Mikrobiyal Üremenin Kontrolü

Mikrobiyal büyüme, besinler, nem, sıcaklık, pH, ozmotik basınç, atmosfer basıncı ve bileşimi dâhil olmak üzere birçok çevresel faktörden etkilenir. Bu çevresel faktörler laboratuvar, endüstriyel ve hastane ortamlarındaki mikroorganizmaların kontrolünde, günlük hayatımızdaki mikroorganizmaların gelişimi için önemli rol oynar

Bir organizmanın enzimleri en yüksek verimlilikte çalışıyorsa, organizma maksimum hızda metabolize olacak ve büyüyecektir. Düşük sıcaklık optimumuna sahip psikrofiller; orta sıcaklık optimumuna sahip mezofiller; yüksek sıcaklık optimumuna sahip termofiller ve hipertermofiller, çok yüksek sıcaklık optimumuna sahiptir. Yüksek sıcaklıklarda en iyi şekilde büyüyen mikroorganizmalara termofiller (sıcağı seven organizmalar) adı verilir.

Çoğu mikroorganizma nötr veya hafif alkali bir büyüme ortamını (pH 7,0-7,4) tercih eder ancak midede ve salamura gıdalarda yaşayabilen asidofiller pH 2-5 arasını tercih ederler. Mantarlar asidik ortamları tercih eder. Asidofiller, hidrotermal menfezlerde ve kaplıcalarda kükürtlü gazların üretiminin yanı sıra kömür madenciliğinden üretilen döküntüler gibi yüksek asidik ortamlarda gelişirler. Alkalifiller, bağırsakta (pH 9), karbonat yüklü topraklarda ve soda gölleri olarak adlandırılan yerlerde bulunan alkali ortamı (pH 8,5) tercih ederler. Koleraya neden olan bakteri olan Vibrio cholerae, pH 8’in üzerinde üreyen bir patojendir (Engelkirk ve ark., 2011). Bir organizmanın makromoleküllerin stabilitesi için hücre içi pH’sının, pH 5- 9 arasında olması gerekir. Bu nedenle, aşırı asidofiller ve alkalifiller, yaşam ortamlarındaki koşullara göre nötraliteye yakın sitoplazmik pH değerlerini korurlar. Toplu kültürlerde mikrobiyal büyüme sırasında pH’daki büyük değişiklikleri önlemek için, büyüme için gerekli besinlerle birlikte kültür ortamına genellikle tamponlar eklenir. Ancak herhangi bir tampon yalnızca nispeten dar bir pH aralığında çalışır. Nötrofilik türler için sıklıkla potasyum fosfat (KH2PO4) veya sodium bikarbonat (NaHCO3) kullanılır.

Tuzlu ortamları tercih eden mikroorganizmalar halofilik canlılardır. V. cholerae ve diğer Vibrio türleri gibi okyanusta yaşayan mikroorganizmalar halofildir. Tuzlu ortamlarda yaşamayı tercih etmeyen ancak orada hayatta kalabilen organizmalara (Staphylococcus aureus gibi) ise halodürik organizmalar denir. Halofillerin aksine, halotolerant organizmalar ortamda belirli düzeyde çözünmüş maddeleri tolere edebilirler.

Çoğu bakteri, atmosferik basınçtaki küçük değişikliklerden etkilenmezken bazıları normal atmosferik basınç altında, bazıları ise özel basınç koşullarında büyür. Örneğin, piezofiller okyanus derinlikleri ve petrol kuyuları gibi yüksek basınçlı ortamlarda gelişir. Mikroorganizmaların yaşamını etkileyen diğer bir faktör ise çevresel gazların türü ve konsantrasyonudur. Örneğin, kapnofiller laboratuvarda %5-10 CO2 ihtiyacı duyarlar. Zorunlu aeroblar insanların yaşadığı atmosferde (%20-21 oksijen), mikroaerofiller ise daha düşük oksijen seviyelerinde (%5 oksijen) gelişirler. Anaeroblar oksijen varlığında ölür. Fakültatif aeroblar uygun besin ve kültür koşulları altında O2 yokluğunda da büyüyebilirler. Anaeroblar, oksijen içermeyen ortamlarda, örneğin çamur ve bataklıklarda yaygındır. En bilinen anaeroblar arasında Clostridium türü bakteriler ve metan üreten metanojenler bulunur.

