สภาพแวดล้อมที่มีผลต่อการเจริญของจุลินทรีย์ : อุณหภูมิ, ก๊าซ

นอกจากองค์ประกอบของสารอาหารที่ใช้เลี้ยงจุลินทรีย์แล้ว สภาพแวดล้อมต่างๆ ก็มีผลต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ด้วย สภาพแวดล้อม ได้แก่

1. อุณหภูมิ (Temperature)

จุลินทรีย์แต่ละชนิดต้องการช่วงอุณหภูมิในการเจริญแตกต่างกันไป เช่น Minimum temperature: อุณหภูมิต่ำสุดที่จุลินทรีย์เจริญได้ มีการแบ่งตัวน้อยมากและดำเนินกิจกรรมทางด้านเมตาบอลิซึมต่อไปได้ Optimum temperature: อุณหภูมิเหมาะสมที่สุดสำหรับการเจริญแบ่งตัวได้เร็วที่สุดและมีอัตราของเมตาบอลิซึมสูงสุด Maximum temperature: อุณหภูมิสูงสุดที่แบคทีเรียเจริญได้ ถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นกว่านี้อีก เล็กน้อยแล้วการเจริญเติบโตจะหยุดลงและถ้ายังคงสูงขึ้นอีกถึงจุดหนึ่ง Enzyme และ Nucleic acid จะถูกทำให้สูญเสียกิจกรรมหรือเรียกว่า Inactivation อย่างถาวร และในที่สุดจุลินทรีย์จะตาย ซึ่งเป็นหลักการทั่วไปที่นำไปใช้ในการทำลายจุลินทรีย์ด้วยความร้อน อุณหภูมิทั้งสามชนิดนี้เรียกว่า อุณหภูมิคาร์ดินัล (Cardinal temperature)

จะเห็นว่าจุลินทรีย์แต่ละชนิดจะมีช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตแตกต่างกัน จึงสามารถแบ่งจุลินทรีย์ออกเป็น 3 กลุ่ม ดังนี้

• ไซโครไฟล์ (Psychrophile) เป็นจุลินทรีย์ที่ชอบอากาศเย็น สามารถเจริญเติบโตที่อุณหภูมิต่ำ ๆ ประมาณ 0–20 องศาเซลเซียส บางครั้งถึงลบ 10 องศาเซลเซียส อาจจะพบได้ในน้ำแข็งบริเวณขั้วโลก พวกนี้จัดเป็นไซโครไฟล์ที่แท้จริง (Obligate psychrophile) อุณหภูมิสูงสุดที่เจริญได้คือ 30 องศาเซลเซียส แต่บางพวกมีช่วงอุณหภูมิเหมาะสมระหว่าง 25-30 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิสูงสุดในการเจริญคือ 35 องศาเซลเซียส จึงจัดเป็นแฟคัลเตตีฟไซโครไฟล์ (Facultative psychrophile) หรือ ไซโครโทรฟ (Psychrotroph) ตัวอย่างไซโครฟิลิกแบคทีเรีย (Psychrophilic bacteria) เช่น Pseudomonas, Achromobacter, Flavobacterium, Micrococcus เป็นต้น
• มีโซไฟล์ (Mesophiles) เป็นจุลินทรีย์ที่ชอบอุณหภูมิปานกลาง เจริญเติบโตได้ดีที่ช่วงอุณหภูมิ 25-45 องศา

เซลเซียส โดยมีอุณหภูมิต่ำสุดในการเจริญคือ 5-25 องศาเซลเซียส อุณหภูมิเหมาะสมที่ 37 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิสูงสุดที่เจริญได้ที่ 43 องศาเซลเซียส (Mesophilic bacteria) เช่น Neisseria, Salmonella, Vibrio เป็นต้น

• เทอโมไฟล์ (Thermophile) เป็นจุลินทรีย์ที่เจริญเติบโตได้ดีที่อุณหภูมิสูงระหว่าง 45-60 องศาเซลเซียส อุณหภูมิเหมาะสมอยู่ระหว่าง 50-55 องศาเซลเซียส อุณหภูมิสูงสุดที่เจริญได้อยู่ระหว่าง 60-85 องศาเซลเซียส ตัวอย่างเทอร์โมฟิลิกแบคทีเรีย (Thermophilic bacteria) ได้แก่ Bacillus, Clostridium, Thermoactinomyces, Methanobacterium เทอร์โมไฟล์บางพวกเจริญมาในช่วงของมีโซไฟล์ จึงเรียกว่าแฟคัลเตตีฟเทอร์โมไฟล์ (Facultative thermophile) หรือยูริเทอร์โมไฟล์ (Eurithermophile) บางพวกเจริญที่อุณหภูมิสูงกว่า 60 องศาเซลเซียส เรียกว่าเทอร์โมไฟล์แท้จริงหรือสตีโนเทอร์โมไฟล์
  

