termofile (varmeelskende mikroorganismer). De fleste bakterier vokser kun inden for et begrænset område af temperaturer og deres maksimale og minimale væksttemperatur, ligger normalt ikke mere end 30 ºC fra hinanden. De vokser dårligt ved de høje og lave temperaturer inden for deres temperaturvækstspænd.
Hver bakterieart vokser ved særlige minimum, optimum eller maksimum temperaturer. Den mindste væksttemperatur, er den laveste temperatur hvor arten vil vokse. Den optimale væksttemperatur, er den temperatur hvor arten vokser bedst. Den maksimale væksttemperatur, er den højeste temperatur hvor arten vil vokse. Ved grafer over vækstrate ved forskellige temperaturer, kan vi se at den optimale væksttemperatur, normalt ligger i nærheden af den maksimale væksttemperatur. Over denne temperatur falder vækstraten hurtigt. Se figur 5.1.1.1. Dette sker sandsynligvis, fordi den høje temperatur har inaktiveret nødvendige enzymatiske processer i cellen.
Intervallerne og maksimalvæksttemperaturerne, der definerer bakterier som psykrofile, mesofile eller termofile, er ikke præcist defineret. Det psykrofile niveau, blev oprindeligt simpelt hen betragtet som værende mikroorganismer der var i stand til at vokse ved 0 ºC. Men der synes at være to temmelig forskellige grupper, der er i stand til at vokse ved den temperatur. En gruppe der består af psykrofile mikroorganismer i strengeste forstand, kan vokse ved 0 ºC, men har optimal væksttemperatur omkring 15 ºC. De fleste af disse organismer, er så følsomme over for højere temperaturer, at de ikke vil vokse i et rimeligt varmt rum (25 ºC). De findes for det meste i oceanernes dybder eller i visse polare områder. Sådanne organismer giver sjældent problemer i forbindelse med konservering af fødevarer. Den anden gruppe, der kan vokse ved 0 º, har højere optimale væksttemperaturer, der sædvanligvis er omkring 20 – 30 ºC og kan ikke vokse ved temperaturer højere end cirka 40 ºC. Organisme af denne type er langt mere udbredte end den psykrofile gruppe og man støder ofte på dem i forbindelse med fordærvelse af madvarer ved lave temperaturer, fordi de vokser relativt godt ved køleskabstemperaturer. Vi vil her bruge udtrykket psykrotroper, som fødevaremikrobiologer ynder at anvende til denne gruppe af fordærvende mikroorganismer.
Nedkøling er den mest almindelige metode, til at bevarer fødevarer. Den er baseret på princippet om, at mikroorganismers reproduktive rater, falder ved lave temperaturer. Selv om mikroorganismer overlever temperaturer under frysepunktet (de kan gå helt i dvale), vil de gradvist falde i antal. Nogle arters tilbagegang sker hurtigere end andre arters. Psykrotroper vokser ikke så godt ved lave temperaturer, undtagen i sammenligning med andre mikroorganismer; gives de tid nok, er de dog i stand til langsomt at nedbryde fødevarer. Et sådan fordærv kan tage form af skimmelmycelium, slim på fødevarernes overflader, eller forkert smag eller farve af fødevarerne. Temperaturen inde i et korrekt indstillet køleskab, vil i høj grad bremse væksten af de fleste fødevarefordærvende organismer, med undtagelse af få patogene bakterier (se figur 5.1.1.2). Når større mængder fødevarer skal opbevares nedkølet, er det vigtigt at huske, at en stor mængde varm mad, nedkøles ved en relativ langsom hastighed og dermed går der længere tid inden fødevaren når en temperatur hvor bakterievæksten hæmmes.
Mesofile organismer, med en optimal væksttemperatur på 25 – 40 ºC, er den mest almindelige form for mikroorganismer. Mikroorganismer, der har tilpasset sig til at leve i kroppen på dyr, har en optimal væksttemperatur der ligger tæt på værtens kropstemperatur. Den optimale væksttemperatur for mange patogene bakterier er cirka 37 ºC og inkubatorer til kliniske kulturer, er sædvanligvis indstillet til omkring denne temperatur. De mesofile mikroorganismer omfatter de fleste af de normale fordærvende og sygdomsfremkaldende organismer.
