Экология микроорганизмов

Экология (от греч. оiкоs — дом, место обитания) мик­роорганизмов изучает взаимоотношения микроорганизмов или их сообществ между собой и окружающей средой. Микроорганизмы в природе распространены повсеместно. Они населяют почву, воду, воздух, растения, организмы животных и человека.

Взаимоотношения между микроорганизмами различных групп весьма разнообразны. Совместное существование двух различных организмов называется симбиозом (от греч. sуmbiosis — совмест­ная жизнь). Симбиотические взаимоотношения можно подразде­лить на ассоциативные и конкурентные. К ассоциативным взаи­моотношениям относятся мутуализм, метабиоз, комменсализм, сателлизм.

Мутуализм — это взаимовыгодные отношения. Микроорганизмы, обмениваясь продуктами жизнедеятельности, оказыва­ют благоприятное влияние друг на друга и совместно развива­ются значительно лучше, чем каждый из них в отдельности. Так, жизнедеятельность анаэробных бактерий в поверхностных слоях почвы возможна только в результате снижения окислитель­но-восстановительного потенциала, осуществляемого аэробными микробами, которые, в свою очередь, используют органические кислоты, образуемые анаэробными микроорганизмами.

Метабиоз характеризуется последовательной сменой одних групп микроорганизмов другими на основе использования продуктов жизнедеятельности предшествующих групп. Например, аммонифицирующие бактерии образуют аммиак, который затем окисляют до нитратов нитрифицирующие бактерии.

Комменсализм характеризуется такими взаимоотношениями особей разных видов, при которых выгоду из симбиоза извлекает один вид, не причиняя вреда другому. Бактерии, составляю­щие нормальную микрофлору тела человека, являются комменсалами.

Сателлизм — взаимоотношения стимуляции одного вида мик­роорганизмов другим. Например, колонии дрожжей или сарцин, выделяя в питательную среду продукты жизнедеятельности, сти-

мулируют рост колоний микроорганизмов, более требовательных

к питательным средам вокруг.

К конкурентным взаимоотношениям относят антагонизм, при котором один вид микроорганизмов угнетает жизнедеятельность другого за счет образования вредных продуктов, приводящих к повреждению или гибели другого. Открытие явления антагонизма принадлежит Л. Пастеру. Он описал гибель возбудителя сибирской язвы при совместном его культивировании с синегнойной палочкой. Известны антагонистические взаимоотношения нормальной микрофлоры толстого кишечника человека — лактобактерий, кишечной палочки, бифидобактерий в отношении гнилостных микробов, возбудителей дизентерии и т. д.

Антагонистические взаимоотношения возникают в борьбе за вещества питательного субстрата, использование молекулярного кислорода и др. Такого рода воздействия, препятствующие жиз­ненным проявлениям микробов, называются антибиозом. Отсюда и произошло название «антибиотики».

Бактериоцины являются исходной субстанцией для получе­ния антибиотиков природного происхождения. Наиболее активные продуценты антибиотиков — плесневые грибы и актиномицеты. Пенициллин продуцируют плесневые грибы Реnicilium сhrуzogenum и др. Из актиномицетов получено большинство антибиотиков: стрептомицин, тетрациклин, хлоромицетин, биоми­цин, неомицин, нистатин, канамицин и др.

Крайним проявлением конкурентных взаимоотношений микроорганизмов является паразитизм, когда один микроорганизм использует другой как источник питательного субстрата. Так, в 1963 году была описана бактерия-паразит — Вdеlоribrio bасtеriororum, которая паразитирует на многих грамположительных и грамотрицательных бактериях. Настигнув бактерию, Вdеlоribrio пробуравливает клеточную стенку и внедряется в клетку. Через 3—5 часов в клетке бактерии-жертвы образуется от 20 до 50 клеток-паразитов. Типичным примером паразитизма являются взаимоотношения вирусов бактерий — бактериофагов с микробными клетками.

Антагонизм может проявляться при конкуренции за источни­ки питания в том, что те микроорганизмы, которые размножаются более интенсивно, быстро используют питательный субстрат, подавляя рост других микробов. Существуют взаимоотношения хищничества между микроорганизмами. Например, амеба в кишечнике может захватывать и переваривать бактерии.

