Глава 8. Экологическая микробиология (микроэкология).

Экологическая микробиология изучает взаимоотношения микро-

и макроорганизмов, совместно обитающих в биотопах. Это часть об­щей экологии - науки, изучающей взаимоотношения животных, расте­ний, микроорганизмов между собой и с окружающей средой.

Основные понятия:

- биотоп - участок биосферы с относительно однородными условиями жизни;

- популяция - совокупность особей одного вида, обитающих в определенном биотопе;

- микробиоценоз - сообщество популяций разных микроорганиз­мов, обитающих в определенном биотопе;

- экосистема (экологическая система) - совокупность орга­низмов и среды их обитания, то есть система, состоящая из биото­па и биоценоза;

- геосфера - почвенная экосистема;

- гидросфера - водная экосистема;

- атмосфера - воздушная экосистема;

- биосфера - общая сумма всех экосистем, область распрост­ранения жизни на Земле.

В зависимости от среды обитания микроорганизмы разделяют на свободноживущие и симбионты. Свободноживущие заселяют почву, во­ду, воздух и различные объекты внешней среды. В природе микроор­ганизмы распространены гораздо шире, чем другие живые существа. Благодаря малым размерам, приспособляемости к изменению условий существования, разнообразию источников питания, микроорганизмы можно обнаружить там, где другие живые существа жить не могут.

Характеризуя микрофлору почвы, воды и воздуха, целесообраз­но придерживаться определенного плана:

1)постоянная микрофлора данной среды;

2)значение данной среды как фактора передачи возбудителей заболеваний;

3)определение микробной флоры.

При исследовании объектов внешней среды методами санитарной микробиологии определяются количественные показатели - общее ко­личество микроорганизмов в определенном объеме. Важной задачей исследования является обнаружение патогенных микробов и их ток­синов. Однако непосредственное их выявление представляет значи­тельные трудности. Причина в том, что патогенные микроорганизмы встречаются во внешней среде непостоянно, обычно в небольших ко­личествах, их трудно культивировать на питательных средах, неко­торые из них вообще не культивируются на искусственных средах. Поэтому возможное загрязнение внешней среды патогенными микроба­ми определяют по косвенному показателю - обнаружению санитар­но-показательного микроорганизма.

В качестве санитарно-показательных выбирают те микробы, которые постоянно и в больших количествах содержатся в тех выделе­ниях человека, которые для данной среды наиболее опасны. Сроки их выживания во внешней среде должны совпадать примерно со сро­ками выживания патогенных микробов. Санитарно-показательные мик­роорганизмы не должны интенсивно размножаться во внешней среде и должны легко обнаруживаться при лабораторном исследовании.

Микрофлора почвы.

Почва является основной средой обитания многих микроорга­низмов, которые вместе с растениями и животными составляют раз­нообразные биогеоценозы. Состав микробиоценозов почвы зависит от многих внешних факторов, в том числе от агротехнических меропри­ятий, таких как вспашка, внесение удобрений, ядохимикатов.

Самый поверхностный тонкий слой почвы содержит мало микро­организмов, так как они погибают под влиянием солнечных лучей и высушивания. Наиболее обильна микрофлора почвы на глубине 10-20 СМ, а в более глубоких слоях количество микробов уменьшается.

Видовой состав почвенной микрофлоры весьма разнообразен: анаэробные и аэробные бактерии, грибы, простейшие, вирусы.

Значение микрофлоры почвы велико для круговорота веществ в природе. Микробы осуществляют разложение и минерализацию органи­ческих животных и растительных остатков, попадающих в почву, процесс очищения ее от нечистот и отбросов.

Среди патогенных микробов имеются такие, для которых почва является постоянным местом обитания. Это возбудители ботулизма, актиномицеты и грибы - возбудители микозов. Вторая группа - это спорообразующие бациллы и клостридии, которые попадают в почву с выделениями человека и животных и могут длительно здесь сохра­няться в виде спор. Это бациллы сибирской язвы, клостридии столбняка и газовой анаэробной инфекции.

К третьей группе относятся неспорообразующие бактерии и ви­русы, которые попадают в почву с выделениями человека и живот­ных, сохраняются здесь в течение нескольких дней и месяцев. Это бактерии - возбудители брюшного тифа и дизентерии, палочки ту­беркулеза, лептоспиры, вирусы. Значение почвы как фактора пере­дачи при этих инфекциях относительно невелико.

