Микрофлора воды

Микрофлора воды во многом отражает микробный пей­заж почвы. С точки зрения экологии микрофлору воды подразде­ляют на собственно водную — автохтонную и поступающую в воду из почвы, воздуха, со сточными водами.

Постоянную микрофлору естественных водоемов составля­ют Рseudomonas fluorescens, Васterium аquatilis, Мiсrосocсus rоseus и другие аэробные бактерии. В иле болот, нефтяных скважинах, илистых отложениях морей и океанов встречаются анаэробные метанообразующие бактерии.

Наибольшее количество микроорганизмов содержится в от­крытых водоемах и реках, особенно в поверхностных и прибреж­ных водах. Здесь обитают железобактерии, псевдомонады, аэро­монады, сине-зеленые и пурпурные бактерии. Водоемы, располагающиеся возле крупных городов, как правило, богаты микроорганизмами в результате их загрязнения. Особенно силь­но загрязняют поверхностные воды целлюлозно-бумажные и тек­стильные фабрики, химические, металлургические и нефтепере­рабатывающие предприятия, горные установки, а также сельское хозяйство. Большие количества органических соединений азота и фосфора попадают в водоемы со стоками животноводческих ферм и канализационными стоками.

Для характеристики степени загрязнения природных водоемов в экологии применяют понятие cапробности (от греч. sарrоs — гнилой).

Полисапробная зона — богатая органическими остатками силь­но загрязненная вода. Количество микробов в 1 мл достигает 1×10⁶ и более. Здесь преобладают бактерии, вызывающие процессы гни­ения и брожения, с выделением метана, например. Вас. се11ulosае, mеtаnicum.

Мезосапробная зона — зона умеренного загрязнения, где про­исходят процессы нитрификации — окисления аммиака, образу­ющегося при разложении органических азотсодержащих веществ. Количество микробов в 1 мл воды колеблется в пределах сотен тысяч.

Олигосапробная зона — зона чистой воды, в ней мало органи­ческих веществ, количество микроорганизмов в 1 мл составляет от нескольких десятков до сотен.

Таким образом, микроорганизмы могут принимать учас­тие в процессах самоочищения природных водоемов, расщеп­ляя органические отходы, загрязняющие их среду обитания. Этот процесс может быть широко использован человеком для переработки домашних отходов и отходов пищевой промыш­ленности.

Некоторые ученые считают, что микроорганизмы, аккумули­рующие в своих клетках тяжелые металлы и химические вещест­ва, ядовитые для человека и животных, можно использовать для очистки промышленных отходов на предприятиях, прежде чем эти отходы будут спущены со сточными водами.

При попадании в водоемы плохо обработанных или совсем необработанных канализационных стоков населенных пунктов и животноводческих ферм вода становится фактором передачи кишечных инфекций. Патогенные микроорганизмы могут дли­тельное время сохранять в воде свою жизнеспособность. Так, возбудители брюшного тифа, дизентерии, лептоспироза, гепа­тита А, полиомиелита сохраняются от нескольких дней до не-

дель. Холерный вибрион и легионеллы могут даже размножать­ся в воде.

Вода артезианских скважин практически не содержит мик­роорганизмов, поскольку они задерживаются верхними слоями почвы.

Степень биологического загрязнения воды оценивают по коли-титру и коли-индексу. Коли-индекс показывает количество кле­ток Е. соli в 1 л воды. Коли-титр — это наименьшее количество исследуемого материала, в данном случае воды, в котором обна­ружена жизнеспособная Е. соli.

МИКРОФЛОРА ВОЗДУХА

Микрофлора воздуха очень разнообразна и ее количес­твенный и качественный состав определяется степенью загрязне­ния воздуха пылью, копотью, сажей, другими продуктами жизне­деятельности человека, сезоном года, климатом и влажностью. Поскольку частицы пыли и дыма обладают способностью адсор­бировать множество микроорганизмов, большее количество мик­робов находится в воздухе крупных городов, меньшее — в сельс­кой местности, над лесами, морями и горами.

Микроорганизмы поступают в воздух с частицами пыли из почвы, растений, от человека и животных. Воздух не является средой, благоприятной для роста и размножения микробов, в нем нет питательных веществ, влаги и оптимальной температуры, гу­бительно действуют ультрафиолетовые лучи, высушивание. Поэ­тому микрофлора воздуха представлена пигментообразующими сап­рофитными бактериями. Наличие пигмента предохраняет их от неблагоприятного влияния ультрафиолета. Кроме того, в возду­хе обнаруживаются спорообразующие бациллы, дрожжевые и плес­невые грибы, вирусы.