Несомненно, что характер взаимоотношений микроорганизмов между собой и окружающей средой определяет ту или иную экологическую нишу, которую занимает каждый вид микробов. Поэтому немаловажное значение имеют взаимоотношения микробов с физическими и химическими факторами внешней среды.

ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Температура — наиболее мощный фактор воздействия. Прокариоты не имеют физиологического механизма, регулирующего температуру клетки, и, следовательно, их жизнедея­тельность зависит от температуры окружающей среды. Микробы обладают сравнительно высокой приспособляемостью к темпера­турным условиям. У сапрофитов она выражена широкими диапа­зонами, у патогенных микроорганизмов ограничена температурой тела хозяина. Например, сенная палочка способна размножаться при температуре от 5 до 57 °С, тогда как гонококк только при 35—37 °С. В то же время для каждого вида микробов как сапрофитов, так и патогенных существуют температурные границы — оптимум, минимум, максимум.

Оптимальной температурой является та, при которой микробы лучше всего растут и развиваются. Минимальной температурой считается та, ниже которой микроб не способен к развитию. Максимальная температура является предельной, выше которой рост микроба не происходит.

Все микроорганизмы объединены в три физиологические группы, приспособившиеся в процессе эволюции к жизни при определенных температурах: психрофилы, мезофилы, термофилы. Для психрофилов температурный оптимум 15—20°С, для мезофилов — 30 °С, термофилов — 50—60 ° С. Группа мезофильных микроорганизмов является наиболее обширной, куда отно­сится большинство сапрофитов и все патогенные микробы.

Микробы чрезвычайно устойчивы к низким температурам (до минус 190—253 °С). Механизм действия низких температур на микробную клетку заключается в затормаживании в ней процес­сов метаболизма, прекращении роста и размножения и переходе микроба в состояние анабиоза, в котором он может существовать многие месяцы. В анабиотическом состоянии микробы не вызы­вают гниения, что широко используется в промышленности, быту (хранение продуктов в холодильнике).

В микробиологической практике широко применяется длительное хранение микробов, например, вакцины в высушенном виде из замороженного состояния (так называемая лиофильная сушка). Повторное замораживание и оттаивание вызывают гибель микробов.

В отличие от низких высокие температуры оказывают губи­тельное действие на микроорганизмы. Чем больше выходит тем­пература за пределы максимума, тем быстрее гибнут вегетативные клетки. Споры бактерий значительно устойчивее к действию высокой температуры из-за малого содержания в них свободной воды, высокой концентрации кальция и прочной оболочки. При повышении температуры выше максимального предела наблюдается

выделениеРНК из клетки, нарушается активность ферментных систем, происходит денатурация белков, что в конечном счете вызывает необратимую деградацию клеточных структур.

Применение высокой температуры является самым распространенным, удобным и надежным способом стерилизации. Сте­рилизация — это освобождение от микробов различных объектов.

Влияние высушивания. Развитие прокариот, как и любых дру­гих организмов, в первую очередь зависит от степени влажности. Именно наличие влаги определяет уровень процессов метаболизма в клетке, поступление в нее веществ питательного субстрата, энергию роста и размножения бактерий. Отдельные группы прокариот характеризуются разнообразной потребностью к условиям влажности и по-разному реагируют на высушивание. Большинство бактерий нормально развиваются при влажности среды свыше 20 %.

Высушивание бактерий приводит к обезвоживанию цитоплазмы клетки, почти полному прекращению процессов метабо­лизма и в конечном итоге переходу клетки микробов в состояние анабиоза. На отношении микроорганизмов к высущиванию издавна основано хранение пищевых продуктов в сухом состоянии, в аптеке — лекарственного растительного сырья..

Однако и в условиях иссушения бактерии сохраняют жизне­способность. Так, микобактерии туберкулеза сохраняют жизнеспособность в высохшей мокроте больного более десяти месяцев, споры бацилл сибирской язвы в сухом состоянии выживают до десяти лет.

Различные виды излучения оказывают бактерицидное (убивающее) действие на микробы. Действие излучений на прока-риоты зависит от их энергии и дозы облучения. Инфракрасное излучение не способно вызывать какие-либо существенные изменения в живых клетках. Рентгеновские лучи заключают в себе огромную энергию, которая приводит к развитию мутаций или гибели клетки.