2. ก๊าซ (Gases)

ก๊าซที่จำเป็นต่อการเจริญของจุลินทรีย์ คือ ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ สามารถจำแนกจุลินทรีย์ออกเป็น 4 กลุ่ม ตามความต้องการออกซิเจน ดังนี้

            2.1 จุลินทรีย์ที่ต้องการออกซิเจน (Aerobic microorganisms หรือ aerobes) มีความต้องต้องการออกซิเจนในการดำรงชีวิต เพื่อการหายใจ (respiration) เพื่อใช้พลังงาน เนื่องจากไม่สามารถสร้างพลังงานโดยกระบวนการการหมัก (Fermentation) จึงถือว่าเป็นพวกที่ต้องการออกซิเจนอย่างแท้จริง (Obligate aerobes) มักพบเจริญบริเวณผิวหน้าของอาหาร หรือ ใช้ในการบำบัดน้ำเสียด้วยวิธี activated sludge process ได้แก่ Bacillus, Pseudomonas

            2.2 จุลินทรีย์ที่เจริญในที่มีการออกซิเจนหรือไม่มีก็ได้ (Facultative microorganisms) เป็นจุลินทรีย์ที่สามารถสร้างพลังงานได้จากกระบวนการหายใจหรือกระบวนการหมัก และไม่จำเป็นต้องใช้ออกซิเจนในการสังเคราะห์ต่างๆ แบคทีเรียกลุ่มนี้มีหลายชนิดที่ก่อโรค (pathogen) ในมนุษย์ และสัตว์ เช่น Escherichia, Proteus, Enterobacter

            2.3 จุลินทรีย์ที่เจริญในที่มีออกจิเจนน้อย (Microaerophilic microorganisms หรือ Microaerophile) พวกนี้มีความต้องการออกซิเจนเพียงเล็กน้อยเพื่อการเจริญ คือต้องการออกซิเจนเพียง 3-5 เปอร์เซนต์ (ในบรรยากาศปกติ มีออกซิเจน 21เปอร์เซนต์) หรือน้อยกว่า 0.2 บรรยากาศ อาจเนื่องจากออกซิเจนเป็นพิษต่อจุลินทรีย์เหล่านั้น เช่น Lactobacillus, Neisseria

            2.4 จุลินทรีย์ที่เจริญในที่ไม่มีออกซิเจน (Anaerobic bacteria อาจเรียกว่า strict anaerobe หรือ obligate anaerobe) เพราะออกซิเจนรวมตัวกับน้ำเป็นไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ (H₂O₂) จะเป็นพิษต่อเซลล์ของแบคทีเรียกลุ่มนี้ และจุลินทรีย์พวกนี้ไม่มีเอนไซม์คาตาเลส ได้แก่ Clostridium, Methanobacterium, Bacteroides, Fusobacterium

          ในการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์ที่เป็นพวกต้องการออกซิเจนและพวกต้องการหรือไม่ต้องการออกซิเจนก็ได้นั้น อาจเลี้ยงในสภาพปกติของห้องได้ แต่พวกต้องการออกซิเจนควรจะเลี้ยงในอาหารที่มีการเขย่าหรือเลี้ยงในภาชนะตื้นๆ ที่มีพื้นผิวมากให้สัมผัสกับอากาศ หรือออาจอัดอากาศลงไปในอาหาร

          ส่วนการเพาะเลี้ยงพวกที่ไม่ต้องการออกซิเจนเลยนั้น จะต้องมีการกำจัดออกซิเจนออก ซึ่งอาจทำได้หลายวิธีด้วยกันคือ การต้ม แล้วป้องกันไม่ให้ออกซิเจนเข้ามาอีก ด้วยการปิดกั้นด้วยน้ำมันแร่

