Presiunea hidrostatica

Presiunea hidrostatica

In mari si oceane, presiunea hidrostatica are valori diferite, in functie de adancime si atinge valori foarte inalte in zonele abisale. La fiecare l0 m adancime, presiunea hidrostatica creste cu circa o atmosfera, corespunzatoare coloanei de apa.

Microorganismele care cresc la presiuni hidrostatice mari sunt barotolerante si respectiv barofile.

Unele suporta (adica cresc si se divid) diferente mari de presiune (l-l600 atm) si se numesc euribare, iar cele care se dezvolta in limite restranse ale variatiei presiunii hidrostatice sunt stenobare.

Sub actiunea presiunii hidrostatice mari, la E. coli se produce intarzierea cresterii, precum si modificari morfologice ale celulelor ce constau in aparitia celulelor filamentoase.

O specie izolata din adancurile abisale (11 034 m) - Pseudomonas bathycetes creste la 3^o si la l000 atm, cu durata unei generatii celulare calculata la 33 de zile.

Cresterea presiunii hidrostatice si scaderea temperaturii produc modificari asemanatoare ale lipidelor membranare. Ambii factori maresc vascozitatea lipidelor membranare si produc astfel o tranzitie de la starea fluida - lichid cristalina - la faza mai solida, cea de gel.

In compozitia lipidelor membranare, la bacteriile barofile creste cantitatea de acizi grasi nesaturati, ceea ce pare sa conditioneze mentinerea unei fluiditati membranare compatibila cu functiile sale, contracarand efectele presiunii hidrostatice inalte.

Energia radianta

Radiatiile electromagnetice au un spectru larg al lungimii de unda si include radiatiile herziene (undele radio), infrarosii, ale spectrului vizibil, ultraviolete (UV), X si gama. Ele sunt fenomene ondulatorii si fascicule discontinue de mici cuante de energie. Iradierea reprezinta propagarea orientata a unui fascicul de cuante de energie asupra unui material, iar efectele asupra acestuia sunt consecinta absorbtiei energiei radiatiilor si depind de energia cuantei si de natura materialului absorbant.

Radiatiile herziene, ca si cele infrarosii, cu lungime de unda mare (lambda, mai mare de l2 000 A^o) au un potential energetic atat de scazut, incat nu produc modificari chimice ale substantelor de care sunt absorbite si de aceea, energia lor este convertita integral si imediat in caldura.

Radiatiile cu lungimea de unda cuprinsa intre l2 000 A^o (infrarosu apropiat) si 2000 A^o (ultraviolet indepartat) au un potential energetic suficient de mare pentru a produce modificari fotochimice ale moleculelor de care sunt absorbite.

Radiatiile cu lungimea de unda mai mica de 2000 A^o (radiatiile X, gama si cosmice) au un potential energetic atat de mare incat produc ionizarea moleculelor pe care le intalnesc, de unde si denumirea lor de radiatii ionizante.

Efectele biologice ale radiatiilor depind de lungimea lor de unda si de cantitatea totala de energie incidenta (doza de iradiere). In functie de acesti doi factori, iradierea poate avea doua efecte distincte asupra celulelor:

efectul letal intr-o dinamica logaritmica, adica in fiecare interval succesiv de timp, celulele mor intr-o proportie care ramane constanta;

efectul mutagen, care consta in modificarea unor caractere genotipice a unei parti din celulele expuse si se manifesta prin aparitia la aceste celule, a unor insusiri fenotipice noi: rezistenta la infectia cu un bacteriofag, dobandirea sau pierderea capacitatii de a sintetiza un anumit metabolit etc.

Deinococcus radiodurans este o bacterie recunoscuta pentru rezistenta sa la radiatia ionizanta. Unul dintre factorii rezistentei este probabil, peretele celular, in structura caruia s-au identificat 6 straturi. Desi structural apartine celulelor Gram negative, adeseori se coloreaza Gram pozitiv. La nivel inalt de iradiere (1,75 megarazi), mecanismele reparatorii ale ADN la D. radiodurans (prin excizie, reparare prin recombinare) sunt foarte eficiente: celulele reconstituie genomul din 1000-2000 fragmente rezultate prin ruperi dublu catenare, spre deosebire de E. coli care isi restabileste genomul din 10-15 fragmente cu ruperi dublu catenare. Se sintetizeaza Rec A, EFTu si Kat A.