Сильным мутагенным эффектом обладают ультрафиолетовые лучи. Их используют при обеззараживании продуктов питания, лабораторной посуды, воздуха помещений, обработке биологи­ческих препаратов — вакцин и сывороток.

Ультразвук (высокочастотные колебания звуковых волн) оказывает мощное бактерицидное действие на прокариотов. Механизм действия заключается в необратимых физико-химических изменениях компонентов клетки и повреждениях всех клеточных структур. В настоящее время УЗ-датчики применяются для стери­лизации вакцин, лабораторного оборудования.

Микробы устойчивы к повышенному атмосферному давлению (200—900 атм. на дне морей, океанов). Споры выдерживают давление до 20 000 атм.

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Бактерицидное действие химических веществ имеет огромное практическое значение, поскольку их используют для дезинфекции — уничтожения патогенных микробов во внешней среде и обеззараживания патологического материала, полученного от больных.

В качестве дезинфицирующих средств применяют галои­ды, окислители, фенолы и их производные, тяжелые металлы, кислоты, щелочи, спирты, газообразные вещества. Губительное действие ряда соединений обусловлено производимыми ими окис­лительными реакциями в цитоплазме клетки, нарушениями деятельности ферментов.

Основой бактерицидного действия солей тяжелых металлов является их коагулирующее воздействие на белки цитоплазмы. В дезинфекционной практике используются такие хлорсодержащие вещества:

хлорная известь — 10—20 %;

осветленные растворы хлорной извести — 0,2—0,5 %;

сухая хлорная известь;

хлорамины (Б и ХБ);

дезам (50 % хлорамин Б + щавелевая кислота);

пантоцид (таблетки, содержащие 4 мг активного хлора);

формалин (35—40 %-ный водный р-р формальдегида);

фенол (кристаллическая карболовая кислота);

лизол А и Б;

моющие средства — это детергенты, обладающие высокой поверхностной активностью и в связи с этим моющим, некото­рым дезинфицирующим и растворяющим действием;

соли тяжелых металлов, ртути (сулема и др.) — применяют редко, поскольку они токсичны и малоэффективны.

Кислоты применяются в смеси с другими дезинфицирующими средствами. Бактерицидное действие кислот на микробную клетку основано на обезвоживании цитоплазмы, растворении и расщеплении белков. Использование кислот в дезинфицирующей практике значительно сужается, так как они вызывают порчу обрабатываемых поверхностей.

Щелочи обладают бактерицидными, вирулицидными и спо-роцидными свойствами. Они разрушают микроорганизмы, вызывают гидролиз белков, омыляют жиры, расщепляют углеводы, вызывают набухание и изменяют осмос микробной клетки. В практике обеззараживания щелочи не нашли широкого применения, так как разъедают кожные покровы, раздражают слизистые оболочки глаз, повреждают обрабатываемые ткани.

Спирты обладают слабыми бактерицидными свойствами. Бактерицидная эффективность спиртов зависит от коагулирующего

действия их на микроорганизмы и изменения поверхностного натяжения. Спирты проникают в клетку, отнимают от нее воду и свертывают белки. Максимально выражены бактерицидные свойства у 70 %-ного спирта. Он медленнее свертывает белки и поэтому лучше проникает в глубь микробной клетки.

Наряду с дезинфицирующими в медицинской практике широко применяются антисептические средства, или антисептики. Антисептика (от анти... и греч. septicos — гнойный) — метод предупреждения заражения и лечения инфицированных ран воздействием на патогенные микробы химическими соединениями.

До появления антисептиков хирургическое лечение резко ограничивалось из-за послеоперационных осложнений. В 1867 году английский хирург Д. Листер впервые разработал теоретически обоснованный метод борьбы с микроорганизмами, попавшими в рану.