Bakteriyel büyüme: Bakteriyel büyüme, organizmaların boyutlarında bir artıştan ziyade sayılarında bir artışı ifade etmektedir. Dolayısıyla bakteriler açısından büyüme, onların çoğalması anlamına gelir. Her bakteri hücresi optimum boyutuna ulaştığında ikiye bölünerek özdeş iki yavru hücre meydana getirir. Katı ortamda ikiye bölünme, bir koloni oluşana kadar birçok nesil boyunca devam eder. Bakteri kolonisi, milyonlarca hücre içeren bir bakteri yığınıdır. Bölünme, besin kaynağı, su ve ortam izin verdiği sürece devam eder ve besinler tükendiğinde veya hücresel atık ürünlerinin konsantrasyonu toksik bir seviyeye ulaştığında sona erer.

Kültür besiyeri (Medyum): Laboratuvarlar ortamında bakterileri kültürlemek için kullanılan ve hazırlanan besiyerlerine yapay besiyeri veya sentetik besiyeri denir. Kültür besiyerlerinin sınıflandırılmasında tam içeriğinin bilinip bilinmemesi önemlidir. Kimyasal olarak tanımlanmış bir ortam, tüm bileşenlerin bilindiği ortamdır ve karbonhidratlar, amino asitler, tuzlar gibi her bir bileşenin belirli oranlarda eklenmesiyle hazırlanır. Karmaşık ortam ise içeriğinin tam olarak bilinmediği ortamdır. Karmaşık ortamlar, gerekli besinleri, vitaminleri ve mineralleri sağlayan hayvan organlarını (örneğin; kalp, karaciğer, beyin), balık, maya ve bitkilerin öğütülmüş ekstraktlarını içerir. Steril bir kültür ortamı hazırlandıktan sonra mikroorganizmalar aşılanır (inoküle) edilir ve uygun koşullarda inkübe edilebilir. Kültür ortamı ayrıca sıvı veya katı olarak da sınıflandırılabilir.

Seçici bir besiyeri, ilgili organizmanın büyümesine uygun olan ancak belirli organizmaların büyümesini engelleyen ek inhibitörler içerir. Örneğin; Mac-Conkey agar, Gram pozitif bakterilerin büyümesini engeller ve dolayısıyla Gram negatif bakteriler için seçicidir. Feniletil alkol (PEA) agar ve kolistinnalidiksik asit (CNA) agar, Gram negatif bakterilerin büyümesini engeller ve dolayısıyla Gram pozitif bakteriler için seçicidir. Thayer-Martin agar ve Martin-Lewis agar (ekstra besin ile birkaç antimikrobiyal madde içeren çikolata agarlar) N. gonorrhoeae için seçicidir. Mannitol tuz agarında (MSA) yalnızca tuza dayanıklı bakteriler gelişebilir.

Büyüme eğrisi aşağıdaki dört aşamadan oluşur:

1. Lag Fazı: Büyüme eğrisinin ilk aşaması gecikme aşamasıdır. Gecikme aşaması, hücrenin yeni çevreye uyum sağladığı bir dönemdir. Bakteriler besinleri alır, enzimleri sentezler ve hücre bölünmesine hazırlanır. Gecikme aşamasında bakterilerin sayısı artmaz .

2. Log Fazı (Logaritmik Büyüme Aşaması): Büyüme eğrisinin ikinci aşaması, logaritmik büyüme aşamasıdır. Log aşaması veya üstel büyüme aşaması olarak da bilinir. Logaritmik fazda, bakteriler o kadar hızlı çoğalır ki organizmaların sayısı her nesilde iki katına çıkarak artar. Büyüme oranı log aşamasında en yüksektir. Hızla bölünen kültürlerde, besin maddelerinin eklenmesi ve atık ürünlerin uzaklaştırılması yapılmadığı sürece, log fazı kısalır. Bu fazda hücreler, fiziksel ve kimyasal ajanlara karşı, sabit fazdaki hücrelere göre daha duyarlıdır.

3. Sabit Faz: Sıvı ortamdaki besinler tükenip, bakterilerden kaynaklanan toksik metabolitlerin konsantrasyonu arttıkça, bölünme hızı yavaşlar ve belirli bir zamanda bölünen bakteri sayısı ile ölen bakteri sayısına eşit olur. Sabit faz sırasında enzimler ve antibiyotikler gibi sekonder metabolitler üretilir.

