Skip to main content
Global

9.4: درجة الحرارة والنمو الميكروبي

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    195370

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    • قم بتوضيح ووصف متطلبات درجة الحرارة الدنيا والمثالية والقصوى للنمو
    • تحديد ووصف فئات مختلفة من الميكروبات ذات متطلبات درجة الحرارة للنمو: السيكروفيل، السيكروتروفس، الميزوفيل، المثيرموفيل، فرط الحرارة
    • أعط أمثلة للكائنات الحية الدقيقة في كل فئة من فئات تحمل درجات الحرارة

    عندما بدأ استكشاف بحيرة ويلانز في القارة القطبية الجنوبية، لم يتوقع الباحثون العثور على الكثير من الحياة. لا يبدو أن درجات الحرارة الثابتة تحت الصفر ونقص المصادر الواضحة للعناصر الغذائية من الظروف التي من شأنها أن تدعم نظامًا بيئيًا مزدهرًا. ولدهشتهم، أظهرت العينات المسترجعة من البحيرة حياة ميكروبية وفيرة. في بيئة مختلفة ولكن قاسية بنفس القدر، تنمو البكتيريا في قاع المحيط في فتحات التهوية البحرية (الشكل\(\PageIndex{1}\))، حيث يمكن أن تصل درجات الحرارة إلى 340 درجة مئوية (700 درجة فهرنهايت).

    يمكن تصنيف الميكروبات تقريبًا وفقًا لنطاق درجة الحرارة التي يمكن أن تنمو فيها. معدلات النمو هي الأعلى في درجة حرارة النمو المثلى للكائن الحي. أدنى درجة حرارة يمكن للكائن الحي أن يعيش فيها ويتكاثر هي درجة حرارة نموه الدنيا. أعلى درجة حرارة يمكن أن يحدث فيها النمو هي درجة حرارة النمو القصوى. النطاقات التالية لدرجات حرارة النمو المسموح بها تقريبية فقط ويمكن أن تختلف وفقًا للعوامل البيئية الأخرى.

    تتكيف الكائنات الحية المصنفة على أنها متوسطة («محبة للوسط») مع درجات حرارة معتدلة، حيث تتراوح درجات حرارة النمو المثلى من درجة حرارة الغرفة (حوالي 20 درجة مئوية) إلى حوالي 45 درجة مئوية، وكما هو متوقع من درجة الحرارة الأساسية لجسم الإنسان، 37 درجة مئوية (98.6 درجة فهرنهايت)، والميكروبات البشرية العادية ومسببات الأمراض (على سبيل المثال، E. coli و Salmonella sp. و Lactobacillus spp.) هم من عشاق الميزوفيل.

    تفضل الكائنات الحية التي تسمى السيكروتروفات، والمعروفة أيضًا باسم المتحملة النفسية، البيئات الأكثر برودة، من درجة حرارة عالية تصل إلى 25 درجة مئوية إلى درجة حرارة التبريد حوالي 4 درجات مئوية، وتوجد في العديد من البيئات الطبيعية في المناخات المعتدلة. كما أنها مسؤولة عن تلف الأطعمة المبردة.

    التركيز السريري: القرار

    يشير وجود الليستيريا في دم جيني إلى أن أعراضها ناتجة عن داء الليستريات، وهي عدوى تسببها L. monocytogenes. يعد داء الليستريات عدوى خطيرة بمعدل وفيات يبلغ 20٪ ويشكل خطرًا خاصًا على جنين جيني. أعطت عينة من السائل الأمنيوسي المستزرع لوجود الليستيريا نتائج سلبية. نظرًا لأن عدم وجود كائنات حية لا يستبعد إمكانية الإصابة، تم إجراء اختبار جزيئي يعتمد على تضخيم الحمض النووي للحمض النووي الريبوسومي 16S من الليستيريا للتأكد من عدم وجود بكتيريا تعبر المشيمة. لحسن الحظ، كانت نتائج الاختبار الجزيئي سلبية أيضًا.

