Екологія мікроорганізмів

Термін екологічна мікробіологія вперше був введений у 1945 році С.М. Виноградським. Він сформував положення про постійну (аутохтонну) та тимчасову (алохтонну) мікрофлору конкретної мікробіологічної ніші.

Природні середовища існування мікроорганізмів: ґрунти, водойми, повітря, організми рослин, тварин і людей. У кожному з них розрізняють:

• постійну (резидентну, індигенну, аутохтонну) мікрофлору;

• випадкову (транзиторну, алохтонну) мікрофлору.

1. Ґрунт – найсприятливіше середовище існування мікроорганізмів. Ґрунти з рослинами і тваринами утворюють складні та багатоманітні біогеоценози, склад, щільність, функціональна активність яких залежать від типу і структури ґрунту, складу мінеральних і органічних речовин, фізико-хімічного стану, температури, рН, вологості, концентрації О2 і СО2.

Максимальна кількість мікроорганізмів у чорноземах і червоноземах на глибині 10-20 см, понад 1-2 м – зустрічаються в незначній кількості, починаючи з 5-6 м ґрунт стерильний. Патогенні мікроорганізми попадають у ґрунт із виділеннями, сечею, гноєм, мокротою, слиною, з трупами людей і тварин, при викиді фекально-побутових і стічних вод різних підприємств.

І) Серед грамнегативних бактерій найпоширеніші мешканці ґрунту такі:

1. Фототрофні бактерії:

- оксифотобактерії – ціанобактерії, що здійснюють кисневий фотосинтез (заливні рисові поля);

- аноксифототрофні бактерії – пурпурні та зелені, що здійснюють безкисневий фотосинтез.

Багато з них здатні до азотфіксації. У аеробних ціанобактерій цей процес пов’язаний з існуванням гетероцист, у яких чутливий до кисню фермент нітрогеназа, захищений від кисеньпродукуючої фотосинтетичної системи. Зрілі гетероцисти мають 3 додаткові шари поверх клітинної стінки і з вегетативними клітинами контактують через чисельні пори. Фотосинтетичні мембрани в гетероцистах сильно редуковані. Вегетативні клітини ціанобактерій проявляють сильну нітрогеназну активність лише в анаеробних чи мікроаеробних умовах.

2. Хемотрофи – населяють ті зони, де є легкодоступна для гідролізу органічна речовина, особливо їх багато в зоні кореневих систем рослин і на самих коріннях:

- псевдомонади – рухливі, утворюють спори, зазвичай аероби, деякі здатні до денітрифікації. Окремі збудники хвороб рослин – ксантомонаси;

- бделовібріони – трохи зігнені палички, з товстим полярним джгутиком. Це облігатні паразити бактерій, які проникають у периплазматичний простір інших Гр- клітин. Там ростуть, набуваючи форми довгої спірили, а далі поділяються відразу на кілька клітин. Ці клітини набувають джгутиків і виходять із клітини-господаря, активно нападаючи на нові бактерії;

- азотобактерії – великі перитрихи, аеробні азотфіксатори. Найрозповсюдженіший вид – A. chroococcum. Короткі рухливі палички перетворюються в нерухливі коки, об’єднані в диплококи. Вони покриваються слизистими капсулами. Під час старіння утворюються додаткові покриви, клітини спокою – цисти;

- бульбочкові бактерії – рухливі палички, не утворюють спор. Нерухомі, викривлені палички – бактероїди здатні до азотфіксації;

- ентеробактерії. Екологічно виділяють 3 групи – представники нормальної кишечної мікрофлори ссавців і збудники кишечних інфекцій (сальмонели, шигели); епіфітні та патогенні для рослин бактерії (ервінії); мешканці водойм і ґрунту (протеї, сератії). Активні амоніфікатори – протей навіть розкладає сечовину;

- брунькуючі бактерії – у нітробактерій утворюються „сидячі” бруньки, у гіфомікробіумів – на виростах (стебельцях);

- міксобактерії та цитофаги – слизутворюючі ковзаючі бактерії. Міксобактерії відрізняються складним життєвим циклом із формуванням плодових тіл. Можуть, окрім ґрунту, рости на гною, корі дерев. Розкладають целюлозу чи лізують інші бактерії. Хітинофаги розкладають хітин;

