ЭКОЛОГИЯ МИКРОБОВ

 

Экология (от греч. oikos – дом, место обитания) микробов изучает взаимоотношения микробов друг с другом и с окружающей средой.

Микроорганизмы – составная часть биоценоза, т.е. совокупности животных, растений и микробов, заселяющих участок суши или водоема. Сообщество микробов, обитающих на определенных участках среды, называется микробиоценозом.

Микроорганизмы окружающей среды участвуют в процессах круговорота веществ в природе, уничтожают остатки погибших животных и растений, повышают плодородие почвы и др. функции.

В биосфере Земли практически отсутствуют среды, лишенные микроорганизмов. Они способны использовать любые возможности для своего существования и всюду, где есть хотя бы минимальные источники энергии, углерода и азота встречаются микроорганизмы в т.ч. болезнетворные. Они сосуществуют в виде сложных ассоциаций – биоценозов в естественных средах обитания – почва, вода, воздух, кожные покровы и слизистые оболочки человека и животных.

Микрофлора почвы. Почва заселена разнообразными микробами, которые участвуют в процессах почвообразования и самоочищения почвы, кругооборота в природе азота, углерода и др. элементов. В почве обитают бактерии, грибы, лишайники (симбиоз грибов с цианобактериями) и простейшие. Численность бактерий в почве достигает 10 млрд. клеток в 1 г.

На поверхности почвы микробов относительно мало, т.к. на них губительно действуют УФ-лучи, высушивание и т.д. Наибольшее число содержится в верхнем слое почвы толщиной 10 см. По мере углубления в почву количество микробов уменьшается, и на глубине 3-4 м они практически отсутствуют. Состав микрофлоры почвы зависит от ее типа и состояния, состава растительности, температуры, влажности и т.д. Большинство почвенных микробов способны развиваться при нейтральном значении рН, высокой относительной влажности, при температуре 25-45°С.

В 1 г. пахотной почвы содержится ~10⁹–10¹⁰ бактерий. Видовой состав насчитывает сотни и тысячи видов бактерий, грибов, простейших, вирусов. Основная масса микроорганизмов содержится на глубине 10-20 см. В связи с загрязнением почвы выделениями человека и животных, почва может быть фактором передачи таких инфекций как столбняк, газовая анаэробная инфекция, ботулизм, сибирская язва. Это спорообразующие бактерии и в виде спор эти возбудители могут находиться в почве несколько десятков лет.

Неспорообразующие бактерии (возбудители чумы, дизентерии, брюшного тифа, холеры, туляремии, бруцеллеза) могут выживать в почве от нескольких часов до нескольких месяцев, а иногда в виде некультивируемых форм – годы.

Органические вещества в почве подвергаются переработке гнилостными, нитрифицирующими, денитрифицирующими, азотфиксирующими, серобактериями и другими архебактериями.

В почве обитают азотфиксирующие бактерии, способные усваивать молекулярный азот (Azotobacter, Azomonas, Mycobacterium и др.). Азотфиксирующие разновидности цианобактерий, или сине-зеленых водорослей применяют для повышения плодородия рисовых полей.

Почва является метом обитания спорообразующих палочек родов Bacillus и Clostridium. Непатогенные бациллы (B.megaterium, B.subtilis и др.) наряду с псевдомонадами, протеем и некоторыми др. бактериями являются аммонифицирующими, составляя группу гнилостных бактерий, которые осуществляют минерализацию органических веществ. Патогенные спорообразующие палочки (возбудители сибирской язвы, ботулизма, столбняка, газовой гангрены) способны длительно сохраняться, а некоторые даже размножаться в почве.

Кишечные бактерии (сем. Enterobacteriaceae) кишечная палочка, возбудители брюшного тифа, сальмонеллезов, дизентерии – могут попадать в почву с фекалиями. Однако здесь отсутствуют условия для их размножения и они постепенно отмирают. В чистых почвах кишечная палочка и протей встречаются редко, обнаружение их в значительном количестве является показателем загрязнения почвы фекалиями человека и животных и свидетельствует об ее санитарно-эпидемиологическом неблагополучии в плане передачи возбудителей кишечных инфекций.

В почве находятся также многочисленные грибы. Они участвуют в почвообразовательных процессах, превращениях соединений азота, выделяют биологически активные вещества, в том числе антибиотики и токсины. Токсинообразующие грибы, попадая в продукты питания человека, вызывают интоксикации – мико- и афлатоксикозы.