Количество микроорганизмов в закрытых помещениях опре­деляется санитарно-гигиеническим режимом этих помещений. Скопление людей, плохая вентиляция, слабое естественное ос­вещение, редкое мытье полов создают условия для накопления в воздухе микробов. При этом патогенные микроорганизмы, по­падая в воздух от больных людей или носителей, образовывают в воздухе капельную, капельно-ядерную и пылевую фазы аэрозо­ля. Таким образом, через воздух могут передаваться возбудители гриппа, коклюша, кори, туберкулеза, стафилококковой и менингококковой инфекций и т. д. Косвенно о наличии патогенных микроорганизмов в воздухе помещений можно судить по присут­ствию таких санитарно-показательных бактерий как золотистый стафилококк, зеленящий стрептококк, показателем прямой эпи­демиологической опасности является наличие гемолитических стрепто- и стафилококков.

Проветривание помещений, влажная уборка в сочетании с вен­тиляцией и обработка помещений лампами ультрафиолетового об­лучения ведет к снижению микробной обсемененности воздуха.

РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В КРУГОВОРОТЕ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ

В природе постоянно осуществляются два противопо­ложных процесса — синтез сложных органических веществ из ми­неральных и разложение органических соединений до минераль­ных. В процессах превращения веществ в природе микроорганизмы принимают самое активное участие. Рассмотрим наиболее важ­ные из них для жизни человека, животных и растений — кругово­рот азота, углерода, фосфора, серы, железа.

В круговороте азота различают такие этапы: усвоение атмосфер­ного азота, аммонификацию, нитрификацию и денитрификацию.

К основным видам азотфиксирующих бактерий, которые не­зависимо от растений свободно обитают в почве, относят Аzоtоbасtег сhrоососсum и С1оstridium раstеuranum. В молодых культу­рах Аzоtоbасtег сhrоососсum представляет собой крупные (4—6 мкм) грамположительные палочки, которые в последующем приобре­тают округлую форму, соединяясь в виде диплококков или сар­ацин, окруженных общей капсулой.

С1оstridium раstеuranum фиксирует атмосферный азот в анаэ­робных условиях, кроме того, может вызывать и маслянокислое брожение. Это полиморфный микроорганизм, споры его имеют треугольную форму, окружены студенистой капсулой. Способностью фиксировать атмосферный азот обладают клубеньковые бактерии, живущие на корнях таких бобовых растений, как горох, люпин, вика, клевер и т. д.

Для повышения плодородия почвы в растениеводстве исполь­зуют препарат азотобактерин, состоящий из живой культуры азо­тобактера, и нитрагин — из живых клубеньковых бактерий, кото­рые вносят под бобовые культуры.

Сложные органические азотсодержащие соединения попада­ют в почву с разлагающимися отмершими растениями, выделени­ями и трупами животных. Гнилостные микробы выполняют роль санитаров, очищая почву и воду от разлагающихся органических веществ. Процесс образования аммиака при разложении азотсо­держащих органических соединений, происходящий с участием аммонифицирующих микробов, выделяющих протеолитические ферменты, называется аммонификацией, или минерализацией. Аммонификацию вызывают микроорганизмы, разлагающие мо­чевину, спорообразующие аэробные и анаэробные бактерии, неспорообразующие аэробы, актиномицеты, плесневые грибы рода Рenicillium, живущие в почве.

Аммонификация в кислородных условиях называется тлени­ем. Ее осуществляют картофельная палочка — Ваcillus mesentericus; капустная палочка — Ваcillus megaterium; сенная палочка — Ваcillus subtilis; грибовидная палочка — Ваcillus mусоides; не обра­зующие спор: кишечная палочка —Е. соli; Рroteus vulgaris. В ана­эробных условиях происходит гниение органических остатков, которое осуществляют С1оstridium sporogenes; С1оstridium putrificum и т. д.

Разложение мочевины, выделяющейся с мочой человека и жи­вотных, вызывают уробактерии. При этом образуется аммиак, вода и углекислый газ. Продукты жизнедеятельности аммонифицирующих микроорганизмов могут усваиваться высшими растениями в виде солей аммония, хотя более пригодными являются азотно­кислые соли — селитры.