С появлением антибиотиков внимание к антисептикам уменьшилось и круг их применения сузился. Вместе с тем многолетний опыт использования антибиотиков показал, что они не сдержива­ют в полной мере рост инфекционных и гнойно-воспалительных заболеваний. Этот факт и ряд негативных сторон применения антибиотиков возобновили интерес к антисептикам. В настоящее время антисептические средства определяют как химические пре­параты в основном длительного микробостатического действия, хорошо переносимые кожей, слизистыми оболочками и раневы­ми поверхностями, растворимые в липидах и плохо или умеренно растворимые в воде, используемые в различных лекарственных формах для обработки кожи, слизистых оболочек, ран, полостей с целью лечения инфекционных поражений или их предупреждения.

Классификация антисептических средств учитывает следующие их характеристики:

происхождение — неорганические вещества; биоорганичес­кие вещества и их синтетические аналоги; органические соединения абиогенной (синтетической) природы;

химическое строение — галогены и их органические и неор­ганические производные (хлорамин, пантоцид, спиртовый раст­вор йода, раствор Люголя, йодоформ); окислители — перекись водорода и перманганат калия; альдегиды; спирты (этиловый спирт); тяжелые металлы и их органические и неорганические соли (сулема, ртутные мази, протаргол, нитрат серебра и ДР.); кра­сители (этакридин, метиленовый синий, бриллиантовый зеленый);

фенол и его производные; 8-оксихинолины; 4-хинолины; хиноксолины; нафтилидины; нитрофураны; четвертичные аммониевые соединения и их аналоги; производные высших жирных кислот, антисептики растительного и животного происхождения; антиби­отики антисептического назначения (грамицидин); иммобилизо­ванные антисептики;

направленное действие — антибактериальные, антивирусные, противогрибковые, антипаразитарные;

механизм действия — деструктивные, окислительные, мем-браноатакующие, антиметаболические, антиферментные;

спектр антимикробного действия — универсальные, широко­го, умеренного и узкого спектра;

конечный эффект — микробоцидные; микробостатические;

микробостатичноцидные; снижающие численность микробной популяции;

состав — монопрепараты; комплексные, многокомпонентные лекарственные средства;

цель — профилактические; терапевтические; лечебно-профи­лактические; бинарные (антисептического и химиотерапевтического, антисептического и дезинфицирующего назначения); мно­гоцелевые (фармакоантисептические);

место аппликации — раневые (хирургические); кожные; пероральные; офтальмологические; отоларингологические; урологи­ческие; генитальные; стоматологические, ингаляционные; достав­ляемые к месту действия кровеносной или лимфатической системой.

Наиболее широко применяются такие антисептические сред­ства как ПАВ (поверхностно-активные вещества) анионного и катионного типов. К группе анионных ПАВ относятся щелочные мыла, производные алкилсульфатов и алкил-(арил)-сульфонов, натрия холеат.

К катионным ПАВ принадлежит вся группа четвертичных аммониевых соединений: цетовлон, цетримид, бензалконийхлорид, бензетхонийхлорид, этоний, декаметоксин, дегмин, церигель, хлоргексидин, деквалин и др. Йодоформ как антисепти­ческое средство может относиться к анионным, катионным, амфолитным и неионным ПАВ.

В последнее время большое внимание уделяется созданию иммобилизованных антисептиков. Они слагаются из носителя (матрицы) и активнодействующего вещества. По сравнению с дру­гими антисептическими средствами оказывают менее выражен­ный побочный эффект на организм больного, потому что дли­тельно и равномерно освобождают активные вещества в среду, замедляют всасывание действующих веществ в кровь и лимфу, блокируют биотрансформацию и противодействуют выделению антимикробных веществ с места аппликации.

К иммобилизованным антисептикам, которые нашли приме­нение в различных областях медицины, особенно в хирургии, от­носятся антимикробные нити и марля, тканые и нетканые мате­риалы, гранулы, пленки, бактерицидные повязки, гидрогелевые перевязочные материалы и пр..

МИКРОФЛОРА ПОЧВЫ

Почва является благоприятной средой для микроорга­низмов, так как здесь имеются питательные вещества и влага, не­обходимые для их размножения и развития. Распределение мик­роорганизмов в почве неравномерно и зависит от количества органических веществ, климатических воздействий и от многих других факторов.