Termofile organismer, er mikroorganismer der er i stand til at vokse ved høje temperaturer. Mange af disse organismer har en optimal væksttemperatur på 50 – 60 ºC, der er omkring temperaturen på vandet i den varme vandhane. Sådanne temperaturer kan også nås på solbeskinnet jord og i varme kilder. Bemærkelsesværdigt nok, kan mange termofile mikroorganismer ikke vokse ved temperaturer lavere end cirka 45 ºC. Endosporer dannet af termofile bakterier, er usædvanlig varmebestandige og kan overleve den normale varmebehandling der bruges i konserves. Selvom høje opbevaringstemperaturer, kan få overlevende endosporer til at spire og vokse og derved ødelægge maden, er disse termofile bakterier, normalt ikke et problem for folkesundheden. Termofile bakterier er vigtige for økologiske kompostbunker, hvor temperaturen hurtigt kan stige til 50 – 60 ºC.
Nogle mikroorganismer, der er medlem af Arkæerne, har en optimal væksttemperatur på 80 ºC eller højere. Disse organismer kaldes for hypertermofile, eller nogle gange for ekstremt termofile. De fleste af disse mikroorganismer, lever i varme kilder, der er forbundet med vulkansk aktivitet og svovl er normalt vigtig i deres metaboliske aktivitet. Rekorden for bakterievækst og reproduktion ved høje temperaturer er 121 ºC og er fundet nær hydrotermiske skorstene i dybhavet. Det enorme tryk i dybhavet, forhindrer vand i at koge, selv ved temperaturer et godt stykker over 100 ºC.
pH
Som du husker fra tidligere, refererer pH til surhedsgraden af en opløsning. De fleste bakterier vokser bedst i et snævert pH-område nær det neutrale, altså i intervallet mellem 6,5 og 7,5. Meget få bakterier vokser ved en sur pH-værdi under cirka 4. Dette er grunden til at en række fødevarer, som for eksempel sauerkraut og mange oste, beskyttes mod fordærv, af syrer dannet ved bakteriel fermentering. Ikke desto mindre er nogle bakterier, kaldet acidofile, bemærkelsesvis tolerante over for syre. En type kemoautotropiske bakterier, der lever i drænvandet fra kulminer og oxiderer svovl til dannelsen af svovlsyre, kan overlever ved en pH på 1. Skimmel- og gærsvampe vil vokse over et større pH-område end bakterier vil og den optimale pH for skimmelsvampe og gær, er generelt lavere end bakteriers, sædvanligvis omkring pH 5 til 6. Alkalinitet hæmmer også mikroorganismers vækst, men anvendes sjældent til konservering af fødevarer.
Nor bakterier dyrkes i laboratoriet, producerer de ofte syrer, der i sidste ende forstyrrer deres egen vækst. For at neutralisere syrerne og opretholde den rette pH, er kemiske buffere inkluderet i vækstmediet. De poptoner og aminosyrer der findes i nogle vækstmedier, fungerer som buffere og mange vækstmedier indeholder også phosphatsalte. Phosphatsalte har den fordel, at udvise deres buffervirkning ved pH-værdier omkring de fleste bakteriers pH-vækstområde. De er også ikke-toksiske og fungerer tilmed som phosphor-kilde, der er et essentielt næringsstof.
Osmotisk tryk
Mikroorganismer får næsten alle deres næringsstoffer, fra stoffer opløst i det omgivne vand. De kræver derfor vand for at vokse og deres sammensætning er 80 – 90% vand. Højt osmotisk tryk, har den indvirkning, at det fjerner det nødvendige vand fra cellerne. Når en mikrobiel celle er i en opløsning, hvor koncentrationen af opløste stoffer er højere end i cellen (miljøet er hypertonisk i forhold til cellen), vil det cellulære vand passere gennem plasmamembranen og ud til den høje koncentration af opløste stoffer (se beskrivelsen af osmose fra tidligere, og se eventuelt figur 3.2.4.4 for de tre typer af miljøer af opløste stoffer en celle kan støde ind i). Dette osmotiske tab af vand, forårsager plasmolyse eller skrumpning af cellens cytoplasma. Se figur 5.1.1.3.
Væksten af cellen hæmmes, som plasmamembranen trækker sig bort fra cellevæggen. Tilsætningen af salte (eller andre opløste stoffer) til en opløsning og den resulterende stigning i det osmotiske tryk, kan bruges til at konservere levnedsmidler. Saltet fisk, honning og sødet kondenseret mælk, konserveres i vid udstrækning af denne mekanisme; den høje salt- eller sukkerkoncentration trækker vand ud af eventuelle mikrobielle celler der er til stede og forhindrer dermed deres vækst. Disse virkninger af osmotisk tryk er groft relateret til antallet af opløste molekyler eller ioner i et volumen af en opløsning.