- простекобактерії – мають простеку у вигляді стебельця. Caulobacter відрізняється унікальним життєвим циклом. У клітини з′являється спочатку джгутик, на протилежному полюсі, на простеці, формується фіксатор, що складається з пластинок липкого матеріалу. Під час поділу утворюються 2 нерівноцінні клітини:

а) одна з простекою продовжує поділ;

б) друга з джгутиком плаває доти, поки не втратить його і не виросте простека. Тоді починає поділ. Кілька клітин із простеками об’єднюються в розетки за рахунок злипання стебелець. Часто за їх допомогою прикріплюються до більших бактерій. Дуже погано вивчені. Серед них зустрічають шестикутні форми;

- спірили – дуже рухливі. На коріннях злакових розповсюджені азоспірили, що володіють азотфіксуючою здатністю;

- спірохети – довгі (500 мкм), рухливі за рахунок аксіальних волокон.

ІІ) Серед грампозитивних зустрічаються:

- спороутворюючі – більшість паличкоподібних – бацили (утилізатори білків, сечової кислоти, фосфоорганічних сполук), клостридії (анаероби – 4 групи – цукролітичні, пектинолітичні, пуринолітичні, сульфатредукуючі). Беруть участь у перетвореннях сполук вуглецю, азоту, сірки;

- коринебактерії – характеризуються плеоморфним ростом із циклом „кок-паличка-кок” і клітинами у формі Т, Х, У, V. Артробактери беруть участь у процесах мінералізації органічних речовин в аеробних умовах. Їх вміст зростає у ґрунтах, бідних свіжими органічними залишками та в екстремальних умовах – тундра, високогірні райони, пустелі. Вони не утворюють таких стійких ендоспор, як бацили, але їх клітини довго зберігають життєздатність, а популяції виживають завдяки економному використанню ендогенних субстратів. У процесі розпаду органічних речовин деякі види утворюють пероксид водню, який бере участь в окисленні та осадженні заліза і марганцю.

- актиноміцети – високий вміст ГЦ пар 60-75%. Усі вони розкладають складні органічні речовини;

ІІІ) Мікоплазми – найважливіші Gallionella, Metallogenium, Siderococcus, розповсюджені на рослинах, тваринах, ґрунтах, чистих і стічних водоймах;

ІV) Архебактерії – метаногени, сіркоокислюючі, сірковідновлюючі, термоацидофіли, галофіли.

V) Гриби – пеніцили, аспергіли беруть участь у ґрунтоутворюючих процесах, перетвореннях сполук азоту, вуглецю, виділяють біологічно активні речовини, в тому числі токсини й антибіотики. Токсиноутворюючі гриби, потрапляючи в продукти харчування, викликають інтоксикації – мікотоксикози і афлатоксикози.

VІ) Найпростіші – харчуються бактеріями й органічними залишками, викликають зміни у складі органічних сполук ґрунту. Кількість від 500 до 500000 на 1 г.

Мікроорганізми відіграють важливу роль у формуванні ґрунту й визначають його родючість. Загальна кількість мікроорганізмів свідчить про інтенсивність біохімічних процесів, які протікають у ґрунті.

Для точнішого уявлення про родючість ґрунту проводять дослідження на наявність у ньому певних фізіологічних груп мікроорганізмів – амоніфікуючих, нітрифікуючих, денітрифікуючих, азотфіксуючих та ін.

Бактеріологічне дослідження ґрунту охоплює визначення:

а) загальної кількості сапрофітних мікроорганізмів;

б) кількості мікроорганізмів різних фізіологічних груп;

в) мікроорганізмів-антагоністів і виявлення їх активності;

г) санітарно-показових мікроорганізмів (кишкової палички);

д) патогенних мікроорганізмів.

При виділенні мікроорганізмів з ґрунту необхідно враховувати поживне середовище і мати на увазі, що всі вони на ньому не виростуть.

Терміни перебування патогенних мікробів у ґрунті варіюють – неспоротворні (дизентерії, чуми, бруцельозу, туляремії, туберкульозу) кілька днів, місяців; спори правцю, сибірської виразки, газової гангрени – роки. Відмирання зумовлюється нестачею вологи, відсутністю поживних речовин, антагонізмом бактерій, сонячним світлом.

