2. Вплив рН

Несприятливий показник рН впливає на живу мікробну клітину, щонайменше, із двох сторін: на функціонування її ферментів і транспорт поживних речовин у клітину. Цитоплазматична мембрана мікроорганізмів відносно проникна для іонів Н⁺ і ОН^─. Їхня концентрація в цитоплазмі із цієї причини, імовірно, залишається досить постійною, незважаючи на широкий діапазон значень рН, які можуть мати місце в навколишньому середовищі. Було виявлено, що внутрішньоклітинний рівень рН клітин хлібних дріжджів, що перебувають у спокої, становив 5,8. Хоча відзначено, що під час ферментації глюкози значення рН зовнішнього середовища було більш кислим, ніж внутрішньоклітинний рівень рН, що залишався більш лужним. З іншої сторони, інші дослідники не підтримали тієї думки, що рН клітин дріжджів залишається постійним при різних рівнях рН навколишнього середовища. Виявляється, що внутрішній рН майже всіх клітин близький до нейтрального. Бактерії, такі як Sulfolobus й Methanococcus, можуть бути виключенням, однак, коли мікроорганізми розміщуються в навколишнє середовище з рівнем рН нижче або близьким до нейтрального, їхня здатність до проліферації залежить від здатності доводити показник рН навколишнього середовища до більш оптимального для них значення або діапазону. Коли клітини розміщуються в кислому середовищі, вони повинні або перешкоджати проникненню іонів Н⁺ або видаляти іони Н⁺ також швидко, як вони проникають. Такі ключові клітинні компоненти, як ДНК й АТФ, мають потребу в нейтральному середовищі. Коли більшість мікроорганізмів росте в кислому середовищі, їх метаболічна активність призводить до того, що в середовищі або в субстраті концентрація іонів Н⁺ стає менше, тоді як ті, що ростуть у середовищі з більш високим рівнем рН, прагнуть його знизити. Амінокислотні декарбоксилази, які мають оптимальну активність при значенні показника рН близько 4,0, і більшість із них не активні при рН 5,5, викликають мимовільне регулювання рН середовища в нейтральну сторону, коли клітини вирощуються в кислому діапазоні. Бактерії, такі як Clostridium acetobutylicum, підвищують рівень рН субстрату за допомогою відновлення масляної кислоти до бутанола, тоді як клітини Enterobacter aerogenes роблять ацетоїн з піровиноградної кислоти, підвищуючи показник рН середовища перебування. При декарбоксилюванні амінокислот ріст показника рН має місце за рахунок амінів, що утворюються. Коли культивування проводиться в лужному діапазоні, група амінокислотних дезаміназ, що мають оптимальну активність при значенні рН близько 8,0, служить причиною спонтанного регулювання рН у нейтральну сторону в результаті акумулювання органічних кислот.

Що стосується транспорту поживних речовин, бактеріальні клітини мають залишковий негативний заряд. Із цієї причини неіонізовані компоненти можуть проникати в клітину, тоді як іонізовані компоненти не можуть. При нейтральному або лужному рН органічні кислоти не проникають, тоді, як при кислих значеннях рН ці компоненти не іонізовані й можуть надходити в негативно заряджену клітину. Також іонний характер бічних ланцюгів іонізованих груп має значення при будь-якому показнику рН, відмінному від нейтрального, і може призводити до збільшення денатурації мембран і транспортних ферментів.

У мікроорганізмів серед інших наслідків, які викликаються несприятливим рН, можна відзначити взаємодію між Н⁺ і ферментами цитоплазматичної мембрани. Морфологія деяких мікроорганізмів може бути викликана значенням показника рН. Так наприклад, було відзначено, що довжина гіфPenicillium chrysogenum зменшувалася, коли вони культивувалися в безперервній культурі, де значення рН зросло вище 6,0. Пелети міцелію краще, ніж вільні гіфи, формувалися при рН 6,7. Позаклітинні іони Н⁺ і К⁺ можуть конкурувати, так наприклад, останній стимулює ферментацію, у той час як перший її придушує. При дослідженні метаболізму глюкози клітинами дріжджів у кислому середовищі він помітно стимулювався іонами К⁺. Глюкоза споживалася на 83% швидше в присутності іонів К⁺ в анаеробних умовах і на 69% більше в аеробних умовах.

Інші фактори навколишнього середовища теж взаємодіють із показником рН. Що стосується температури, значення рН субстрату стає більш кислим при підвищенні температури. Концентрація солі має певний вплив на інтенсивність росту кривої рН, як показано на рисунку 14, де можна побачити, що додавання 0,2 М NaCl розширило діапазон значень рН росту для Alcaligenes faecalis. Подібний результат був відзначений для Escherichia coli цими ж дослідниками. Коли вміст солі перевищує цей оптимальний рівень, діапазон значень рН росту звужується. Несприятливий рівень рН робить клітини більш чутливими до дії токсичних речовин різної природи, при цьому молоді клітини більш сприйнятливі до змін показника рН, ніж більш старі або "дрімаючі" клітини.

Коли мікроорганізми вирощуються при значеннях рН, відмінних від оптимальних (більш кислих або більш лужних), відбувається пролонгування лаг-фази. Збільшена лаг-фаза, як варто очікувати, буде більш тривалою у випадку сильно забуференого субстрату на відміну від субстрату, що має невелику буферну ємність. Інакше кажучи, тривалість лаг-фази відбиває час, необхідний для організмів, щоб довести зовнішнє навколишнє середовище до діапазону їхнього оптимального значення рН росту. Аналізи речовин, які відповідальні за несприятливий рН, необхідні не тільки для визначення швидкості наступного росту, але також і для визначення мінімального значення рН, при якому почне рости сальмонела. Було виявлено, що мінімальний рівень рН дорівнює 4,05 при використанні соляної й лимонної кислот, але дорівнює 5,4 й 5,5, коли застосовувалися оцтова та пропіонова кислоти, відповідно. Цей факт, безсумнівно, відбиває здатність організмів як міняти умови свого навколишнього середовища вбік найбільш сприятливих значень у випадку із соляною й лимонною кислотами, так і протистояти іншим протестованим кислотам. Також можливо, що беруть участь й інших факторів, крім показника рН, при впливах, що змінюються, органічних кислот як інгібітори росту. Для додаткової інформації зі значень показника рН і кислотності.