Radiatiile luminoase actioneaza asupra celulelor prin intermediul unor reactii fotochimice cu constituientii celulari. Cele mai studiate sunt reactiile implicate in procesul de fotosinteza si in fenomenele de fototaxie, intalnite la microorganismele fototrofe (bacterii, cianobacterii, alge).

Lumina solara directa este bactericida, probabil datorita nu atat actiunii radiatiilor UV, cat mai ales incalzirii sub efectul deshidratarii consecutive a celulelor expuse: desi soarele este o sursa puternica de raze UV, stratul de ozon din patura superioara a atmosferei absoarbe majoritatea radiatiilor cu o lungime de unda mai mica de 2900 A^o. In plus, lumina vizibila exercita si efecte cu caracter mai specific, indiferent de componenta calorica sau ultravioleta a luminii solare, dintre care unele sunt insa conditionate de o iradiere ultravioleta concomitenta sau prealabila.

l) Fotosensibilizarea reprezinta fenomenul de intensificare a efectului biologic al radiatiilor luminoase, ca urmare a prezentei in mediul extracelular, a unor substante inactive la intuneric, care se activeaza in prezenta luminii. De exemplu, in prezenta unor coloranti fluorescenti (albastru de metilen, rosu bengal), lumina vizibila puternica denatureaza proteinele si astfel omoara celulele bacteriene si inactiveaza virusurile. Acesti coloranti retin un timp mai indelungat o cuanta absorbita, timp in care energia este transferata altei molecule, in loc sa fie emisa ca fluorescenta. Transferul de energie determina reducerea unor aminoacizi (histidina, triptofan) si a bazelor azotate din acizii nucleici.

2) Fotoprotectia constituie rezultatul biologic al actiunii antagoniste a radiatiei luminoase fata de efectele unei iradieri simultane cu ultraviolete. Modificarile celulare caracteristice pentru iradierea cu UV sunt atenuate sau chiar prevenite printr-o expunere concomitenta la radiatiile din spectrul luminii vizibile.

3) Fotoreactivarea este procesul de restaurare, de revenire la normal unor celule expuse prealabil la radiatii UV, realizat sub actiunea luminii vizibile, care este capabila sa "repare" alterarile celulare, consecutive iradierii cu UV. Dintr-o populatie bacteriana iradiata letal cu UV, un numar de celule "reinvie" dupa expunerea la lumina, in urmatoarele trei ore.

Radiatiile ultraviolete au actiune inhibitorie neta asupra cresterii microorganismelor. Efectul lor depinde si de durata iradierii. Dozele mici, de scurta durata au efect mutagen si de inductie litica a celulelor lizogene sau blocarea temporara a multiplicarii celulare. Dozele mari produc modificari profunde, ireversibile, cu efect letal. Radiatiile UV, cu lungimea de unda cuprinsa intre 2300 si 2800 A^o sunt cele mai active din punct de vedere biologic. Efectul letal maxim il au radiatiile cu lungimea de unda de 2600 A^o (2537 A^o), corespunzator spectrului maxim de absorbtie a UV de catre ADN. Purinele si pirimidinele din acizii nucleici absorb radiatiile de 2600 A^o, iar inelele aromatice ale triptofanului, tirozinei si fenilalaninei din proteine, pe cele cu lungimea de unda de 2800 A^o.

Radiatiile UV produc modificari ale moleculei de ADN, ce constau in formarea dimerilor de timina, intre resturile adiacente situate pe aceiasi catena, sau pe cele doua catene. Consecinta este oprirea procesului de replicare sau alterarea secventei bazelor in catena nou sintetizata. Restul aparatului celular ramane functional, astfel incat, iradierea celulelor, urmata de infectia fagica, restrange sinteza ARNm si a proteinelor, la cele codificate de fag.