Образование азотнокислых солей (нитратов) связано с ми­нерализацией азотсодержащих соединений сначала в азотистую, а затем в азотную кислоты.

Первую стадию нитрификации осуществляют бактерии рода Nitrosomonas; вторую — Nitrobacter. В почве образовавшаяся азот­ная кислота вступает в соединение со щелочами, в результате чего образуются селитры:

HNO₃ + KOH = KNO₃ + H₂O;

2HNO₃ + Са(ОН)₂ = Са(NO₃)₂ + 2Н₂0.

Таким образом, образующиеся нитраты повышают плодородие почв. В то же время существует и обратный процесс — денитрифи-кации — восстановления нитратов с образованием в качестве ко­нечного продукта молекулярного азота, что приводит к снижению плодородия почв.

Наиболее распространенными бактериями, вызывающими процесс денитрификации, являются: Рseudomonas fuorescens, Рs. аеruginosa,Рs. Stutzeri.

Процесс круговорота углерода имеет важное значение в жиз­недеятельности организмов, так как 50 % живой материи состоит из углерода. При этом аутотрофные микроорганизмы, используя солнечную (сине-зеленые, пурпурные бактерии) и химическую энергию (тионовые бактерии), наряду с зелеными растениями принимают участие в превращении углекислого газа в органичес­кие вещества. Обратный процесс разложения органических без­азотистых соединений с выделением углекислого газа происходит, как правило, при окислении или брожении, вызываемом различ­ными микроорганизмами. Так, целлюлозные бактерии разлагают клетчатку растений с высвобождением углекислого газа, поступа­ющего в атмосферу и гидросферу. Клетчатку в аэробных условиях могут разлагать также актиномицеты и грибы родов Аsреrgillus, Реnicillium и др.

Спиртовое брожение вызывают дрожжевые грибы, имеющие, фермент зимазу. Дрожжи широко распространены в окружающей среде на плодах, листьях и стеблях растений.

Пекарские, или хлебные дрожжи Sассharоmусеs сегеvisiае — овальные клетки размером 8—10 мкм, вызывающие верховое бро- жение при температуре до 24°С с обильным выделением газа; используют в хлебопечении и виноделии. При температуре до 10°С дрожжи размножаются медленно в нижних слоях и используются в пивоварении.

Тоru1а керhir — кефирные дрожжи овальной или округлой формы, располагаются в кефире колониями.

Спиртовое брожение можно представить как ферментацию cахаров до спирта и углекислого газа таким уравнением:

С₆Н₁₂ O₆ = 2СН₃СН₂ОН + 2СО₂ + 27 ккал.

Молочнокислое брожение происходит с образованием молоч­ной кислоты и вызывается такими микроорганизмами как: Strерtососсus 1асtis — располагаются обычно цепочками; Васt. bulgaricum — впервые выделены И. И. Мечниковым из болгарской простокваши; Васt. асidofillum, Васt. саsеi, Васt. Delbrucki — не­споровые палочки, используются в промышленности как проду­цент молочной кислоты; Васt. brassicum — основные возбудители брожения при сквашивании капусты. Перечисленные молочно­кислые бактерии являются антагонистами гнилостных микробов, поэтому молочнокислые продукты используют для лечения и про­филактики кишечных заболеваний, вызванных гнилостными мик­робами.

Маслянокислое брожение вызывается маслянокислыми микро­бами С1оstridium pasteurianum, С1. ресtоnоvоrum, С1. felsineum — спорообразующими анаэробами. Споры устойчивы к высоким температурам, могут переносить стерилизацию при температуре 120 ° С, сохраняя жизнеспособность в мясных и рыбных консер­вах. Суммарно маслянокислое брожение можно представить сле­дующим уравнением:

С₆Н₁₂ O₆ = СН₃СН₂ СН₂ОOН + 2СО₂ + H₂+20 ккал.

Размножаясь в консервах, возбудители маслянокислого бро­жения вызывают вздутие (бомбаж) банок. При этом накаплива­ются ядовитые продукты, так как одновременно с углеводами микробы разлагают жиры и белки, образуя ацетон, бутиловый спирт. Основной продукт маслянокислого брожения — масляная кислота.

