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 свободноживущяе 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-показа-тельного 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, ак-тиномицеты и грибы — возбудители микозов. Вторая группа — это спо-рообразующие 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, a 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, леп-тоспирозов и других инфекционных болезней.

Санитарно-гюказательными микроорганизмами для воды являются бактерии группы кишечной палочки (БГКП), принадлежащие к разным родам семейства энтеробактерий. Санитарно-микробиологическое состояние воды оценивается по следующим показателям:

• 1) микробное число — общее 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 условнопатогенных 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. 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 haeraolyticus и Staphylococcus aureus.

Чистота воздуха зависит от своевременного проветривания помещения и влажной уборки. Применяется обработка воздуха бактерицидными УФ-лампами. Для уменьшения контаминации воздуха 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, необходимые 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 и 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 бактерии. 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. Определяют 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 растения.

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 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. 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 сделали бы невозможной дальнейшую жизнь на ней, если бы они не разрушались 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 (В. subtilis, В. niesentericus, 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 азот-фиксирующие бактерии и клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями, образуя клубеньки на корнях. Азотфиксиру-ющие 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 следующие виды брожения: спиртовое, уксуснокислое, молочнокислое, маслянокислое, а также разложение целлюлозы (клетчатки). 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 лактобактерии, 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.