Cele mai multe alterari celulare induse de radiatiile UV pot fi reparate, daca microorganismele si virusurile sunt expuse actiunii luminii cu lungime de unda mai mare, fenomen denumit fotoreactivare (reparare sub actiunea luminii). Din aceasta cauza, eficienta sterilizarii cu raze UV este foarte mica.

Radiatiile UV sunt emise de lampi cu vapori de Hg la presiune mica (peste 90% din radiatii au lungimea de unda de 2540 A^o) si sunt folosite pentru diminuarea contaminarii aeriene din diferite incinte.

Radiatiile UV penetreaza foarte pttin prin corpurile solide, astfel ca o pelicula fina de grasime pe sursa emitatoare poate reduce mult efectul letal. Cele mai multe tipuri de sticla si materiale plastice absorb extensiv lumina UV. Sterilizarea are loc numai la doze inalte de iradiere.

Lumina UV poate cauza leziuni ale pielii si retinei si favorizeaza aparitia cancerului tegumentar.

Faza de crestere a microorganismelor influenteaza eficacitatea iradierii cu UV. Celulele care cresc si se multiplica sunt cele mai sensibile, iar endosporii sunt rezistenti.

Lumina solara are efect letal asupra microorganismelor, datorita componentei UV, dar si pentru ca induce procesul de fotooxidare.

In procesul fotoxidarii, energia luminoasa cu lungimea de unda mai mare decat a radiatiei UV este absorbita de pigmenti sau de alti compusi chimici ai celulei si determina oxidarea letala a unor molecule de importanta vitala. Procesul are loc numai in prezenta O₂ atmosferic. Lumina solara poate inactiva prin fotooxidare, chiar sporii de B. anthracis, dupa expunere prelungita. In contrast, efectul letal produs de UV nu necesita prezenta O₂.

In celula vegetativa se activeaza mecanisme de reparare a leziunilor induse de UV:

fotoreactivarea este procesul in cursul caruia, in celulele iradiate cu UV si expuse razelor de lumina cu lungimea de unda mai mica de 500 nm se induc enzimele de fotoreactivare, ce monomerizeaza dimerii de timina si o mare proportie din celulele iradiate raman viabile;

excizia secvetelor dimerice si a nucleotidelor invecinate. Procesul este catalizat de o endonucleaza care incizeaza ADN, o exonucleaza care excizeaza secventa, o ADN-polimeraza care repara secventa prin incoporarea corecta a bazelor si o ADN-ligaza, care reuneste cele doua capete ale catenei reparate;

repararea la intuneric prin recombinare postreplicativa. Replicarea ADN progreseaza pana ajunge la un dimer neexcizat. Pe catena opusa dimerului este lasata o discontinuitate si replicarea este reluata la un nou situs de initiere, situat cu 80-l000 de baze in aval. Asemenea discontinuitati apar pe ambele catene nou sintetizate, deoarece dimerii de T se gasesc pe ambele catene parentale. Discontinuitatile vor fi reparate prin insertia recombinatoriala a ADN parental din catena opusa.

Radiatiile corpusculare (α, β, protonii), ca si radiatiile electromagnetice si x sunt ionizante. Radiatiile α sunt atomi de He, cu forta scazuta de penetratie si nu se folosesc pentru sterilizare. Radiatiile β sunt electroni cu viteza inalta. Razele si x au lungimi de unda foarte mici si sunt generate de surse radioactive (Co^6o) si electronii accelerati sunt sursele principale de radiatii ionizante. Unitatea de radiatie folosita in microbiologie a fost radul, care cuantifica energia absorbita din radiatia ionizanta, de materia prin care trece radiatia. Unitatea de masura mai moderna a radiatiei este gray (Gy), definita ca un aport de 1 J Kg^-1 energie in tesut. 1 Gy = l00 razi.

Cel mai rezistent organism la radiatiile ionizante este Deinococcus radiodurans.