• ใช้สารรีดิวซิง (Reducing agent) เช่น โซเดียมไทโอไกลโคเลต ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนอิสระ
• ใช้หม้อปราศจากออกซิเจน (Anaerobic jar) ซึ่งจะมีซองที่ปล่อยก๊าซไฮโดรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาเมื่อเติมน้ำลงไป ก๊าซไฮโดรเจนรวมกับออกซิเจนที่หลงเหลือในหม้อ โดยได้รับการกระตุ้นจากพัลลาเดียม (Palladium) ซึ่งเป็นคะตะลิสต์ (Catalyst) เกิดเป็นน้ำขึ้น ส่วนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นช่วยทำให้สภาพแวดล้อมเหมาะแก่การเจริญของพวกไม่ต้องการออกซิเจน ในขณะเดียวกันมีแผ่นอินดิเคเตอร์ที่ชุ่มไปด้วยเมทิลีนบลูในสภาพที่ไม่มีออกซิเจน เมทิลีนบลูจะเปลี่ยนจากสีฟ้าเป็นไม่มีสี จึงใช้สังเกตจากอินดิเคเตอร์ได้
• ใช้การแทนที่อากาศด้วยก๊าซเฉื่อย โดยการดูดอากาศออกแล้วใส่ก๊าซอื่น เช่น ก๊าซไนโตรเจน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เข้าไปแทนที่ โดยวัดปริมาตรก๊าซที่ดูดออก และที่ใส่เข้าไปด้วยมาโนมิเตอร์
• ใช้วิธีเปลี่ยนก๊าซออกซิเจนให้เป็นสารอื่น เช่น จุดไฟหรือเทียนไขในภาชนะปิด ก๊าซออกซิเจนจะถูกใช้ไปในการเผาไหม้ เมื่อเปลวไฟดับแสดงว่า บรรยากาศในภาชนะมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

 สภาพแวดล้อมที่มีผลต่อการเจริญของจุลินทรีย์ : ความเป็นกรด-เบส, แรงดันออสโมติก, รังสี

          จุลินทรีย์ส่วนใหญ่จะไม่เจริญเติบโตในสภาพที่มีค่า pH สูงหรือต่ำ เนื่องจากกรดและด่างจะทำลายเอนไซม์และสารต่างๆ ภายในเซลล์ ช่วงค่า pH ที่เหมาะสมอยู่ระหว่างค่า pH 6.5-7.5 ราส่วนใหญ่และยีสต์อาจทนทานในสภาพที่เป็นกรดได้ pH ที่เหมาะสมคือ 5 แต่อาจเจริญได้ที่ pH มากกว่า 7 จึงจัดเป็นพวกชอบกรดไม่แท้จริง (Facultative acidophile) ดังนั้นจึงมักปนเปื้อนในอาหารจำพวกผักดอง และในทางกลับกันพวก Alkalinophile จะเจริญเติบโตในสภาพที่เป็นด่าง เนื่องจากมี Basic mineral (โดยอาจมีค่า pH สูงถึง 10) ส่วน Thiobacillus, Sulfolobus และ Thermoplasma เจริญได้ที่ pH ต่ำมากๆ คือ pH ประมาณ 2 พวกนี้จึงจัดเป็นพวกชอบกรดอย่างแท้จริง (Obligate acidophile) ส่วนจุลินทรีย์บางพวกชอบสภาพแวดล้อมที่มี pH มากกว่า 7 จึงจัดเป็นพวกชอบด่าง (Alkaliphile) เช่น เชื้อ Vibrio cholera สามารถเจริญที่ pH 8 ได้

          อนึ่งเมื่อเลี้ยงจุลินทรีย์ในอาหารไปนานๆ จะทำให้ค่าความเป็นกรด-เบสของอาหารเปลี่ยนไป เนื่องมาจากจุลินทรีย์ที่เจริญเติบโตมากจะปล่อยสารบางอย่างออกมา อาจเป็นกรดด่าง จึงทำให้ pH เปลี่ยนไปมากและไปขัดขวางการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ด้วย ดังนั้นในการเตรียมอาหาร จึงต้องใส่สารบางอย่างทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ ซึ่งเป็นสารต้านทานการเปลี่ยน pH ตัวอย่างสารที่ทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์คือ KH₂PO₄ และ K₂HPO₄

แรงดันออสโมติก (Osmotic pressure)