Микробиологическое исследование почвы имеет значение при строительстве жилищ, детских учреждений, водохранилищ. Пробы

почвы берут из глубины. Определяют микробное число - общее коли­чество микроорганизмов в 1 г почвы и наличие санитарно-показа­тельных микроорганизмов. Присутствие в почве Escherichia coli и Streptococcus faecalis указывает на свежее фекальное загрязне­ние, бактерий рода Citrobacter и Enterobacter - на несвежее, а Clostridium perfringens - на давнее.

Микрофлора воды.

Вода открытых водоемов, подобно почве, является естествен­ной средой обитания многих видов бактерий, грибов, вирусов, простейших. В воде обитают также различные виды микробов, прини­мающих участие в круговороте веществ в природе и способствующих самоочищению воды благодаря разложению органических соединений. Характер микрофлоры воды зависит от многих причин, и в особен­ности от загрязнения стоками ливневых, фекальных и промышленных нечистот. По мере удаления от населенных пунктов число микробов постепенно уменьшается. Наиболее чистыми являются воды глубоких артезианских скважин и родников.

Вода имеет эпидемиологическое значение как фактор передачи инфекций. Наблюдались водные эпидемии холеры, брюшного тифа, лептоспирозов и других инфекционных болезней.

Санитарно-показательными микроорганизмами для воды являются бактерии группы кишечной палочки (БГКП). Санитарно-микробиологи­ческое состояние воды оценивается по следующим показателям:

1)микробное число - количество бактерий в 1 мл воды;

2)коли-титр - наименьший объем воды в миллилитрах, в кото­ром обнаруживаются БГКП;

3)коли-индекс - количество БГКП в 1 литре воды.

4)Кроме того, в воде определяют наличие патогенных и услов­но-патогенных микроорганизмов: энтерококков, сальмонелл, холер­ного вибриона, энтеровирусов.

В соответствии с ГОСТом на питьевую водопроводную воду, микробное число ее должно быть не более 100, коли-титр должен быть не ниже 300, коли-индекс - не более 3.

Микрофлора воздуха

В воздух микробы попадают из почвы с поверхностей растений и животных, а также с промышленными отходами некоторых предпри­ятий. В отличие от воды и почвы, где микробы могут размножаться, в воздухе они только сохраняются в течение некоторого времени, а затем гибнут вследствие высыхания и влияния солнечных лучей. Ус­тойчивые к таким воздействиям микроорганизмы могут долго сохра­няться в воздухе. Это споры грибов, споры бактерий, сарцины и другие кокки, образующие пигменты. Больше всего микробов в воз­духе промышленных городов, меньше всего - в воздухе лесов и гор. Воздух закрытых помещений содержит больше микробов. В открытом воздухе количество микробов летом больше, чем зимой, в воздухе закрытых помещений - наоборот.

Воздух может служить фактором передачи патогенных микробов: стафилококков, стрептококков, палочек дифтерии, коклюша, тубер­кулеза, а также вирусов кори, гриппа. Передача воздушно-капель­ным и воздушно-пылевым путем почти всегда происходит в закрытых помещениях и редко - на открытом воздухе.

Показатели санитарно-микробиологического состояния воздуха закрытых помещений:

- микробное число - количество микробов, обнаруженных в 1 м³ воздуха;

- наличие санитарно-показательных бактерий: Streptococcus haemolyticus и Staphylococcus aureus.

Чистота воздуха зависит от своевременного проветривания по­мещения и влажной уборки. Применяется обработка воздуха бактери­цидными УФ-лампами. Для уменьшения распространения микробов при­меняют марлевые и ватно-марлевые маски.

Микроорганизмы пищевых продуктов

Пищевые продукты и готовые блюда являются благоприятной средой для размножения микроорганизмов. Некоторые пищевые про­дукты содержат специфические виды микробов, необходимых для тех­нологии их изготовления, например молочнокислые микробы в кисло­молочных продуктах, квашеных овощах, некоторых напитках. Неспе­цифическая микрофлора - это микробы, случайно попавшие в пищевые продукты из внешней среды. Одни из них не оказывают действия на пищевые продукты, другие вызывают их порчу.

Пищевые продукты могут быть факторами передачи возбудителей кишечных инфекций: дизентерии, холеры, брюшного тифа, а также

сибирской язвы, бруцеллеза, Ку-лихорадки и других.

Попадание в пищевые продукты и размножение в них сальмо­нелл, стафилококков, возбудителей ботулизма приводит к возникно­вению у человека пищевых токсикоинфекций и интоксикаций.

Для санитарно-микробиологической оценки пищевых прдуктов определяют микробное число и санитарно-показательные микроорга­низмы (БГКП), а также наличие патогенных микробов. Санитар­но-микробиологические показатели некоторых молочных продуктов, колбасных, консервированных изделий и других продуктов нормиро­ваны ГОСТами.