4. Ölüm Fazı: Bu aşamada aşırı toksik metobolitlerin ortama salınmış olması ve besin kaynağının azalmasına bağlı olarak mikroorganizmalarda ölüm görülür. Bu fazda mikrobiyal popülasyonun ölüm oranı, büyüme oranından daha yüksektir. Hücre ölümüne hücre lizizi eşlik edebilir. Sporlu bakteriler bu aşamada hayatta kalabilmek için spor üretirler

Sterilizasyon, bir eşyanın, yüzeyin veya ortamın aktif veya spor hâlindeki tüm canlı mikroorganizmalardan arındırıldığı bir işlemdir. Çoğu sterilizasyon, ısı gibi fiziksel bir ajanla gerçekleştirilmesine rağmen, sterilant adı verilen sporları yok etme özelliğine sahip bazı kimyasallarda, sterilizasyon ajanı olarak sınıflandırılabilir.

Dezenfeksiyon ise mikroorganizmaları öldüren veya büyümelerini ciddi şekilde engelleyen kimyasal maddeler, yani dezenfektanlar kullanılarak gerçekleştirilir. Bu süreç, aktif durumdaki patojenleri yok eder ancak bakteriyel endosporlara etki etmez. Dezenfektanlar genellikle cansız nesneler üzerinde kullanılır çünkü yüksek konsantrasyonlarda insan ve hayvan dokuları için zararlı olabilirler.

Sepsis, vücutta mikroorganizmaların büyümesi, kanda ve diğer dokularda mikrobiyal toksinlerin varlığı olarak tanımlanır. Asepsi terimi, bulaşıcı ajanların steril dokulara girmesini ve dolayısıyla enfeksiyonu önleyen her türlü uygulamayı ifade eder. Antiseptik adı verilen kimyasal maddeler, aktif patojenleri yok etmek veya engellemek için doğrudan vücut yüzeylerine (örneğin; deri ve mukoza zarları), yaralara ve cerrahi kesilere uygulanır. Kısaca antiseptikler, cildi ve diğer canlı dokuları dezenfekte etmek için kullanılan solüsyonlardır. Antisepsi yöntemine cerrahi kesilerden önce iyot bileşikleri ile cildin hazırlanması örnek olarak verilebilir.

Mikroorganizmaların Fiziksel Yöntemlerle Kontrolü Mikrobiyal yaşamı yok etmek veya engellemek için kullanılan yöntemler ya fiziksel ya da kimyasaldır ve bazen her ikisi de kullanılır. Hastanelerde, kliniklerde ve laboratuvarlarda patojenleri yok etmek veya kontrol altına almak için yaygın olarak kullanılan fiziksel yöntemler arasında ısı, ısı ve basınç kombinasyonu, kurutma, radyasyon, sonik parçalama ve filtreleme yer alır. 

Pastörizasyon, Louis Pasteur’ün adını taşıyan ve sterilizasyondan farklı bir işlemdir. Bu yöntemde, süt gibi sıvılardaki mikroorganizmaları tamamen yok etmek yerine, mikrobiyal yükü önemli ölçüde azaltmak için ısı kullanır. Patojenik bakterileri öldürmek için standart sıcaklık ve süreler belirlenmiş olup, pastörizasyon sayesinde gıda ürünlerinin genel mikrobiyal yükü azalır ve bu da özellikle hızlı bozulabilen sıvıların raf ömrünü uzatır. Sütün pastörize edilmesi işlemi sırasında, süt boru şeklindeki bir ısı eşanjöründen geçirilir. Sütün akış hızı ve ısı kaynağının boyutu ile sıcaklığı dikkatlice kontrol edilerek, sütün sıcaklığı 15 saniye boyunca 71°C’ye çıkarılır ve sonrasında hızla soğutulur. Bu yönteme f laş pastörizasyon denir. Ayrıca, sütün ultra yüksek sıcaklıkta (UHT) pastörizasyonu da yapılır; bu yöntemde süt, 135°C’de 1-2 saniye süreyle kaynatılır. UHT pastörizasyonu sütü neredeyse sterilize eder ve böylece süt, oda sıcaklığında bozulmadan uzun süre saklanabilir

Bir dezenfektanın etkinliği çeşitli faktörlere bağlıdır:

• Yüzeyin veya nesnenin önceden temizlenip temizlenmediği

• İşlenen materyallerdeki organik madde miktarı (örneğin dışkı, kan, kusmuk)

• Mikrobiyal kontaminasyonun türü ve düzeyi

• Dezenfektanın konsantrasyonu

• Dezenfektanın patojenlerle ne kadar süre temas hâlinde kaldığı

Bulaşıcı hastalıkları tedavi etmek için kullanılan kemoterapötik ajanlara antimikrobiyal ajanlar denir. Dolayısıyla bir antimikrobiyal madde, bulaşıcı hastalık etkeni patojenleri inhibe ederek veya öldürerek tedavi etmek için kullanılan bir kimyasaldır.