Количество простейших в почве колеблется от 500 до 500 000 на 1 г.

 

Подцарство Архебактерии (Archaeobacteria).Представлены метаногенными, голофильными и серо-зависимыми бактериями. Известно около 50 видов архебактерий.

Метаногенные бактерии образуют метан путем восстановления диоксида углерода молекулярным водородом. Метан является основным продуктом их метаболизма. Считают, что весь метан биогенного происхождения на Земле образован деятельностью метаногенных бактерий. Их ежегодная производительность составляет около 1 · 10⁹ т метана.

Эти бактерии обитают в строго анаэробных условиях в иле водоемов, в болотах и др. местах, а также в ЖКТ человека и животных. Особенно много их в рубце жвачных.

Галобактерии – это обитатели горячих солевых водоемов. Благоприятной для них является среда, которая содержит NaCl в количестве 20-30%, т.е. является насыщенным раствором.

Серозависимые бактерии являются обитателями горячих кислых водоемов и почв, вулканических расщелин. Образование месторождений серы обязано серозависимым бактериям.

В отличие от большинства настоящих бактерий для архебактерий характерен ряд особенностей. Например, их плазматическая мембрана имеет однослойную структуру, а в клеточной стенке отсутствует муреин. Уникальностью характеризуются также мембранные липиды, которые не содержат эфиров глицерина и жирных кислот, но содержат изопреноидные углеводороды, которые обычно встречаются в нефти.

В ДНК некоторых архебактерий отмечается наличие повторяющихся последовательностей азотистых оснований, чего нет у настоящих бактерий. У галофилов обнаружен родопсиноподобный белок, обычно содержащийся в зрительном пурпуре многих позвоночных.

Схема синтеза белков, осуществляемого архебактериями, является такой же, как и у настоящих бактерий, однако в тРНК этих организмов нет ни тимина, ни урацила. Последний представлен псевдоуридином.

Среди архебактерий встречаются как аэробы, так и хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Классификация плохо разработана. Архебактерии являются древнейшими прокариотами.

 

Подцарство Оксифотобактерии (Oxyphotobacteria, или Oxyphotobacteriobionta).Это подцарство представлено отделами цианобактерий и хлороксибактерий.

Отдел Цианобактерии (Cyanobacteria). Строение цианобактерий или по старой ботанической терминологии – сине-зеленых водорослей, до некоторой степени сходно со строением бактерий. Известно около 2500 видов. В основном они являются одноклеточными организмами разной формы (округлой, цилиндрической), но могут образовывать длинные многоклеточные нити или даже объединяться в колонии. Однако они отличаются от настоящих бактерий тем, что их клеточные стенки содержат некоторое количество целлюлозы и что они способны к фотосинтезу, т.к. в цитоплазме содержат хлорофилл (в гранулах, но не в хлоропластах) и другие пигменты (каротин, ксантофил и фикобилины), создающие их окраску. Некоторые клетки в многоклеточных цианобактериях обладают способностью фиксировать азот атмосферы.

Обитают в пресной и соленой воде, входя в состав фитопланктона, а также являются обитателями почвы. Отдельные виды встречаются в морях. При неблагоприятных условиях способны образовывать споры. Они могут также находиться в симбиотических отношениях с грибами.

Размножение цианобактерий происходит путем простого деления. При интенсивном размножении вызывают «цветение» воды.

Осуществляя фотосинтез, цианобактерии ответственны за появление значительного количества кислорода в атмосфере. Хозяйственного значения не имеют, если не считать, что их несгнившие остатки участвуют в образовании лечебных грязей. Цианобактерии являются древнейшими обитателями Земли.

Отдел Хлороксибактерии представлен немногочисленными организмами, способными к фотосинтезу, т.к. содаржат хлорофилл и другие пигменты.

Царство Грибы – Mycota (Fungi).Гетерогенная группа организмов. Для них характерны значительная выраженность клеточной оболочки, неподвижность в вегетативном состоянии, гетеротрофный тип питания путем всасывания и неограниченный рост. Насчитывают около 100 000 видов грибов. Оптимальная температура для их роста 20-26°С. Обитают практически во всех географических зонах, встречаясь в воде (пресной и морской) и почве, на мертвом органическом материале, многие виды паразитируют в тканях растений и животных, включая человека, причем степень паразитизма весьма различна.

