العوامل الفيزيائية التي تؤثر على الحياة الميكروبية

يمكن أن تتضرر الميكروبات أو تموت بفعل عناصر بيئتها الفيزيائية مثل درجة الحرارة أو الإشعاع أو التعرض للمواد الكيميائية؛ ويمكن استغلال هذه التأثيرات في الجهود المبذولة للسيطرة على مسببات الأمراض ، وغالبًا ما يكون ذلك لغرض سلامة الغذاء .

التشعيع هو استخدام أشعة غاما المؤينة المنبعثة من الكوبالت-60 والسيزيوم -137 ، أو الإلكترونات عالية الطاقة والأشعة السينية ، لتعطيل مسببات الأمراض الميكروبية، لا سيما في صناعة الأغذية. تتميز بكتيريا مثل Deinococcus radiodurans بمقاومتها العالية للإشعاع، ولكنها غير ممرضة. ^{[ 1 ]} وقد تم استخلاص ميكروبات نشطة، مثل Corynebacterium aquaticum و Pseudomonas putida و Comamonas acidovorans و Gluconobacter cerinus و Micrococcus diversus و Rhodococcus rhodochrous ، من أحواض تخزين الوقود النووي المستهلك في مختبر أيداهو الوطني للهندسة والبيئة (INEEL). ثم عُرِّضت هذه الميكروبات لجرعات إشعاعية مضبوطة. نجت جميع الأنواع من جرعات الإشعاع المنخفضة مع أضرار طفيفة، بينما نجت الأنواع موجبة الغرام فقط من جرعات أعلى بكثير. تحتوي جراثيم البكتيريا موجبة الجرام على بروتينات تخزين ترتبط بإحكام بالحمض النووي، وربما تعمل كحاجز وقائي ضد أضرار الإشعاع.

يقتل الإشعاع المؤين الخلايا بشكل غير مباشر عن طريق تكوين جذور حرة نشطة . يمكن لهذه الجذور الحرة أن تُغير كيميائيًا الجزيئات الكبيرة الحساسة في الخلية، مما يؤدي إلى تعطيلها. تتأثر معظم جزيئات الخلية الكبيرة بالإشعاع المؤين، ولكن تلف جزيء الحمض النووي (DNA) هو السبب الأكثر شيوعًا لموت الخلية، لأن الحمض النووي غالبًا ما يحتوي على نسخة واحدة فقط من جيناته؛ أما البروتينات، من ناحية أخرى، فغالبًا ما تحتوي على عدة نسخ، لذا فإن تلف إحداها لا يؤدي إلى موت الخلية، وفي جميع الأحوال، يمكن إعادة تصنيعها دائمًا بشرط أن يظل الحمض النووي سليمًا. ^{[ 2 ] [ 3 ]} استُخدمت الأشعة فوق البنفسجية كمبيد للجراثيم في كل من الصناعة والطب لأكثر من قرن (انظر: التشعيع الجرثومي بالأشعة فوق البنفسجية ). يؤدي استخدام الأشعة فوق البنفسجية إلى تعطيل البكتيريا وتحفيز الطفرات. وجدت دراسة حالة لمجموعة من بكتيريا الإشريكية القولونية المُشععة عددًا متزايدًا من الطفرات المقاومة للعاثيات البكتيرية التي حثها الضوء. ^{[ 4 ]}

اكتشف كارل ناغيلي ، عالم النبات السويسري، عام 1893 أن أيونات المعادن المختلفة وسبائكها، مثل الفضة والنحاس، وكذلك الزئبق والحديد والرصاص والزنك والبزموت والذهب والألومنيوم وغيرها، لها تأثير سام على الحياة الميكروبية من خلال تعطيل إنزيماتها وبالتالي تعطيل عمليات الأيض لديها. ويكون هذا التأثير ضئيلاً في الفيروسات لأنها غير نشطة أيضياً. ^{[ 5 ]}