    تم إدخال جيني إلى المستشفى لتلقي العلاج والشفاء. تلقت جرعة عالية من اثنين من المضادات الحيوية عن طريق الوريد لمدة أسبوعين. الأدوية المفضلة لعلاج داء الليستريات هي الأمبيسلين أو البنسلين G بمضاد حيوي أمينوغليكوزيد. لا تزال مقاومة المضادات الحيوية الشائعة نادرة في الليستيريا وعادة ما يكون العلاج بالمضادات الحيوية ناجحًا. تم إطلاق سراحها للرعاية المنزلية بعد أسبوع وتعافت تمامًا من العدوى.

    L. monocytogenes هو قضيب قصير إيجابي الجرام موجود في التربة والماء والغذاء. يتم تصنيفها على أنها محبة للأمراض النفسية وتتحمل رائحة الفم الكريهة. إن قدرته على التكاثر في درجات حرارة التبريد (4-10 درجات مئوية) وتحمله للتركيزات العالية من الملح (حتى 10٪ من كلوريد الصوديوم [NaCl]) تجعله مصدرًا متكررًا للتسمم الغذائي. نظرًا لأن الليستيريا يمكن أن تصيب الحيوانات، فإنها غالبًا ما تلوث الأطعمة مثل اللحوم أو الأسماك أو منتجات الألبان. غالبًا ما يمكن إرجاع تلوث الأطعمة التجارية إلى الأغشية الحيوية الثابتة التي تتشكل على معدات التصنيع التي لم يتم تنظيفها بشكل كافٍ.

    تعد عدوى الليستيريا شائعة نسبيًا بين النساء الحوامل لأن المستويات المرتفعة من البروجسترون تقلل من تنظيم جهاز المناعة، مما يجعلها أكثر عرضة للعدوى. يمكن أن يعبر العامل الممرض المشيمة ويصيب الجنين، مما يؤدي غالبًا إلى الإجهاض أو ولادة جنين ميت أو عدوى قاتلة لحديثي الولادة. لذلك يُنصح النساء الحوامل بتجنب استهلاك الجبن الطري واللحوم الباردة المبردة والمأكولات البحرية المدخنة ومنتجات الألبان غير المبسترة. نظرًا لأنه يمكن بسهولة الخلط بين بكتيريا الليستيريا والدفثيرويدات، وهي مجموعة شائعة أخرى من القضبان الإيجابية للجرام، فمن المهم تنبيه المختبر عند الاشتباه في الإصابة بداء الليستريات.

    تعتبر الكائنات الحية التي يتم استردادها من بحيرات القطب الشمالي مثل بحيرة ويلانز من محبي الأمراض النفسية الشديدة (المحبة للبرودة). الكائنات النفسية هي الكائنات الحية الدقيقة التي يمكن أن تنمو عند 0 درجة مئوية أو أقل، ولها درجة حرارة نمو مثالية قريبة من 15 درجة مئوية، وعادة لا تعيش في درجات حرارة أعلى من 20 درجة مئوية، وتوجد في البيئات الباردة بشكل دائم مثل المياه العميقة للمحيطات. نظرًا لأنها نشطة في درجات الحرارة المنخفضة، تعتبر المؤثرات العقلية والمؤثرات العقلية من العوامل المحللة المهمة في المناخات الباردة.

    صورة لفتحة تهوية تتصاعد من الدخان الداكن.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): مدخن أسود في قاع المحيط يجشؤ الماء الساخن الغني بالمواد الكيميائية ويسخن المياه المحيطة. توفر فتحات التهوية البحرية بيئة قاسية تعج بالحياة العيانية (الديدان الأنبوبية الحمراء) التي يدعمها نظام بيئي ميكروبي وفير. (الائتمان: NOAA)