            กระบวนการออสโมซีสเกิดขึ้นเมื่อมีความเข้มข้นของสารในสารละลายที่อยู่ภายในเซลล์และภายนอกเซลล์ไม่เท่ากัน ทำให้เกิดแรงดันออสโมติก สารละลายที่มีแรงดันออสโมติกสูงกว่าเรียกว่า สารละลายไฮเพอร์ทอนิก (Hypertonic solution)ส่วนสารละลายที่แรงดันออสโมติกต่ำกว่าเรียกว่า สารละลายไฮโพทอนิก (Hypotonic solution) แม้ว่าจุลินทรีย์ส่วนใหญ่จะอาศัยในสภาพ Hypotonic หรือ Isotonic แต่มีบางชนิดในกลุ่มที่เรียกว่า Halophile หรือ Osmophile ซึ่งอาศัยในสารละลายที่มีความเข้มข้นสูงหรือ Hypertonic solution Obligate halophiles เช่น Halobacterium และ Halococcus อาศัยในแหล่งน้ำที่มีความเข้มข้นของเกลือสูง คือ เจริญเติบโตได้อย่างเหมาะสมในสภาพที่มี NaCl 25 % ต้องการ NaCl อย่างต่ำ 15 % และแตกตัว (Lysis) ในสภาพแวดล้อมแบบ Hypotonic การถนอมอาหารโดยการใช้ High osmotic pressure โดยทั่วไปในอาหารพวกแยม เยลลี่ ไซรัป และน้ำเกลือ เพื่อป้องกันการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ อย่างไร ก็ตามอาจถูกรบกวนและถูกทำให้อาหารเน่าเสียได้จากจุลินทรีย์ประเภทแบคทีเรียหรือราที่เป็น Osmophile โดยทั่วไปจุลินทรีย์จะไม่สามารถเจริญได้ในที่มีเกลือเข้มข้น 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ หรือที่มีน้ำตาลเข้มข้น 50-70 เปอร์เซ็นต์ จึงอาศัยหลักการนี้ในการถนอมอาหารโดยการดองเค็มหรือแช่อิ่ม

            ถ้านำเซลล์แบคทีเรียใส่ในสารละลายน้ำเกลือเข้มข้น 20 เปอร์เซ็นต์ สารละลายภายนอกเซลล์จะมีแรงดันออสโมติก สูงกว่าในเซลล์ น้ำจากในเซลล์จะไหลออกสู่ภายนอกทำใหห้เซลล์เหี่ยว กระบวนการนี้เรียกว่า พลาสโมไลซีส (Plasmolysis) ในทางตรงกันข้าม ถ้านำเซลล์แบคทีเรียใส่ในสารละลายน้ำเกลือเข้มข้น 0.01 เปอร์เซ็นต์ น้ำจากภายนอกจะไหลเข้าสู่เซลล์ทำให้เซลล์เต่ง กระบวนการนี้เรียก พลาสมอพไทซีส (Plasmoptysis) แรงดันที่เกิดขึ้นภายในเซลล์อันเนื่องมาจากปริมาณน้ำที่สะสมไว้อาจทำให้เซลล์บางชนิด เช่น เซลล์เม็ดเลือดแดงแตกได้ แต่แบคทีเรียมีผนังเซลล์ที่แข็งแรง จึงไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาด ดังนั้นการเลี้ยงแบคทีเรียไว้ในสภาพที่มีแรงดันออสโมติกสูง จะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือสมบัติทางสรีรวิทยาของเซลล์ เช่น อาจมีรูปร่างยาวกว่าปกติหรือรูปร่างไม่แน่นอน การเลี้ยงแบคทีเรียจึงควรคำนึงถึงแรงดันออสโมติกที่เหมาะสมด้วย

รังสี (Radiation)

            รังสีเป็นพลังงานที่สามารถถ่ายทอดผ่านจากที่หนึ่งยังอีกที่หนึ่ง และมีอำนาจทะลุผ่านสิ่งต่างๆ ได้ แต่จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของรังสี และความเข้มของรังสี จุลินทรีย์ส่วนใหญ่ที่ได้รับผลกระทบหรือถูกทำลายได้ด้วยรังสี คือ แบคทีเรีย เช่น รังสีเอกซ์ (X-ray) รังสีแกมมา (Gamma Ray) เมื่อฉายรังสีกลุ่มนี้ทะลุผ่านเซลล์ จะทำให้สารต่างๆ ที่อยู่ในสภาพไอออน (Ion) ในเซลล์ของจุลินทรีย์เกิดการเปลี่ยนแปลง และเซลล์ถูกทำลาย ในงานอุตสาหกรรมอาหารที่ส่งออกไปขายต่างประเทศบางชนิด นิยมใช้รังสีแกมมาในการท้าลายจุลินทรีย์