Nogle mikroorganismer, kaldet ekstreme halofiler, har tilpasset sig så godt til høje saltkoncentrationer, at de faktisk kræver dem for at vokse. I dette tilfælde kan de betegnes som obligate halofiler. Organismer fra så saltet vand som fra Det Døde Hav, kræver ofte næsten 30% salt og inkuberingsløkker (en indretning til håndtering af bakterier i laboratoriet), der bruges til at overføre dem, skal først være dyppet i en mættet saltopløsning. Mere almindeligt er fakultative halofiler, som ikke kræver høje saltkoncentrationer, men er i stand til at vokse ved saltkoncentrationer op til 2%, en koncentration der hæmmer væksten af mange andre mikroorganismer. Enkelte arter af fakultative halofiler, kan tåle helt op til 15% salt.
De fleste mikroorganismer, skal dog dyrkes på et vækstmedium, der næsten kun består af vand. For eksempel er koncentrationen af agar (et sammensat polysaccharid isoleret fra marine alger), der anvendes til at størkne mikrobielle vækstmedier, sædvanligvis cirka 1,5%. Hvis der anvendes markant højere koncentrationer af agar, kan det øgede osmotiske tryk hæmme væksten af nogle bakterier.
Hvis det osmotiske tryk er usædvanligt lavt (miljøet er hypotonisk) – som i destilleret vand for eksempel, har vand tendens til at trænge ind i cellen, snarere end ud. Nogle miroorganismer, der har en relativ svag cellevæg, lyserer ved en sådan behandling.
5.1.2 Kemiske aspekter
Kulstof
Ud over vand, er et af de vigtigste krav til mikrobiel vækst, kulstof. Kulstof er den strukturelle rygrad i levende materiale; der er behov for kulstof i alle de organiske forbindelser, der udgør en levende celle. Halvdelen af tørvægten af en typisk bakteriecelle er kulstof. Kemoheteromorfer får det meste af deres kulstof fra kilden til deres energi – for eksempel proteiner, kulhydrater og lipider. Kemoautomorfer og fotoautomorfer får deres kulstof fra kuldioxid.
Nitrogen, svovl og phosphor
Foruden kulstof, behøver mikroorganismer andre grundstoffer for at syntetisere cellemateriale. For eksempel kræver proteinsyntesen betydelige mængder af nitrogen samt noget svovl. Syntesen af DNA og RNA kræver også nitrogen og noget phosphor, det samme gør sig gældende i syntesen af ATP, molekylet der er så vigtigt i forbindelse oplagring og overførsel af kemisk energi i cellen. Nitrogen udgør omkring 14% af tørvægten af en bakteriecelle. Svovl og phosphor udgør tilsammen cirka 4%.
Mikroorganismer bruger primært nitrogen til dannelsen af aminogruppen af aminosyrerne i proteiner. Mange bakterier opfylder dette krav ved nedbrydning af proteinholdigt materiale og genindsætter aminosyrerne ind i nyligt syntetiserede proteiner og andre nitrogenholdige forbindelser. Andre bakterier anvender nitrogen fra ammoniumioner (NH4+), som allerede er i den reducerede form og normalt findes i organisk cellemateriale. Andre bakterier igen, er i stand til at udlede nitrogen af nitrater (forbindelser, der associerer til nitrationer, NO3–, i en opløsning).
Nogle vigtige bakterier, herunder mange af de fotosyntetiserende cyanobakterier, anvender gasformigt nitrogen (N2). Denne proces kaldes for nitrogenfiksering. Nogle mikroorganismer der kan bruge denne metode, er fritlevende, for det meste i jorden, men andre lever kooperativt i symbiose med rødderne af bælgplanter, såsom kløver, sojabønner, lucerne, bønner og ærter. Det nitrogen der bliver fikseret i symbiosen, bruges både af planten og bakterien.
Svovl bruges til at syntetiserer svovlholdige aminosyrer og vitaminer, som for eksempel thianin og biotin. Vigtige kilder til svovl inkluderer sulfationer (SO42-), hydrogensulfid og de svovlholdige aminosyrer.
Phosphor er afgørende for syntesen af nukleinsyrer og phospholipiderne i cellemembranerne. Blandt andet, findes det i energibindingerne i ATP. En kilde til phosphor er phosphationen (PO43-). Kalium, magnesium og calcium, er også stoffer som mikroorganismerne ofte kræver, som cofaktorer til enzymer.