تؤدي نبضات المجال الكهربائي القوية المطبقة على الخلايا إلى تكوين ثقوب في أغشيتها ( التحفيز الكهربائي )، مما يزيد من نفاذية الغشاء ويؤدي بالتالي إلى هجرة غير مرغوب فيها للمواد الكيميائية بالنسبة للخلية. قد تؤدي النبضات منخفضة الشدة إلى زيادة إنتاج المستقلبات الثانوية وتراكم المقاومة. يُعدّ العلاج بالمجال الكهربائي النبضي عملية مناسبة لتعطيل الميكروبات في الأحماض وغيرها من الأوساط الحساسة للحرارة، ولكنه ينطوي على مخاطر كامنة لظهور المقاومة بسبب عدم اكتمال التدمير. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

أظهرت دراسة أجريت عام 2004 أن بكتيريا الإشريكية القولونية حساسة للمجالات المغناطيسية النبضية ، حيث تبلغ نسبة بقائها على قيد الحياة 1 من 10000. وكما هو الحال مع المجال الكهربائي النبضي، تصبح جدران الخلايا مسامية، مما يؤدي إلى موتها. وتتعطل إنزيمات مثل اللاكتوبيروكسيداز والليباز والكاتالاز بسهولة ، وإن بدرجات متفاوتة من الحساسية. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وركزت دراسة أجريت عام 2010 على تأثيرات المجال المغناطيسي النبضي على بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية . ^{[ 10 ]}

حتى وقت قريب، كانت أنظمة الموجات فوق الصوتية تُستخدم في التنظيف والقطع ^{[ 11 ]} ولحام البلاستيك، وفي العلاج الطبي. تُعدّ الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة أداةً مفيدةً ومتعددة الاستخدامات. تُولّد الموجات فوق الصوتية فقاعات تجويف داخل سائل أو معلق عن طريق تحفيز اهتزاز جزيئات السائل. تُسجّل درجات حرارة تصل إلى 5000 كلفن وضغوط تصل إلى 2000 ضغط جوي بشكل روتيني في هذه الفقاعات. يمكن إنتاج التجويف باستخدام ترددات من النطاق المسموع حتى 2  ميجاهرتز، ويكون التردد الأمثل حوالي 20  كيلوهرتز. يتطلب توليد الموجات فوق الصوتية وسطًا سائلًا ومصدرًا للموجات فوق الصوتية، عادةً ما يكون من محول طاقة كهرضغطية أو مغناطيسية انضغاطية . تُستخدم هذه العملية للقضاء على بكتيريا الإشريكية القولونية ، والسالمونيلا ، والأسكاريس ، والجيارديا ، وأكياس الكريبتوسبوريديوم ، والبكتيريا الزرقاء ، وفيروس شلل الأطفال . كما أنها قادرة على تحليل المبيدات العضوية . ^{[ 12 ]}

تتراوح الترددات المستخدمة في التصوير بالموجات فوق الصوتية التشخيصية عادةً بين 2 و18  ميجاهرتز، ولا يزال هناك غموض حول مدى الضرر الخلوي أو الآثار طويلة المدى لفحوصات الجنين. (انظر: التصوير الطبي بالموجات فوق الصوتية )

استُخدم تجميد الطعام للحفاظ على جودته منذ القدم. تحدّ درجات حرارة التجميد من تأثير الكائنات الدقيقة المُفسدة في الطعام، ولكنها قد تحافظ أيضًا على بعض مسببات الأمراض سليمة لفترات طويلة. يقتل التجميد بعض الكائنات الدقيقة عن طريق الصدمة الفيزيائية، بينما يُصاب البعض الآخر بضرر غير مميت نتيجة التجميد، وقد يتعافى ليصبح مُعديًا. ^{[ 13 ]}

يُظهر الشراب والعسل والمحلول الملحي والكحول ومحاليل السكر أو الملح المركزة تأثيرًا مضادًا للبكتيريا نتيجةً للضغط الأسموزي. وللشراب والعسل تاريخ طويل في الاستخدام كعلاج موضعي للجروح السطحية والعميقة. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

تعمل مركبات دخان الخشب كمواد حافظة للأغذية. يُعد الفينول والمركبات الفينولية الموجودة في دخان الخشب مضادات للأكسدة ومضادات للميكروبات، مما يُبطئ نمو البكتيريا. تشمل مضادات الميكروبات الأخرى الموجودة في دخان الخشب الفورمالديهايد وحمض الخليك وأحماض عضوية أخرى، مما يُعطي دخان الخشب درجة حموضة منخفضة تبلغ حوالي 2.5. بعض هذه المركبات سامة للإنسان أيضًا، وقد يكون لها آثار صحية عند تناولها بكميات كبيرة كما في الطهي.