    تسمى الكائنات الحية التي تنمو في درجات حرارة مثالية من 50 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية كحد أقصى بـ Thermophiles («المحبة للحرارة»). لا تتكاثر في درجة حرارة الغرفة. يتم توزيع الحراريات على نطاق واسع في الينابيع الساخنة والتربة الحرارية الأرضية والبيئات التي من صنع الإنسان مثل أكوام سماد الحدائق حيث تقوم الميكروبات بتفكيك بقايا المطبخ والمواد النباتية. تشمل الأمثلة على الثيرموفيلز ثيرموس أكواتيكوس و Geobacillus spp. في أعلى مقياس درجات الحرارة القصوى نجد عوامل فرط الحرارة، والتي تتميز بنمو يتراوح من 80 درجة مئوية إلى 110 درجة مئوية كحد أقصى، مع بعض الأمثلة المتطرفة التي تبقى على قيد الحياة في درجات حرارة أعلى من 121 درجة مئوية، وهي متوسط درجة حرارة الأوتوكلاف. تعتبر الفتحات الحرارية المائية في قاع المحيط مثالًا رئيسيًا على البيئات القاسية، حيث تصل درجات الحرارة إلى 340 درجة مئوية (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تحقق الميكروبات المعزولة من الفتحات نموًا مثاليًا في درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية، ومن الأمثلة الجديرة بالملاحظة البيروبولوس والبيروديكتيوم، وهي الأركيا التي تنمو عند 105 درجة مئوية وتبقى على قيد الحياة بعد التعقيم بالأوتوكلاف. \(\PageIndex{2}\)يوضح الشكل المنحنيات المنحرفة النموذجية للنمو المعتمد على درجة الحرارة لفئات الكائنات الحية الدقيقة التي ناقشناها.

    رسم بياني بدرجة الحرارة (° C) على المحور X ومعدل نمو البكتيريا على المحور Y. يُطلق على منحنى الجرس الأول اسم psychrophile ويبلغ ذروته عند 10 درجات؛ وينخفض إلى 0 عند -5 و20 درجة مئوية. ويُسمى منحنى الجرس التالي ميزوفيل ويبلغ ذروته عند 35 درجة؛ وينخفض إلى 0 عند 15 و45 درجة مئوية. ويُسمى منحنى الجرس التالي بـ Thermophile وهو يبلغ ذروته عند 65 درجة؛ وينخفض إلى 0 عند 45 و80 درجة مئوية. يبلغ ارتفاع الحرارة ذروته عند 90 درجة؛ وينخفض إلى 0 عند 65 و 105 درجة مئوية.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): يوضح الرسم البياني معدل نمو البكتيريا كدالة لدرجة الحرارة. لاحظ أن المنحنيات تميل نحو درجة الحرارة المثلى. يُعتقد أن انحراف منحنى النمو يعكس التمسخ السريع للبروتينات مع ارتفاع درجة الحرارة بعد المستوى الأمثل لنمو الكائنات الحية الدقيقة.

    تثير الحياة في البيئات القاسية أسئلة رائعة حول تكيف الجزيئات الكبيرة وعمليات التمثيل الغذائي. تؤثر درجات الحرارة المنخفضة جدًا على الخلايا بعدة طرق. تفقد الأغشية سيولتها وتتلف بسبب تكوين بلورات الثلج. تتباطأ التفاعلات الكيميائية والانتشار بشكل كبير. تصبح البروتينات صلبة جدًا لتحفيز التفاعلات وقد تخضع للتمسخ. في الطرف المقابل من طيف درجة الحرارة، تؤدي الحرارة إلى تغيير البروتينات والأحماض النووية. زيادة السيولة تضعف عمليات التمثيل الغذائي في الأغشية. بعض التطبيقات العملية للتأثيرات المدمرة للحرارة على الميكروبات هي التعقيم بالبخار والبسترة وحرق حلقات التلقيح. البروتينات في المرضى النفسيين، بشكل عام، غنية بالمخلفات الكارهة للماء، وتظهر زيادة في المرونة، ولديها عدد أقل من روابط التثبيت الثانوية عند مقارنتها بالبروتينات المتجانسة من الميزوفيل. تعتبر البروتينات والمواد المذابة المضادة للتجمد التي تقلل من درجة حرارة تجمد السيتوبلازم شائعة. تميل الدهون في الأغشية إلى أن تكون غير مشبعة لزيادة السيولة. معدلات النمو أبطأ بكثير من تلك التي تمت مواجهتها في درجات الحرارة المعتدلة. في ظل الظروف المناسبة، يمكن لعشاق الميزوفيل وحتى عشاق الحرارة البقاء على قيد الحياة في حالة التجمد. يتم خلط المستنبتات السائلة للبكتيريا بمحلول الجلسرين المعقم وتجميدها حتى درجة حرارة -80 درجة مئوية لتخزينها على المدى الطويل كمخزون. يمكن أن تتحمل المستنبتات التجفيف بالتجميد (التجفيد) ثم يتم تخزينها كمساحيق في أمبولات محكمة الغلق لإعادة تكوينها بالمرق عند الحاجة.