Sporstoffer
Mikroorganismer kræver meget små mængder af andre grundstoffer, som for eksempel jern, kobber, molybdæn og zink; disse betegnes som sporstoffer. De fleste er af afgørende betydning for funktionen af visse enzymer, som regel som cofaktorer. Selvom disse grundstoffer undertiden tilsættes til laboratoriedyrkningsmedier, antages de normalt for at være naturligt til stede i ledningsvandet og andre komponenter af næringsmediet. Slev det meste destillerede vand indeholder tilstrækkelige mængder, men ledningsvand er undertiden specificeret, for at sikre tilstedeværelsen af disse sporstoffer i næringsmedierne.
Oxygen
Vi er vant til at tænke på molekylært oxygen (O2) som en livsnødvendighed, men det er faktisk i en vis forstand en giftig gas. Meget lidt molekylært oxygen har eksisteret i atmosfæren, det meste af Jordens udviklingshistorie. I virkeligheden er det muligt, at livet slet ikke har kunne opstå, hvis der havde være oxygen til stede. Mange af de nuværende former for liv, har metaboliske systemer, der kræver ilt til aerob respiration. Hydrogenatomer, der er blevet frigjort fra organiske forbindelser, kombineres med oxygen til dannelse af vand. Denne proces frigiver store mængder energi og neutraliserer samtidig en potentiel giftig gas – en rigtig god løsning, alt i alt.
Mikroorganismer, der bruger molekylært oxygen (aerobe), udvinder mere energi fra næringsstoffet end mikroorganismer der ikke bruger oxygen (anaerobe). Organismer der kræver oxygen for at leve, kaldes for obligat aerobe organismer. Se tabel 5.1.2.1a.
Obligat aerobe mikroorganismer har en ulempe, fordi oxygen er dårligt opløseligt i vandet i deres miljø. Derfor er der mange af de aerobe bakterier, der har udviklet eller bibeholdt evnen, til at fortsætte væksten i fravær af oxygen. Sådanne mikroorganismer kaldes fakultativt anaerobe, se tabel 5.2.1.1b. Med andre ord kan fakultativt anaerobe bakterier bruge oxygen, når det er til stede, men er i stand til at fortsætte vækst ved hjælp af fermentering eller anaerob respiration, når oxygen ikke er tilgængeligt. Men deres effektivitet i energiproduktionen aftager i fraværet af oxygen. Et eksempel på en familie af fakultativt anaerobe bakterier er Escherichia coli, som findes i den menneskelige tarmkanal. Mange gærarter er også fakultativt anaerobe. Mange mikroorganismer er i stand til at erstatte andre elektronreceptorer, som for eksempel nitrationer, for oxygen, hvilket er noget mennesker ikke er i stand til at gøre.
Obligat anaerobe (se tabel 5.1.2.1c) er bakterier, der er ude af stand til at bruge molekylært oxygen til energigivende reaktioner. De fleste bliver faktisk skadet af molekylært oxygen. Slægten Clostridium, som blandt andet består af de arter der forårsager stivkrampe og botulisme, er det mest kendte eksempel. Disse bakterier gør brug af oxygenatomer der er til stede i cellulære materialer; atomerne opnås normalt fra vand.
Forståelsen af hvordan mikroorganismer kan skades af oxygen, kræver en kort gennemgang af de giftige former af oxygen:
1. Singlet oxygen (1O2–) er normal molekylært oxygen (O2), som er boostet til en højere energitilstand og er ekstremt reaktivt.