تعاني الكائنات الدقيقة من انخفاض في قدرتها على البقاء عند تعرضها للأوزون، مما يُضعف سلامة جدران خلاياها. وتُعد البكتيريا سالبة الغرام أكثر عرضةً لتأثير الأوزون من البكتيريا موجبة الغرام. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

(انظر: المعالجة الحرارية والبسترة) تقضي درجات الحرارة المرتفعة على الفيروسات والخلايا النباتية النشطة التي تقوم بعمليات الأيض. وتتضرر الجزيئات العضوية، مثل البروتينات والكربوهيدرات والدهون والأحماض النووية ، بالإضافة إلى جدران الخلايا وأغشيتها ، والتي تلعب جميعها أدوارًا مهمة في استقلاب الخلية، بفعل الحرارة الزائدة. يُسخّن الطعام المُعدّ للاستهلاك البشري بشكل روتيني عن طريق الخبز والسلق والقلي إلى درجات حرارة تقضي على معظم مسببات الأمراض. غالبًا ما تُسبب العمليات الحرارية تغييرات غير مرغوب فيها في قوام الأطعمة ومظهرها وقيمتها الغذائية. ^{[ 18 ]} تُنتج أجهزة التعقيم بالبخار (الأوتوكلاف) بخارًا بدرجة حرارة أعلى من درجة الغليان، وتُستخدم لتعقيم الأواني الزجاجية المخبرية والأدوات الجراحية، وفي صناعة متنامية، النفايات الطبية . يكمن الخطر الكامن في استخدام درجات حرارة عالية للقضاء على الميكروبات في عدم اكتمال تدميرها بسبب إجراءات غير كافية، مما يُؤدي إلى خطر إنتاج مسببات أمراض مقاومة للحرارة.

(انظر المعالجة بالضغط العالي ) يعمل الماء تحت ضغط هيدروستاتيكي عالٍ جدًا يصل إلى 700 ميجا باسكال (100,000 رطل لكل بوصة مربعة) على تعطيل مسببات الأمراض مثل الليستيريا والإشريكية القولونية والسالمونيلا . تُفضل المعالجة بالضغط العالي (HPP) على المعالجة الحرارية في صناعة الأغذية لأنها تمنع تغيرات جودة الأطعمة الناتجة عن التحلل الحراري، مما ينتج عنه طعم وملمس ومظهر وقيمة غذائية أفضل. تتم المعالجة بسهولة في درجة حرارة الغرفة أو في الثلاجة. ^{[ 19 ]}

إن مسألة ما إذا كان الضغط يشكل عائقًا أمام الحياة (الميكروبية) تُخالف بشكلٍ مُثير للدهشة ما كان يُفترض لفترة طويلة. أجرى أنوراغ شارما، عالم الكيمياء الجيولوجية، وجيمس سكوت، عالم الأحياء الدقيقة، وآخرون في مؤسسة كارنيجي في واشنطن تجربةً باستخدام خلية سندان الماس، واستخدموا "ملاحظات مباشرة" على النشاط الميكروبي عند ضغوط تتجاوز 1.0 جيجا باسكال. ^{[ 20 ]}