Санітарно-епідеміологічне дослідження ґрунту проводять із метою санітарного нагляду і за епідеміологічними показниками. Ґрунти з переважанням мікрофлори, що свідчить про фекальне забруднення, вважають несприятливими (Str. faecalis, Citrobacter, Enterobacter, C. perfingens).

У ґрунті мікроорганізми утворюють складні асоціації з рослинами. Рослинна мікрофлора:

• епіфіти – існують на поверхні рослин. Є антагоністами фітопатогенних мікроб, ростуть за рахунок виділення їх і органічних забруднень. У максимальній кількості виявляють грамнегативну паличку Erwinia herbicola, псевдомонади, бацили. Знаходяться на стеблах, листках, насінні. Склад залежить від виду, віку рослин, типу ґрунту, температури;

• ризосфера – у ґрунті, біля коріння – неспороутворюючі псевдомонади, мікобактерії, актиноміцети, гриби. Функції: переводять різні субстрати у сполуки, доступні для рослин, синтезують біологічно активні речовини, вступають у симбіотичні взаємовідносини з рослинами, володіють антагоністичними властивостями проти фітопатогенів. Товщина ризосферного шару складає від кількох мл до см. У ризосферу поступають органічні речовини – малат, сукцинат, ацетат, гліколат, цукри. Коріння рослин регулює мікробний склад за допомогою лектинів, забезпечуючи прикріплення лише сприятливих видів;

• симбіоз міцелію грибів із коріннями вищих рослин – мікориза: ектотрофна (гіфи на поверхні кореня), ендотрофна (гіфи всередині паренхіми), мезотрофна (на поверхні та всередині паренхіми). Функції – збільшує площу поглинання вологи і поживних речовин, виробляє біологічно активні речовини. Деякі рослини – орхідеї, мон тропи – облігатні мікотрофні рослини.

Патогенні бактерії викликають бактеріози – загальні (загибель всього організму), місцеві – окремих органів рослин:

• Erwinia – опік, зав’ядання, мокра гниль.

• Pseudomonas – бактеріальна плямистість різного розміру та кольору.

• Xantomonas – плямистість, судинний бактеріоз.

• Corynebacterium – судинні та паренхіматозні захворювання.

• Agrobacterium – пухлини.

2. Кількісний та якісний склад мікрофлори води. Вода відкритих морських і прісноводних водойм – природне середовище різноманітних бактерій, грибів, вірусів, мікроскопічних водоростей, найпростіших. Концентрація водних організмів визначається, в основному, вмістом органічних речовин. Найчистіші ґрунтові підземні води (затримуються у фільтруючому шарі ґрунту). Значно більше мікробів у відкритих водоймах, що пов’язано з високим вмістом розчинених поживних органічних речовин, які поступають зі стічними і каналізаційними водами, відходами підприємств. Сьогодні в ріки, озера, моря викидається така кількість стічних вод із мікробами й органічними речовинами, що вода не встигає самоочищуватися. Зростання кількості органічної речовини у воді супроводжується збільшенням кількості аеробних і анаеробних бактерій. Особливо багато анаеробів у мулі, на дні водойм. Мікрофлора води виконує роль активного фактору у процесі її самоочищення від органічних відходів.

Склад і кількість мікробів відкритих водойм залежить від: хімічного складу води, заселеності прибережних зон, пори року. Переважну більшість мікрофлори рік, ставків, озер становлять коки – мікрококи, стафілококи – 80%, решта – псевдомонади, бактеріуми, клостридії, ціанобактерії.

Вода має важливе санітарно-епідеміологічне значення як фактор передачі збудників багатьох інфекцій, особливо кишечних (черевного тифу, дизентерії, сальмонельозів, холери), які з виділеннями хворих і носіїв поступають у відкриті водойми, а нерідко і в питну воду.

Хоча вода не особливо сприятлива для патогенних і умовно-патогенних мікробів, більшість із них здатні перебувати в ній певний час. Терміни виживання залежать від їх виду, концентрації, температури води, вмісту органічних речовин. Спори сибірської виразки можуть роками зберігатися у воді, місяці витримують сальмонели, лептоспіри, дні – збудники дизентерії, холери, бруцельозу, туляремії, ентеробактерії.