Поверхностный слой почвы беден микроорганизмами вследст­вие прямого влияния таких факторов внешней среды как ультра­фиолетовые лучи, высокие температуры, высушиваиие и т. д. Боль­шинство микроорганизмов почвы развиваются при нейтральном рН, высокой относительной влажности и температуре 25—45°С.

Наибольшее количество микроорганизмов содержится в вер­хнем слое почвы на глубине 5—15 см. Здесь находят благоприятные условия амебы, инфузории, грибы, водоросли, актиномицеты, бактерии. По мере углубления в почву содержание микроорганизмов уменьшается и на глубине 3—4 м встречаются лишь единичные экземпляры. Если сравнить количество микроб­ной массы на различных почвах, то на малоплодородные почвы приходится до 3 т, на высокоплодородные — до 16т микробной массы на 1 га.

На количество микроорганизмов в почве влияет и раститель­ный покров: у корневой зоны растений их значительно больше, я чем вне корневой зоны. Это объясняется тем, что в ризосфере (прикорневая зона растений) микробы развиваются за счет корневых выделений и продуктов, образующихся при разложении отмирающего эпителия корневых волосков.

В почве живут азотфиксирующие бактерии — это клубенько­вые бактерии; специфичные для каждого вида бобовых растений,— клевера, сои, гороха, фасоли, люцерны. При благоприятных условиях клубеньковые бактерии могут зафиксировать на 1 га за год до 200 кг атмосферного азота, при этом значительно повышается плодородие почв. Свободноживущие азотфиксаторы развиваются и фиксируют азот в почве независимо от растений — это азото­бактер, цианобактерии или сине-зеленые водоросли.

К почвенным бактериям относят аммонифицирующие бакте­рии, осуществляющие минерализацию белков при гниении органических остатков: Ваcillus subtilis, Ваcillus mусоides, Ваcillus megaterium и др. Бактерии рода Рsеudоmопаs: Рs. fluorescens и Рs. аеruginosа участвуют в процессе восстановления нитратов до мо­лекулярного азота.

Обычно почва является неблагоприятной средой для боль­шинства патогенных видов бактерий, вирусов, грибов и простей­ших, поскольку в ней отсутствуют необходимые питательные ве­щества и другие условия для их размножения. Тем не менее

некоторые из них могут сохраняться в почве от нескольких дней до нескольких месяцев, например, возбудители дизентерии, брюш­ного тифа, энтеровирусных инфекций, бруцеллеза, туберкулеза, туляремии, лептоспироза. Наиболее длительное время в почве сохраняются спорообразующие бактерии: клостридии столбняка, ботулизма, газовой анаэробной инфекции, бациллы сибирской язвы (десятки лет). Патогенные микроорганизмы могут попадать в почву с фекалиями, трупами, хозяйственно-бытовыми отхода­ми и в дальнейшем распространяться через воду, траву, овощи или с помощью грызунов и насекомых.

В почве обитают патогенные грибы, которые, проникая в ор­ганизм, вызывают такие заболевания как аспергиллез, гистоплазмоз и микотоксикозы.

Учитывая роль почвы как фактора передачи некоторых ин­фекционных заболеваний животных и человека, в санитарно-эпи-демиологической практике проводится обеззараживание почвы, принимаются меры, предотвращающие ее загрязнение патоген­ными микроорганизмами. Наличие в почве микроорганизмов, попадающих туда с испражнениями, является показателем ее санитарно-эпидемиологического неблагополучия.

Для характеристики обсеменения почвы микрофлорой чело­века и животных выбраны такие санитарно-показательные мик­роорганизмы: Еsherichiа соli, Streptococcus faecalis, С1оstridium реrfringens. Если С1. рerfringens присутствует в почве без Е. соli, это показатель старой фекальной загрязненности среды. Наличие в почве Streptococcus faecalis свидетельствует о свежем фекальном загряз­нении. Для количественной характеристики микробного загряз­нения почвы используют микробное число — общее количество микроорганизмов в 1 г почвы; коли-титр — наименьшее коли­чество исследуемого материала, в котором обнаруживается жиз­неспособная клетка Е. соli; перфрингенс-титр почвы — наимень­шее количество почвы, в котором содержится одна клетка С1. реrfringens; коли-индекс почвы — количество Е. соli в 1 г исследу­емой почвы.