كان هدفهم اختبار الميكروبات واكتشاف مستوى الضغط الذي يمكنها عنده القيام بالعمليات الحيوية. أُجريت التجارب تحت ضغط يصل إلى 1.6 جيجا باسكال، أي ما يزيد عن 16000 ضعف ضغط سطح الأرض (985 هكتوباسكال). بدأت التجربة بوضع محلول من البكتيريا، وتحديدًا الإشريكية القولونية وشيوانيلا أونيدنسيس ، في غشاء رقيق ووضعه في خلية الضغط الماسي. ثم رُفع الضغط إلى 1.6 جيجا باسكال. عند رفع الضغط إلى هذا المستوى والحفاظ عليه لمدة 30 ساعة، نجا ما لا يقل عن 1% من البكتيريا. بعد ذلك، أضاف الباحثون صبغة إلى المحلول وراقبوا أيضًا استقلاب الفورمات باستخدام مطيافية رامان في الموقع. إذا نجت الخلايا من الضغط وكانت قادرة على القيام بالعمليات الحيوية، وتحديدًا تحليل الفورمات، فإن الصبغة ستصبح شفافة. يُعد ضغط 1.6 جيجا باسكال ضغطًا هائلاً لدرجة أن خلية الضغط الماسي حوّلت المحلول خلال التجربة إلى جليد من النوع الرابع، وهو جليد بدرجة حرارة الغرفة. عندما قامت البكتيريا بتحليل الفورمات الموجود في الجليد، تشكلت جيوب سائلة نتيجة للتفاعل الكيميائي. كما تمكنت البكتيريا من الالتصاق بسطح جهاز امتصاص الأمونيا بواسطة ذيولها. ^{[ 21 ]}

سُجِّلَت بعض الشكوك حول هذه التجربة الرائدة. فبحسب آرت يايانوس، عالم المحيطات في معهد سكريبس لعلوم المحيطات في لا جولا، كاليفورنيا، لا يُعتبر الكائن حيًا إلا إذا كان قادرًا على التكاثر. ومن المشكلات الأخرى في تجربة DAC أنه عند حدوث ضغوط عالية، عادةً ما تكون هناك درجات حرارة عالية أيضًا، ولكن لم يحدث ذلك في هذه التجربة. فقد أُجريت هذه التجربة في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، فإن غياب درجات الحرارة العالية عمدًا في التجارب عزل التأثيرات الفعلية للضغط على الحياة، وأشارت النتائج بوضوح إلى أن الحياة غير حساسة للضغط إلى حد كبير. ^{[ 21 ]}

أظهرت نتائج حديثة من مجموعات بحثية مستقلة ^{[ 22 ]} صحة دراسة شارما وآخرون (2002). ^{[ 20 ]} تُعد هذه خطوة هامة تؤكد الحاجة إلى منهج جديد لمعالجة مشكلة قديمة تتمثل في دراسة الظروف البيئية القاسية من خلال التجارب. لا جدال يُذكر حول قدرة الكائنات الحية الدقيقة على البقاء تحت ضغوط تصل إلى 600 ميجا باسكال، وهو ما أثبتته العديد من الدراسات المنشورة خلال العقد الماضي. ^{[ 20 ]} تكمن أهمية منهج دراسة شارما وآخرون (2002) في سهولة رصد الأنظمة في ظروف قاسية ظلت بعيدة المنال تقنيًا. ورغم بساطة التجربة ودقتها، فإن نتائجها متوقعة وتتوافق مع معظم النماذج الفيزيائية الحيوية. يُرسي هذا المنهج المبتكر أساسًا لأبحاث مستقبلية في علم الأحياء الدقيقة في ظروف غير طبيعية، ليس فقط من خلال توفير أساس علمي، بل أيضًا من خلال توفير الإمكانات التقنية اللازمة لأبحاث مستقبلية في علم الأحياء غير الطبيعي والأنظمة العضوية.

قد تتضرر أسطح الخلايا البكتيرية بفعل قوى التسارع التي يتم الحصول عليها في أجهزة الطرد المركزي . ^{[ 23 ]} تصل أجهزة الطرد المركزي المختبرية بشكل روتيني إلى قوة تتراوح بين 5000 و15000 ضعف قوة الجاذبية الأرضية ، وهي عملية غالباً ما تقتل جزءاً كبيراً من الميكروبات، خاصةً إذا كانت في مرحلة النمو الأسي . ^{[ 24 ]}

• مقاومة الأدوية
• حفظ الأغذية

• المصادر العلمية والتشريعات - معدات التدخل البدني