    تُظهر الجزيئات الكبيرة في المثبتات الحرارية وفرط الحرارة بعض الاختلافات الهيكلية الملحوظة عما لوحظ في الميزوفيل. تزداد نسبة الدهون المشبعة إلى الدهون المتعددة غير المشبعة للحد من سيولة أغشية الخلايا. تُظهر تسلسلات الحمض النووي الخاصة بهم نسبة أعلى من القواعد النيتروجينية الغوانين-السيتوزين، والتي يتم تثبيتها معًا بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية على عكس الأدينين والثايمين، والتي ترتبط في اللولب المزدوج برابطين هيدروجينيين. تساهم الروابط الأيونية والتساهمية الثانوية الإضافية، بالإضافة إلى استبدال الأحماض الأمينية الرئيسية لتثبيت الطي، في مقاومة البروتينات للتمسخ. إن ما يسمى بالإنزيمات الحرارية المنقاة من الحراريات لها تطبيقات عملية مهمة. على سبيل المثال، يعتمد تضخيم الأحماض النووية في تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) على الاستقرار الحراري لبوليميراز Taq، وهو إنزيم معزول عن T. aquaticus. تتم إضافة إنزيمات التحلل من المثبتات الحرارية كمكونات في منظفات الماء الساخن، مما يزيد من فعاليتها.

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    1. ما هي متطلبات درجة الحرارة التي تمتلكها معظم مسببات الأمراض البشرية البكتيرية؟
    2. ما هو تكيف الحمض النووي الذي يظهره المثيرون للحرارة؟
    إطعام العالم... والطحالب في العالم

    أصبحت الأسمدة الاصطناعية أداة مهمة في إنتاج الغذاء في جميع أنحاء العالم. إنهم مسؤولون عن العديد من مكاسب ما يسمى بالثورة الخضراء في القرن العشرين، والتي سمحت للكوكب بإطعام العديد من سكانه الذين يزيد عددهم عن 7 مليارات نسمة. توفر الأسمدة الاصطناعية النيتروجين والفوسفور، العناصر الغذائية الرئيسية المقيدة، لنباتات المحاصيل، وتزيل الحواجز العادية التي من شأنها أن تحد من معدل النمو. وبالتالي، تنمو المحاصيل المخصبة بشكل أسرع، وتنتج المزارع التي تستخدم الأسمدة غلة محاصيل أعلى.

    ومع ذلك، فقد ثبت أن الاستخدام المتهور والإفراط في استخدام الأسمدة الاصطناعية لهما آثار سلبية كبيرة على النظم البيئية المائية، سواء في المياه العذبة أو البحرية. تسمح الأسمدة التي يتم استخدامها في أوقات غير مناسبة أو بكميات كبيرة جدًا لمركبات النيتروجين والفوسفور بالهروب من استخدام نباتات المحاصيل والدخول إلى أنظمة الصرف. يمكن أن يساهم الاستخدام غير المناسب للأسمدة في البيئات السكنية أيضًا في الأحمال الغذائية، التي تجد طريقها إلى البحيرات والنظم البيئية البحرية الساحلية. مع ارتفاع درجة حرارة المياه ووفرة العناصر الغذائية، تتفتح الطحالب المجهرية، وغالبًا ما تغير لون الماء بسبب كثافة الخلايا العالية.

    معظم أزهار الطحالب ليست ضارة بشكل مباشر بالبشر أو الحياة البرية؛ ومع ذلك، يمكن أن تسبب ضررًا غير مباشر. مع توسع أعداد الطحالب ثم موتها، فإنها توفر زيادة كبيرة في المواد العضوية للبكتيريا التي تعيش في المياه العميقة. مع هذا الإمداد الكبير من العناصر الغذائية، تنفجر مجموعات الكائنات الحية الدقيقة غير المنتجة للضوء، وتستهلك الأكسجين المتاح وتخلق «مناطق ميتة» حيث اختفت الحياة الحيوانية فعليًا.