Микрофлора различных объектов

Разнообразные предметы в окружении человека можно разделить на три группы: бытовые, производственные, медицинские. В меди­цинских учреждениях, кроме бытовых предметов, имеются специфи­ческие медицинские объекты. Это медицинские инструменты, обору­дование, перевязочный и шовный материал, лекарственные средства, дезинфицирующие растворы, халаты, предметы ухода за больными. В этих объектах могут быть обнаружены как безвредные для человека, так и условно-патогенные и патогенные. Некоторые возбудители ин­фекционных заболеваний (легионеллы, синегнойная палочка, протей, иерсинии) способны размножаться в ванных комнатах, душевых, ра­ковинах, кондиционерах. Другие микроорганизмы, не размножаясь в объектах внешней среды, могут сохраняться здесь в течение сро­ков, достаточных для того, чтобы могло произойти заражение. Воз­будители кори, коклюша могут сохраняться в течение нескольких минут,возбудители туберкулеза - месяцами, а споры палочки си­бирской язвы - годами.Санитарно-микробиологические иследования проводятся в меди­цинских и детских учреждениях, предприятиях общественного пита­ния и пищевой торговой сети. Оределяют бактериологическую заг­рязненность рук работающего персонала и предметов окружающей обстановки путем исследования микрофлоры смывов. В смывах опре­деляют: общее микробное число, наличие БГКП, протея, энтерокок­ка, синегнойной палочки, стафилококка и других патогенных бакте­рий.

Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в возникновении и существовании биосферы

На Земле с момента ее возникновения совершается процесс превращения и перемещения веществ, происходит взаимодействие жи­вых существ с неживой природой, а также зеленых растений с жи­вотным миром. Роль зеленых растений в том, что они путем фото­синтеза строят органические соединения из минеральных веществ. Кроме того, разлагая диоксид углерода, они выделяют в окружающую среду свободный кислород. Животные и бесхлорофильные растения, лишенные способности строить белок из неорганических соединений, нуждаются в готовых органических веществах и питаются растениями или другими животными. Они постепенно разлагают органические ве­щества, накопленные зелеными растениями, до более простых соеди­нений с освобождением большого количества энергии. При этом они используют кислород, который выделяют зеленые пастения.

Эта простая и стройная схема взаимоотношений зеленых расте­ний, животных и неживой природы не может объяснить равновесия между живой и неживой природой. Остается неясной причина минера­лизации органических веществ с образованием таких вполне окис­ленных неорганических соединений, как вода, углекислота, мине­ральные соли, вполне пригодные для питания растений. В организме животных и растений не все органические вещества окисляются до этих продуктов окисления. С мочой и испражнениями животных, с остатками растений и трупами животных в почву попадает огромное количество органических веществ, непригодных для питания расте­ний. Эти органические остатки завалили бы Землю и прекратили бы на ней возможность дальнейшей жизни, если бы они не разрушались бы и не вступали вновь в круговорот веществ в природе. Этот важ­нейший процесс минерализации органических соединений осуществля­ют микробы. Они постепенно разлагают сложные органические соеди­нения на простые, доступные для питания растений, и таким обра­зом обеспечивают завершение круговорота углерода, азота, фосфо­ра, серы и других элементов. Первым, кто указал на роль микробов как необходимых посредников между живой и неживой природой, был Пастер. Большую роль в изучении участия микробов в круговороте веществ сыграли работы Сергея Николаевича Виноградского и Марти­нуса Виллема Бейеринка.

Круговорот азота (Рис. 10).

С остатками растений, с трупами животных в почву попадают сложные азотсодержащие соединения,главным образом, белки. Эти вещества подвергаются гниению (аммо­нификации) с участием гнилостных микроорганизмов. Аэробные гни­лостные бактерии (B. subtilis, B. mesentericus, Proteus vulga­ris) осуществляют гидролиз белков до аминокислот, затем до ко­нечных продуктов: сероводорода, аммиака и др. При действии анаэ­робных гнилостных микробов преобладают восстановительные процес­сы, и распад белков идет не до конечных продуктов. Разложение мочевины осуществляют уробактерии, с образованием аммиака и уг­лекислоты. Аммонийные соли подвергаются дальнейшему окислению нитрифицирующими бактериями. Этот процесс идет в два этапа:

1)одни бактерии окисляют аммонийные соли до нитритов; 2)другие бактерии окисляют нитриты до нитратов. Две фазы нитрификации - это пример метабиоза: один микроб живет, используя продукты жиз­недеятельности другого микроба. Азотнокислые соли наилучшим об­разом усваиваются растениями, поэтому образование нитратов повы­шает плодородие почвы.