Грибы могут вступать в симбиотические отношения с другими организмами, например, с водорослями или цианобактериями, образуя лишайники.

Микрофлора воды. Отражает микробный пейзаж почвы, т.к. микроорганизмы в основном попадают в воду с частичками почвы. Вместе с тем в воде формируются определенные биоценозы с преобладанием микробов, адаптировавшихся к условиям местонахождения, т.е. к физико-химическим условиям, освещенности, степени растворимости кислорода и диоксида углерода, содержанию органических и минеральных веществ и т.д.

В водах пресных водоемов обнаруживаются различные бактерии: палочковидные (псевдомонады, аэромонады и др.), кокковидные (микрококки) и извитые формы. Загрязнение воды органическими веществами сопровождается увеличением числа анаэробных и аэробных бактерий, а также грибов, Особенно много анаэробов в иле, на дне водоемов.

Микрофлора воды играет роль активного фактора в процессе самоочищения от органических отходов, которые утилизируются микроорганизмами. Вместе с загрязненными ливневыми, талыми и сточными водами в озера и реки попадают представители нормальной микрофлоры человека и животных (кишечная палочка, цитробактер, энтеробактер, энтерококки, клостридии) и возбудители кишечных инфекций (брюшного тифа, паратифов, дизентерии, холеры, лептоспироза, энтеровирусных инфекций и др.). Таким образом, вода является фактором передачи возбудителей многих инфекционных заболеваний. Некоторые возбудители могут даже размножаться в воде (холерный вибрион, легионеллы).

Микрофлора воды океанов и морей также представлена различными микроорганизмами, в том числе светящимися и галофильными (солелюбивые). Например, галофильные вибрионы поражают молюсков и рыб некоторых видов, при употреблении которых в пищу развивается пищевая токсикоинфекция.

Вода артезианских скважин практически не содержит микроорганизмов, т.к. они обычно задерживаются верхними слоями почвы.

Вода. Степень обсемененности воды зависит от характера водоема. Различают 3 степени загрязненности природных водоемов – т.н. сапробность.

Полисапробная зона. Это вода закрытых водоемов (болота, пруды, озера), которая сильно загрязнена органическими веществами, с плохой аэрацией. Она может содержать 10⁶ микроорганизмов/мл. Это в основном E.coli, гнилостные и бродильные анаэробные и аэробные микроорганизмы (клостридии, вибрионы, спирохеты и др.).

Мезосапробная зона. (речная вода). Вода, где активно происходит минерализация органических веществ с интенсивными процессами окисления и нитрификации. Средняя степень загрязненности с содержанием микроорганизмов до 10⁵ мт/мл. Это сапрофитные бактерии, нетребовательные к питательному субстрату, они поступают из почвы. К ним относятся Azotobacter, Nitrobacter, Achromobacter, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirillum и др. Количественный и качественный состав микроорганизмов зависит от поступления в водоемы сточных и промышленных вод.

Олигосапробная зона. (горные ручьи, родниковая вода) Зона чистой воды. Содержит очень малые количества микроорганизмов от единиц до сотни в 1 мл. Кишечная палочка отсутствует или несколько клеток на 1 мл.

Со сточными водами в водоем могут попасть многие возбудители кишечных инфекций. Вода может быть фактором передачи таких инфекций как холера, брюшной тиф, дизентерия, вирусные гепатиты А, С, Е, полиомиелит и др.

Степень свежей фекальной загрязненности воды определяется по присутствию в ней E.coli или бактерий группы кишечной палочки (БГКП). Под этим общим понятием объединяют бактерии семейства Enterobbacteriaceae, родов Citrobacter, Enterobacter, Klebsiella. Это грамотрицательные палочки, не обладающие оксидазной активностью, ферментирующие лактозу и глюкозу до кислоты и газа. Они выделяются в окружающую среду только с испражнениями человека и теплокровных животных и в воде могут сохраняться от нескольких часов до нескольких суток. Санитарные нормы для питьевой воды не допускают присутствие кишечной палочки в 1000 мл исследуемой воды, а БГКП (коли-индекс) не более 3 на 1000 мл воды. Эти показатели определяются методом мембранных фильтров. Общее количество бактерий в 1 мл питьевой воды не должно быть более 100.