Antimikrobiyal ajanların en yaygın beş etki mekanizması şunlardır:

• Hücre duvarı sentezinin inhibisyonu,

• Hücre zarlarının hasar görmesi,

• Nükleik asit sentezinin inhibisyonu (DNA veya RNA sentezi),

• Protein sentezinin inhibisyonu,

• Enzim aktivitesinin inhibisyonudur.

Penisilinler: Penisilinler, β-laktam grubu ilaçlar olarak bilinir. Penisilinler bakteriyel hücre duvarlarının sentezini etkileyerek etki gösterirler ve bakterisidal ilaçlardır . İlaca dirençli suşlar dışında, Penisilin G, Gram pozitif koklara (örn; Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Streptococcus pyogenes), Gram pozitif basillere (örn; Bacillus anthracis, Corynebacterium diphtheriae), Gram negatif koklara (örn; Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis), bazı anaerobik bakterilere (örn; Clostridium perfringens) ve bazı spiroketlere (örn; Treponema pallidum) karşı etkilidir.

Aminoglikozidler: Bakteriyel protein sentezini inhibe eden bakterisidal geniş spektrumlu ilaçlardır. Aminoglikozitler çok çeşitli aerob Gram-negatif bakterilere karşı etkilidir. Enterobacteriaceae familyası üyelerinin (örneğin, Escherichia coli ve Enterobacter, Klebsiella, Proteus, Serratia ve Yersinia spp.) yanı sıra P. aeruginosa ve V. cholerae enfeksiyonlarını tedavi etmek için kullanılırlar.

Aminoglikozidler, ribozomun 30S (küçük) alt birimini hedef alarak translasyonu engelleyen antibiyotiklerdir. Streptomisin (Streptomyces griseus bakterisi tarafından üretilir), kanamisin, neomisin ve gentamisin bu gruba örnektir.

Antimikrobiyal aktivitenin ölçümü, bir mikroorganizmanın büyümesini engellemek için gereken antimikrobiyal maddenin minimum miktarını belirler. Bu miktar, minimum inhibitör konsantrasyon (MİK) olarak bilinir ve antimikrobiyal bir ajanın etkinliğinin belirlenmesinde kritik bir değerdir. MİK, bir mikroorganizmayı ve antimikrobiyal ajanın çeşitli seyreltilerini içeren sıvı büyüme ortamı içeren tüplere, mikroorganizmanın aşılanması ve sonrasında inkübasyonu sonucu tespit edilir. İnkübasyon sonrası, tüpler mikrobiyal büyüme açısından değerlendirilir (türbidimetrik) ve MİK, büyümeyi tamamen engelleyen en düşük antimikrobiyal ajan konsantrasyonu olarak belirlenir.

Mikroorganizmaların ilaç direnci geliştirebileceği mekanizmalar şunlardır:

1. Enzim Üretimi: Mikroorganizmalar, ilacı etkisiz hâle getiren enzimler üretebilir. Örneğin; Penisilin G’ye dirençli stafilokoklar, ilacı bozan bir β-laktamaz enzimi üretir.

2. Geçirgenlik Değişiklikleri: Dirençli mikroorganizmalar, ilacın hücre içine girişini engelleyerek veya azaltarak direnç gösterebilir. Tetrasiklinlere dirençli bakterilerde ilaç birikimi azalırken polimiksinlere direnç de benzer şekilde hücre duvarının geçirgenliğindeki değişikliklerle ilişkilidir.

3. Yapısal Hedeflerde Değişiklik: Mikroorganizmalar, ilacın hedeflediği yapısal proteinlerde değişiklik yaparak direnç geliştirebilir. Eritromisine dirençli mikroorganizmalar bu kategoriye örnektir.

4. Metabolik Yolların Modifikasyonu: Bazı mikroorganizmalar, ilacın hedeflediği metabolik yolu devre dışı bırakarak alternatif yolları kullanabilir. Örneğin; bazı sülfonamid dirençli bakteriler hücre dışından alınan p-aminobenzoik asite ihtiyaç duymaz ve doğrudan folik asit kullanır.

5. Değiştirilmiş Enzimler: Mikroorganizmalar, ilacın etkisinden az etkilenen fakat metabolik işlevlerini yerine getirebilen değiştirilmiş enzimler geliştirebilir. Örneğin; trimetoprime dirençli bakterilerde bu durum gözlemlenir