Radiatiile ionizante scot electronii din atomii prin care trec. Toate schimbarile chimice ce au loc in celula bacteriana se datoreaza electronilor mobilizati, care initiaza un lant de reactii chimice. Ionizarea se produce mai intai in apa din citosol si rezulta radicali foarte reactivi cu viata scurta: OH^. si H⁺. Se genereaza astfel coloanele de ionizare, prin deplasarea in cascada a electronilor de pe orbitele lor, care determina alterarea sau distrugerea unor molecule esentiale pentru celula. Se produc ruperi monocatenare sau dublu catenare ale moleculei de ADN si stoparea sintezelor si diviziunii celulare.

Datorita efectului lor specific, aceste radiatii sunt denumite generic ca ionizante, spre deosebire de alte radiatii (de exemplu, UV) care nu transforma atomul in ion, deoarece nu pot sa-i smulga un electron, ci determina numai "excitarea" atomului, adica trecerea lui la un nivel energetic superior, prin deplasarea unui electron satelit pe o orbita mai indepartata de nucleul atomic.

Razele x sunt cele mai active, in special cele "moi", cu un intens efect bactericid. Dozele neletale opresc diviziunea si produc modificari de ordin morfologic si fiziologic.

Razele x "tari", ca si razele α si β, mai penetrante, deci mai putin absorbite, au un efect antimicrobian mai atenuat.

Radiatiile β si x se folosesc pentru sterilizarea conservelor alimentare, desi le confera un miros particular, care poate fi numai partial indepartat. De asemenea, ele sunt folosite pentru inactivarea vaccinurilor, avand avantajul ca nu modifica structura chimica si antigenica a produsului tratat. Rezistenta la iradiere este mult mai mare la microorganisme decat la mamifere. Astfel, in timp ce doza mortala pentru om este de circa 500 r, pentru E. coli este de l0 000 r, pentru levuri este 30 000 r, iar pentru Paramecium, de 300 000 r. S-au izolat bacterii viabile din apa de racire a unei pile atomice, care primise l00 milioane r, intr-un interval de 8 ore.

Starea ADN in celula este importanta in raport cu sensibilitatea la iradiere. Sporii sunt mai rezistenti decat celulele vegetative, deoarece, probabil contin substante radioprotectoare, invelisul sporal pare a fi protector, iar ADN sporal se gaseste intr-o stare mai rezistenta la rupere.

Unele microorganisme au o rezistenta deosebita la radiatia ionizanta si la UV, deoarece poseda enzime capabile sa repare avaria ADN. Mecanismele reparatorii s-au studiat la D. radiodurans si la E. coli, la care functioneaza mecanisme rapide de recombinare reparatorie, codificate de gene rec multiple (A, B, C).

Actiunea laserului

Laserul este un fascicul foarte concentrat de cuante luminoase sau fotoni, generat de obicei in interiorul unui cristal de rubin (cristal de oxid de aluminiu, in care sunt dispersati atomi de crom), ca urmare a excitatiei atomilor de crom din cristal, podusa prin modificarea starii energetice sub actiunea luminii emise de o lampa cu xenon (blitzul fotografilor).

Denumirea de laser vine de la initialele cuvintelor engleze care il definesc: light amplification by stimulated emission of radiation (amplificarea luminii prin emisie stimulata de radiatii).

Spre deosebire de o sursa de lumina de tipul becului electric (cu lumina incandescenta), care emite lumina "incoerenta" sub forma de radiatii "dispersate" si de numeroae lungimi de unda diferite, laserul emite o lumina "coerenta", sub forma unui fascicul de radiatii foarte apropiate intre ele, cu o lungime de unda practic uniforma, cuprinsa intre 3000 si 9000 A^o. Datorita proprietatilor sale particulare, laserul poate actiona extrem de intens si foarte localizat, concentrand o cantitate enorma de energie, pe o suprafata infima, strict circumscrisa. Aplicat asupra microorganismelor, laserul determina distrugerea lor instantanee si de aceea poate fi folosit pentru sterilizarea unor medii care se degradeaza prin expunere la temperaturi ridicate.