Круговорот фосфора, серы и железа происходит также при участии микроорганизмов. Фосфор — элемент, входящий в со­став нуклеиновых кислот и других органических соединений,

сера — в состав аминокислот, необходимых для синтеза белка, железо — в состав белка гемоглобина. С помощью железобакте­рий, серобактерий, гнилостных бактерий органические вещест­ва растительного и животного происхождения минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа.

МИКРОБИОЦЕНОЗЫ ЧЕЛОВЕКА

С современных экологических позиций нормальную микрофлору человека следует рассматривать как совокупность множества микробиоценозов, характеризующихся определенным качественным и количественным составом и занимающих кон­кретные биотопы в организме.

На коже и слизистых оболочках, в открытых полостях чело­веческого организма присутствуют смешанные микробные попу­ляции, составляющие нормальную (индигенную) микрофлору, или аутофлору. Она включает в себя сотни видов микроорганизмов, а их общая численность превышает 10¹³ клеток.

Макроорганизм и его микрофлора — взаимосвязанные и вза­иморегулируемые биологические системы. Для каждой области тела характерна своя микрофлора. Различают автохтонную — постоянно присутствующую микрофлору, стабильную по соста­ву и обнаруживаемую в определенной локализации у людей од­ной возрастной категории, и аллохтонную — транзиторную, рас­сматриваемую как добавочная, случайная флора.

Критериями автохтонности вида микроорганизма считаются:

колонизация им определенного биотопа и постоянное присутст­вие у всех взрослых особей; высокий популяционный уровень;

способность размножаться в анаэробиозе; тесная связь с эпи­телием слизистых оболочек или кожи. Такие микроорганизмы являются сапрофитами. Их развитие в тех или иных биотопах обусловлено рядом соответствующих физиологических факто­ров — температурой, влажностью,рН, наличием питательных субстратов.

Представители аутофлоры фиксируются в определенных мес­тах кожи и слизистых путем взаимодействия поверхностных бак­териальных структур — мембран и пилей, содержащих вещества гликолипидной природы с рецепторами (гликопротеинами) мем­бран эпителиальных клеток. Прикрепившись, микроорганизмы продуцируют вещества, образующие биопленку толщиной от до­лей до десятков мкм. Она состоит из экзополисахаридов микроб­ного происхождения, муцина, продуцируемого клетками хозяи­на, и миллиардов микроколоний. В составе такой биопленки микроорганизмы гораздо более устойчивы к внешним, в том чис­ле инфекционным, факторам. Этот факт является базисным для

понимания роли нормальной микрофлоры в противоинфекционной защите организма.

При формировании индивидуального микробного пейзажа человеческого организма некоторую роль играет генотип, опреде­ляя белковую структуру рецепторного аппарата клеток, белковую специфичность муцина и т. п. Образование микробных экосистем тела человека — это эволюционно сложившееся биологическое явление, предполагающее динамическое равновесие между мик­рофлорой и иммунитетом. Иммунная система, осуществляющая контроль за антигенным постоянством организма, во многом оп­ределяет характер аутофлоры и способствует поддержанию ее ста­бильности. Некоторые представители нормальной микрофлоры не индуцируют антителообразование; другие — имеют одинако­вые антигенные компоненты с клетками тканей человека (явле­ние иммунологической мимикрии).

Транзиторные микроорганизмы являются непатогенными или условно-патогенными микробами, попадающими в организм че­ловека из окружающей среды; при этом, не являясь его постоян­ными обитателями и не вызывая заболеваний, они могут нахо­диться в течение различного времени на коже и слизистых оболочках.

Кровь и внутренние органы, не сообщающиеся с внешней средой, стерильны. Из кишечника и других полостей в них могут попадать микроорганизмы, но они уничтожаются факторами не­специфической резистентности. Естественные механизмы защи­ты препятствуют проникновению микробов в такие полости как матка и мочевой пузырь. Крайне мало микроорганизмов в легких, поскольку большинство из них не проходит секреторных барь­еров.

Кожа, слизистые оболочки глаз, верхних дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, наружных половых органов имеют нормальную микрофлору.

Рассматривая вопросы количественного и качественного со­става микрофлоры человека, необходимо отметить, что современ­ные технические методы не позволяют культивировать до 50 % составляющих ее анаэробных бактерий, это затрудняет создание объективной микроэкологической карты человеческого организ­ма. Такие микроэкологические исследования представляются од­ной из интереснейших перспектив в развитии микробиологии будущего.