В почве происходит обратный процесс денитрификации - разло­жение нитритов и нитратов денитрифицирующими бактериями с выде­лением свободного азота, что приводит к снижению плодородия поч­вы.

В то же время имеются микроорганизмы, которые усваивают ат­мосферный азот и синтезируют азотсодержащие органические соеди­нения. Это две группы микробов: свободноживущие почвенные азот­фиксирующие бактерии и клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями, образуя клубеньки на корнях. Азотфиксиру­ющие бактерии обогащают почву азотом, повышая ее плодородие.

Круговорот углерода. Зеленые растения и фотосинтезирующие бактерии усваивают диоксид углерода (СО₂) атмосферного воздуха, синтезируя углеводы (глюкозу, фруктозу), полимерные соединения: целлюлозу, крахмал, пектин. Образовавшиеся органические соедине­ния используются человеком и животными для питания. После гибели растений и животных органические вещества попадают в почву.

Возвращение диоксида углерода в атмосферу происходит в про­цессе окисления аэробными микроорганизмами углеводов с образова­нием СО₂, в процессе брожения. Микробная природа брожений была впервые установлена Пастером. В зависимости от образующихся про­дуктов различают виды брожения: спиртовое, уксуснокислое, молоч­нокислое, маслянокислое, а также разложение целлюлозы (клетчат-

ки). Микроорганизмы, вызывающие брожение, имеют промышленное

значение.

Спиртовое брожение - распад углеводов с образованием этило­вого спирта и диоксида углерода - вызывают дрожжевые грибы. Этот вид брожения известен давно и используется при изготовлении спиртных напитков.

Уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт в аэробных условиях до уксусной кислоты. Они используются в промышленности, но при попадании в вино или пиво могут приводить к их порче.

Молочнокислое брожение вызывают лактобактерии. Конечным продуктом процесса является молочная кислота, которая губительно действует на гнилостные микробы кишечника. Молочнокислые бакте­рии применяют для изготовления кисломолочных продуктов: просток­ваши, йогурта, ацидофилина. Препарат лактобактерин, применяемый для устранения дисбактериоза, содержит культуру живых молочно­кислых бактерий.

Маслянокислое брожение осуществляют анаэробные бактерии. Конечным продуктом брожения является масляная кислота, образова­ние которой вызывает порчу консервированных продуктов.

Процессы разложения клетчатки, составляющей оболочку расти­тельных клеток, и брожение пектина - межклеточного вещества рас­тений - имеют большое значение в круговороте углерода в природе.

Круговорот серы, фосфора, железа.

Круговорот серы совершается в результате жизнедеятельности бактерий, причем одни из них окисляют серу, другие - восстанав­ливают.

Фосфор освобождается из органических соединений в результа­те процессов гниения. Фосфорные бактерии, находящиеся в почве и в воде, в процессе своей жизнедеятельности переводят нераствори­мые соединения фосфора в растворимые.

Круговорот железа осуществляют железобактерии, живущие в воде. Они используют растворимые соли железа как источник энер­гии, окисляя их до окисных соединений, нерастворимых в воде. Об­разующийся осадок откладывается в оболочке бактерий. Иногда большое количество железобактерий, накапливаясь в просветах во­допроводных труб вызывает их сужение и закупорку.

Микробиологические аспекты охраны окружающей среды

Задачей охраны окружающей среды является сохранение эколо­гического равновесия в биосфере. Микробиологические аспекты сос­тоят в следующем:

1)Охрана микроорганизмов, участвующих в круговороте веществ в природе. Сброс в почву и воду промышленных и автомобильных от­ходов приводит к гибели почвенных микробов, осуществляющих про­цессы минерализации органических веществ, а это в свою очередь, ведет к накоплению неразложившихся органических веществ, к уменьшению количества нитратов в почве, снижению ее плодородия.

2)Охрана микроорганизмов, осуществляющих биодеградацию, то есть разрушение вредных для человека веществ, которые обычно не встречаются в природе и попадают во внешнюю среду в результате деятельности человека.

С другой стороны, подавление развития микроорганизмов, вы­зывающих порчу пищевых продуктов и лекарств или разрушение раз­личных материалов и приборов.

3)Защита биосферы от загрязнения (контаминации) патогенными и условно-патогенными микроорганизмами.

С прогрессом науки возникают новые аспекты. С развитием ге­нетической инженерии возникла проблема защиты природы от искусс­твенно полученных рекомбинантов, а с освоением космоса - защита от заноса на нашу планету внеземных и попадания в космос земных микроорганизмов.