Основні об’єкти санітарно-епідеміологічного дослідження води – питна вода водопостачання, вода поверхневих і підземних джерел, стічні води, води прибережних зон морів, плавальних басейнів. Основні показники – загальна мікробна кількість, кількість бактерій групи кишечної палички – колі-титр, колі-індекс (чиста – 2-3, ЗМК=100, сумнівна – 100-150, забруднена – 500). Вода джерел централізованого водозабезпечення не повинна містити збудників кишкових захворювань і мати колі-індекс не більше 10000. Вода колодязів – не більше 10.

Ступінь забрудненості води мікробами прийнято виражати сапробністю – сукупністю організмів, які живуть у водах, що містять велику кількість тваринних чи рослинних решток:

• Олігосапробна – чиста вода, колі-титр = 1-10.

• Мезосапробна – зона помірного забруднення, кількість бактерій у 1 мл сотні тисяч, колі титр = 0,5-1.

• Полісапробна – вода дуже забруднена, бідна на кисень і багата на органічні речовини.

• Катаробна зона – дуже чиста вода (особливо в осінньо-зимовий період), розміщена далеко від населених пунктів.

Якщо в 1 мл 106 мікробів – вона прозора, якщо наявні дафнії – вода чиста.

Етапи очищення питних вод:

- механічне, іноді з попереднім хлоруванням;

- коагуляція солями алюмінію та заліза з наступним відстоюванням;

- фільтрування через антрацит;

- хлорування (озонування, опромінення).

Очищення стічних вод у природних умовах здійснюється шляхом фільтрації через ґрунт на спеціальних полях фільтрації та полях зрошення. У штучних умовах – на очисних спорудах – біологічних фільтрах, аеротентках, після яких вода надходить у відстійники.

3. Особливості мікрофлори повітря. Мікрофлора атмосфери вторинна, бідна і варіабельна – коки, бацили, клостридії, актиноміцети, гриби, віруси. Вона залежить від інтенсивності сонячної радіації, вітру, опадів, характеру ґрунту, пори року, умов прибирання, кількості людей, провітрювання. Мікроби надходять із поверхні ґрунту і рослин, із відходами виробництв, з організмів людини і тварин. Нестача вологи, поживних речовин, сонячна радіація перешкоджають розмноженню мікроорганізмів у повітрі. Багато мікроб у повітрі великих міст, мало – у сільській місцевості, над лісами, горами, морями (стерильне повітря під ліванськими кедрами. У древньому Римі під ними робили операції – виробляє фітонциди).

Зважені у повітрі краплі (слиз з епітеліоцитами і мікроорганізмами) утворюють стійкий мікробний аерозоль, дрібнодисперсні фракції якого здатні проникати не лише у верхні, а й у середні, нижні відділи респіраторного тракту. Повітряно-крапельним шляхом відбувається передача респіраторних захворювань – туберкульозу, грипу, кору, віспи, коклюшу, дифтерії, віспи, паротиту. Пиловим шляхом, коли викинені з респіраторного тракту крапельки висихають у бактеріальний пил, передаються туберкульоз, дифтерія.

Вивчають мікрофлору повітря методами:

• Природної седиментації – метод Коха.

• Примусової седиментації – з використанням імпакторів, імпінджерів.

• Фільтраційним – повітря продувають крізь воду або мембранні фільтри.

Критерії оцінки санітарно-мікробіологічного стану повітря – загальна кількість мікроорганізмів (на 1 м3, не повинна перевищувати 500); індекс санітарно-показових бактерій – кількість умовно-патогенних мікробів дихальних шляхів – гемолітичних стрептококів, золотистого стафілококу, Гр- бактерій, дріжджеподібних і цвільових грибів (до операції не більше 500, після – біля 1000).

Мікробіологічні аспекти охорони навколишнього середовища:

• Необхідно оберігати мікроорганізми, що здійснюють природний кругообіг речовин.

• Підтримувати мікроорганізми, що забезпечують деградацію ксенобіотиків.

• Стримувати розвиток організмів, що викликають псування харчових продуктів, ліків, водогінних і каналізаційних мереж, палива, машинної олії.

• Захищати середовище від забруднення патогенними й умовно-патогенними мікробами.

• Попереджати викид земних мікроорганізмів у космос.

• Захист природи і людини від генно-інженерних мікробів-мутантів.