 

Микрофлора воздуха. С микрофлорой почвы и воды взаимосвязана микрофлора воздуха. В воздух также попадают микроорганизмы из дыхательных путей и с каплями слюны человека и животных. Здесь обнаруживаются кокко- и палочковидные бактерии, бациллы, клостридии, актиномицеты, грибы и вирусы. Солнечные лучи и другие факторы способствуют гибели микрофлоры воздуха. Большое количество микроорганизмов присутствует в воздухе крупных городов, их меньше в воздухе сельской местности. Особенно мало микробов в воздухе над лесами, горами и морями. Много микробов содержится в воздухе закрытых помещений, микробная обсемененность зависит от условий уборки помещения, уровня освещенности, количества людей в помещении, частоты проветривания и др.

Воздухявляется неблагоприятной средой для развития микроорганизмов. Степень загрязненности воздуха зависит от очень многих факторов: время года (зима – лето), городская или сельская местность, равнина или горы, воздух открытых пространств или закрытых помещений.

Микрофлора воздуха представлена в основном кокками (стафилококки, стрептококки, сарцина), сапрофитными бактериями, грибами. В воздухе закрытых помещений накапливается микрофлора, выделяемая от человека (дыхательные пути). Патогенная микрофлора попадает в воздух при кашле, чихании (при акте чихания в воздух попадает 10⁴–10⁶ мт.). В виде аэрозолей в воздухе могут быть возбудители ОРЗ, гриппа, дифтерии, коклюша, туберкулеза, кори, легочной чумы и др. Бактерии в виде высушенных частиц размером от 1 до 100 мкм могут быть в пыли.

Санитарно-показательными микроорганизмами воздуха больничных помещений являются β- и α-гемолитические стафилококки и стрептококки. Они могут быть причиной гнойно-воспалительных заболеваний при попадании в открытую рану, поэтому в операционных, перевязочных, родовых залах, реанимационных палатах гноеродной микрофлоры не должно быть. Определение санитарно-показательных микробов осуществляется путем посева воздуха на кровяной МПА седиментационным или аспирационным методом.

Фитопатогенные микроорганизмы. В настоящее время значительная часть урожая сельскохозяйственных растений – около 30% – гибнет от вредителей и болезней. Вирусы вызывают около 300 различных болезней сельскохозяйственных культур. Количество грибов и бактерий, наносящих вред растениеводству, приблизительно в сто раз больше. Однако вредоносность вирусных болезней превосходит грибковые и бактериальные. У пораженных вирусами растений появляется неравномерная мозаичная окраска надземных органов, изменяется форма листовой пластинки и некоторых других органов. Особенно большой вред вирусы наносят культурным растениям из семейства пасленовых. При изучении мозаичной болезни табака и была открыта эта группа вирусов в 1892 г русским ученым Д.И.Ивановским.

Одним из основных механизмов, ответственных за появление новых вирулентных рас патогенного микроорганизма, служат мутации. Большая роль в изменении вирулентности у грибов, которые имеют половой процесс, принадлежит гибридизации.

Фитопатогенные бактерии вооружены мощным ферментативным аппаратом, который может осуществлять превращения практически всех содержащихся в тканях зеленого растения соединений. Это различные группы гидролитических ферментов, участвующие в разложении элементов покровных тканей растения (целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, соединений группы лигнинов и их производных и др.). Фитопатогенные микроорганизмы располагают обширным набором протеолитических ферментов, ферментами нуклеинового обмена, эстеразами, глюкозидазами, ферментами, расщепляющими полимерные формы углеводов и др. Сложен состав ферментов окислительно-восстановительного комплекса (оксидазы, дегидрогеназы и др.).

К основным средствам воздействия патогена на ткани растения-хозяина принять относить сложный комплекс соединений, объединяемых термином «токсины». Некоторые авторы включают в понятие «токсин» также соединения, которые синтезируются клетками самого хозяина под влиянием внедрившегося в них патогена. Токсическим действие обладают органические кислоты (щавелевая, лимонная, виннокаменная, фумаровая, молочная и др.), некоторые белковые соединения (альбумины) и продукты их распада (полипептиды, аминокислоты, аммиак, амиды, триметиламин и др.). Некоторые синтезируемые патогенами полисахариды подавляют рост, процессы биосинтеза хлорофилла, вызывают увядание тканей, служат причиной образования некротических тканей и т.п. Грибы рода Fusarium синтезируют высокотоксичное специфическое соединение – фузариновую кислоту.