2. Superoxidradikaler (O2–), eller superoxidanioner, dannes i små mængder under normal respiration i organismer der bruger oxygen som en sidste elektronacceptor og danner vand. I tilstedeværelsen af oxygen, synes også obligat anaerobe bakterier at danne små mængder superoxidradikaler, som er så giftigt for cellulære komponenter, at alle organismer der forsøger at vokse i atmosfærisk oxygen, skal producere et enzym, superoxiddismutase (SOD), for at neutralisere superoxidradikalerne. Deres toksicitet skyldes deres store ustabilitet, der medfører at de stjæler en elektron fra et nærtliggende molekyle, som så bliver til en radikal og igen stjæler en elektron og så videre. Aerobe bakterier, fakultativt anaerobe der vokser aerobt samt aerotolerante anaerobe producerer SOD, hvormed de omdanner superoxidradikalet til molekylært oxygen (O2) og hydrogenperoxid (H2O2):
3. Hydrogenperoxidet der produceres i denne reaktion, indeholder peroxidanionen O22-, der også er giftig. Det er det aktive stof i de antimikrobielle midler hydrogenperoxid og benzoylperoxid. Fordi hydrogenperoxid der produceres under normal aerob respiration er giftigt, har mikroorganismerne udviklet enzymer til at neutralisere det. Det mest kendte af disse er katalase, der omdanner det til vand og ilt:
Katalase kan let påvises ved sin reaktion med hydrogenperoxid. Når der tilføres en dråbe hydrogenperoxid til en koloni af bakterieceller der producerer katalase, vil oxygen frigives som bobler. Enhver der har prøvet at komme hydrogenperoxid på et sår, vil vide at humane celler også indeholder katalase. Det andet enzym, der nedbryder hydrogenperoxid, er peroxidase, som er forskelligt fra katalase, det at dets reaktion ikke frigiver oxygen:
4. Hydroxylradikalet (OH–) er en anden mellemliggende form af oxygen og er sandsynligvis den mest reaktive. Det er dannet i det cellulære cytoplasma ved ioniserende stråling. Det meste aerobe respiration producerer spor af hydroxylradikaler, men de er forbigående.
Disse giftige former af ilt er en væsentlig bestanddel af et af kroppens vigtigste forsvar mod patogener, fagocytose. I fagolysosomet af fagocytotiske celler, dræbes indtagne patogener ved udsættelse for singlet oxygen, superoxidradikaler, peroxidanioner fra hydrogenperoxid, hydroxylradikaler og andre oxiderende forbindelser.
Obligat anaerobe mikroorganismer producerer normalt hverken superoxiddismutase eller katalase. Fordi aerobe betingelser sandsynligvis fører til en ophobning af superoxidradikaler i deres cytoplasma, er obligat anaerobe organismer ekstremt følsomme over for oxygen.
Aerotolerante anarobe mikroorganismer (se tabel 5.1.2.1d) kan ikke bruge oxygen til deres vækst, men de tåler det ganske godt. På overfladen af et næringsmedie vil de gro ganske godt, uden brug af særlige teknikker, der kræves for obligat anaerobe mikroorganismer. Mange af de aerotolerante bakterier er karakteristiske ved at fermentere kulhydrater til mælkesyre. Som mælkesyren akkumuleres, hæmmes væksten af aerobe konkurrenter og etablerer en gunstig økologisk niche for mælkesyreproducerende bakterier. Typiske eksempler på mælkesyreproducerende aerotolerante anaerobe mikroorganismer er lactobacilli, der bruges i produktionen af mange sure, gærede fødevarer, som for eksempel pickles og ost. I laboratoriet, håndteres de ligesom alle andre bakterier, men de gør ikke brug af oxygen i luften. Disse bakterier kan tåle oxygen, fordi de besidder SOD eller et tilsvarende system, der neutraliserer de toksiske former af oxygen, der tidligere er forklaret.
Enkelte bakterier er mikroaerofile (se tabel 5.1.2.1e). De er aerobe; de kræver ilt. De vokser dog kun i oxygenkoncentrationer der er lavere end den i atmosfærisk luft. I et reagensglas med et fast næringsmedie, vokser de kun i en dybde, hvor små mængder af oxygen er diffunderet ud i næringsmediet; de vokser ikke nær den oxygenrige overflade eller under den smalde zone med tilstrækkeligt oxygen. Denne begrænsede tolerance er sandsynligvis på grund af deres følsomhed over for superoxidradikalet og peroxider, som de producerer i dødelige koncentrationer under oxygenrige betingelser.
Organiske vækstfaktorer
Væsentlige organiske forbindelser en organisme ikke selv kan syntetisere, kendes som organiske vækstfaktorer; de skal opnås direkte fra omgivelserne. En gruppe af organiske vækstfaktorer for mennesker, er vitaminer. De fleste vitaminer fungerer som coenzymer, de organiske cofaktorer der kræves af visse enzymer for at kunne fungere. Mange bakterier, kan syntetisere alle deres egne vitaminer og er dermed ikke afhængige af eksterne kilder. Men nogle bakterier mangler de enzymer, der er nødvendige for at syntetisere visse vitaminer og for dem er disse vitaminer organiske vækstfaktorer. Andre organiske vækstfaktorer, der kræves af nogle bakterier er aminosyrer, puriner og pyrimidiner.