    إن نضوب الأكسجين في الماء ليس النتيجة الضارة الوحيدة لبعض أزهار الطحالب. تفرز الطحالب التي تنتج المد الأحمر في خليج المكسيك، Karenia brevis، السموم القوية التي يمكن أن تقتل الأسماك والكائنات الحية الأخرى وتتراكم أيضًا في المحار. يمكن أن يسبب استهلاك المحار الملوث أعراضًا عصبية ومعوية شديدة لدى البشر. يجب مراقبة أحواض المحار بانتظام بحثًا عن وجود السموم، وغالبًا ما يتم إيقاف عمليات الحصاد عند وجودها، مما يؤدي إلى تكبد تكاليف اقتصادية لمصايد الأسماك. تنتج البكتيريا الزرقاء، التي يمكن أن تشكل أزهارًا في النظم البيئية البحرية والمياه العذبة، سمومًا تسمى الميكروسيستينات، والتي يمكن أن تسبب الحساسية وتلف الكبد عند تناولها في مياه الشرب أو أثناء السباحة. أجبرت أزهار الطحالب البكتيرية الزرقاء المتكررة في بحيرة إيري (الشكل\(\PageIndex{3}\)) البلديات على إصدار حظر على مياه الشرب لعدة أيام في كل مرة بسبب مستويات السموم غير المقبولة.

    هذه مجرد عينة صغيرة من العواقب السلبية لتكاثر الطحالب والمد والجزر الأحمر والمناطق الميتة. ومع ذلك، من الصعب الاعتراض على فوائد سماد المحاصيل - السبب الرئيسي لمثل هذه الأزهار -. لا يوجد حل سهل لهذه المعضلة، حيث أن حظر الأسمدة ليس مجديًا سياسيًا أو اقتصاديًا. بدلاً من ذلك، يجب أن ندعو إلى الاستخدام المسؤول والتنظيم في السياقات الزراعية والسكنية، وكذلك استعادة الأراضي الرطبة، التي يمكن أن تمتص الأسمدة الزائدة قبل أن تصل إلى البحيرات والمحيطات.

    صورة جوية للدوامات الخضراء في مياه بحيرة إيري.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): تتسبب الأمطار الغزيرة في جريان الأسمدة إلى بحيرة إيري، مما يؤدي إلى ازدهار الطحالب على نطاق واسع، والتي يمكن ملاحظتها على طول الخط الساحلي. لاحظ الأرض الزراعية غير المزروعة ذات اللون البني والأخضر المزروعة على الشاطئ. (مصدر: وكالة ناسا)
    رابط إلى التعلم

    يناقش هذا الفيديو أزهار الطحالب والمناطق الميتة بمزيد من العمق.

    المفاهيم الأساسية والملخص

    • تزدهر الكائنات الحية الدقيقة في نطاق واسع من درجات الحرارة؛ فقد استعمرت بيئات طبيعية مختلفة وتكيفت مع درجات الحرارة القصوى. تتطلب كل من درجات الحرارة الباردة والساخنة تعديلات تطورية للجزيئات الكبيرة والعمليات البيولوجية.
    • تنمو الكائنات النفسية بشكل أفضل في نطاق درجات الحرارة من 0 إلى 15 درجة مئوية بينما تزدهر المؤثرات العقلية بين 4 درجات مئوية و 25 درجة مئوية.
    • ينمو الميزوفيل بشكل أفضل في درجات حرارة معتدلة تتراوح من 20 درجة مئوية إلى حوالي 45 درجة مئوية، وعادة ما تكون مسببات الأمراض من النوع المتوسط.
    • تتكيف محبة الحرارة وفرط الثرموفيل مع الحياة في درجات حرارة أعلى من 50 درجة مئوية.
    • تتطلب التكيفات مع درجات الحرارة الباردة والساخنة تغييرات في تكوين الدهون الغشائية والبروتينات.