            รังสีอีกชนิดหนึ่งที่มีผลกระทบต่อจุลินทรีย์ คือ รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet) เป็นรังสีที่พบได้ในแสงแดด รังสีนี้ความถี่สูงกว่าแสงสีม่วงน้ำเงิน สามารถทำลายแบคทีเรียได้ จึงมีการประดิษฐ์หลอดรังสีอัลตราไวโอเลตเพื่อใช้ทำลายแบคทีเรีย ในงานอุตสาหกรรมต่างๆ ในวงการแพทย์ใช้ทำลายแบคทีเรียในห้องผ่าตัดและอุปกรณ์แพทย์

            รังสีที่มีผลในการทำลายจุลินทรีย์มี 2 ชนิด คือ

1. รังสีที่เกิดการแตกตัวเป็นไอออน (ionizing radiation) เป็นรังสีที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาการแตกตัวของไอออน โดยรังสีมีพลังงานไปดึงอิเล็กตรอนออกจากสาร ได้แก่ รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา รังสีนี้สามารถทำลายจุลินทรีย์ได้ แต่ยังไม่นิยมใช้ เนื่องจากค่าใช้จ่ายสูง
2. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสูง ได้แก่ รังสีอัลตราไวโอเลต

           ผลของการฉายรังสี มีสองประการ คือ ทำให้จุลินทรีย์ตายและทำให้จุลินทรีย์ที่รอดตายเกิดการผ่าเหล่า (Mutation) มีผลทำให้ได้เซลล์ที่มีลักษณะแตกต่างไปจากพันธุ์เดิม เช่น ต้านทานต่อแบคทีริโอเฟจ มีความสามารถในการหมัก ความสามารถในการสังเคราะห์สารที่จำเป็นต่อกระบวนการเมแทบอลิซึมเปลี่ยนไป

            รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet) มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 150-39000 ^°A แต่ความยาวคลื่นในช่วง 2650 ^°A มีประสิทธิภาพในการฆ่าแบคทีเรียสูงสุด โดยที่สารประกอบพวกพิวรีนและพิริมิดีนดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตที่ 2600 ^°A และพวกกรดอะมิโนชนิดอโรมาติก (Aromatic amino acid) เช่น ทริปโทเฟน เฟนิลอะลานีน และไทโรซีน ดูดซับรังสีที่ 2800 ^°A การดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตทำให้เกืดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในสารประกอบนิวคลีโอโปรตีน ทำให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างไทมีน 1 คู่ มีผลทำให้การอ่านพันธุกรรมผิดพลาด จึงมีผลทำให้จุลินทรีย์ตายได้

            แหล่งของรังสีอัลตราไวโอเลตที่สำคัญ คือ แสงจากดวงอาทิตย์ ถึงแม้รังสีช่วงคลื่นสั้นๆ จะถูกกรองไว้ที่ชั้นบรรยากาศของโลกก็ตาม แสงอาทิตย์ก็ยังมีความสามารถในการฆ่าจุลินทรย์ได้

            ในปัจจุบันมีการประดิษฐ์หลอดที่ให้แสงอัลตราไวโอเลต ซึ่งมีความยาวคลื่น 2600 ถึง 2700 ^°A หลอดนี้อาจเรียก Germicidal หรือ U.V. lamp นิยมใช้กันมากเพื่อลดจำนวนจุลินทรีย์ในห้องผ่าตัด ในโรงพยาบาล ในห้องปฏิบัติการของโรงงานเภสัชกรรม และในโรงงานอุตสาหกรรมอาหารและนม รังสีอัลตราไวโอเลตมีความสามารถในการทะลุทะลวงต่ำ จึงสามารถใช้ฆ่าจุลินทรีย์เฉพาะที่พื้นผิววัตถุเท่านั้น

แหล่งที่มา 

อาหารเลี้ยงเชื้อ (Culture medium) . สืบค้นเมื่อ 12 มิถุุนายน 2560. จาก https://sites.google.com/site/hedchoothai/-hed/kar-pheaa-hed-growing-mushroom/-hxng-thdlxng-hed-mushroom-lab/-karte-ri-ym-potato-dextrose-agar-pda

สูตรอาหารเลี้ยงเชื้อ. สืบค้นเมื่อ 12 มิถุุนายน 2560. จาก https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxoZWRjaG9vdGhhaXxneDo1MjBkY2M0MjNjMGNlNTVl