Экология микроорганизмов природных сред Экология микроорганизмов почвы

Экология микроорганизмов природных сред Экология микроорганизмов почвы

Экология микроорганизмов почвы • Под почвой понимают поверхностный слой суши земного шара, обладающий плодородием и представляющий собой полифункциональную гетерогенную систему • Почва является трехфазной системой с очень развитой твердой поверхностью, которая соседствует с жидкой и газовой фазами. • Составными частями почвы служат органические и минеральные вещества, почвенный раствор, воздух • Для почвы характерна ярко выраженная микрозональность или микроочаговость.

Почва – гетерогенная среда обитания микроорганизмов • Гетерогенность почвы обусловлена наличием разных по размеру частиц и агрегатов • Твердые частицы и агрегаты делят почву на многочисленные частично или полностью изолированные микрозоны или микросреды • В каждом грамме почвы сосредоточены сотни и тысячи таких различающихся между собой микросред. • Концепция почвы как множества сред обитания микроорганизмов

Экология микроорганизмов почвы • Химический состав и соотношение компонентов почвы непостоянны в разных типах почв • Жизнедеятельность микроорганизмов в почве, их численность и разнообразие всецело определяются почвенными условиями: наличием и доступностью питательных веществ, влажностью, аэрацией, реакцией р. Н среды, температурой и другими факторами • Количественный и качественный состав микроорганизмов разных типов почв существенно различается • Наибольшее количество бактерий и актиномицетов находится в черноземах, сероземах и каштановых почвах.

Адгезия микроорганизмов почвы • Микроорганизмы в почвах располагаются преимущественно на поверхности твердой фазы • Это явление называют адгезией (адсорбцией, иммобилизацией) клеток • Благодаря адгезии клетки удерживаются в почвенной толще и не вымываются в грунтовые воды • Адгезированные клетки находятся на границе раздела твердой и жидкой фаз почвы, где сосредоточены основные питательные вещества почвы. • В адгезированном состоянии клетки микроорганизмов проявляют повышенную метаболическую активность

Концепция микробного пула почвы • В почвах всегда содержится огромный избыточный пул (запас) микроорганизмов, не обеспеченных органическим веществом и другими элементами питания • В каждый момент времени большая часть микроорганизмов почвы находится в неактивном состоянии (состояние «бдительного ожидания» ) • В каждой почвенной микрозоне имеются микроорганизмы, способные использовать практически любой питательный субстрат, причем в самых различных условиях. • Почва является основным депо разнообразных бактерий на Земле • По микробному генофонду почва – самая богатая среда

Концепция микробного пула почвы • Почва чрезвычайно богато населена микроорганизмами, особенно ее верхний горизонт глубиной до 15 см. • Количество бактерий в почвах достигает от 1 до десятков млрд клеток на 1 г почвы • Клетки бактерий располагаются на поверхности и внутри частиц и агрегатов почвы, в водных пленках и капиллярах • Гифы грибов располагаются в основном на поверхности частиц и агрегатов почвы • Самостоятельные микроценозы складываются на поверхности корней растений, на отмирающих растительных остатках и на скоплениях гумуса

Микроструктура почвы Фото в световом микроскопе 1 — увел. х 20; 2 — увел. х 60 Микроструктура микробных очагов (фото в сканирующем электронном микроскопе). Увел. X 1600.

Бактерии рода Rhizobium

Микробный пул обусловливает поддержание гомеостатического состояния почвы

Почвенная биота • Высшие растения • Почвенные животные (простейшие) • Почвенные водоросли (зеленые водоросли, желто-зеленые водоросли, диатомовые водоросли) • Лишайники • Почвенные грибы • Прокариоты (эубактерии, архебактерии) • Вирусы и бактериофаги

Зимогенные и автохтонные микроорганизмы • Представление о зимогенной и автохтонной микрофлоре почвы было сформулировано С. Н. Виноградским • Зимогенные микроорганизмы развиваются только при внесении в почву определенных легко разлагаемых органических соединений (бактерии родов Bacillus, Pseudomonas и др. ) • Автохтонные микроорганизмы являются типичными обитателями почвы в данной экосистеме и присутствуют в ней всегда – они развиваются медленно, принимая участие в разложении гумуса (бактерии рода Arthrobacter, Nocardia и др. )

Группы почвенных микроорганизмов по типу питания • Фотолитоавтотрофы – микроскопические почвенные водоросли и фотосинтезирующие прокариотные организмы (цианобактерии) Хемоорганогетеротрофы (большинство микроорганизмов, обитающих в почве) – простейшие, грибы, большинство прокариот • Хемолитоавтотрофы – нитрифицирующие бактерии, водородные бактерии, метаногенные бактерии

Группы почвенных микроорганизмов по отношению к концентрации используемых питательных веществ • Олиготрофные микроорганизмы (автохтоны)( «микрофлора рассеяния» ) способны усваивать питательные вещества из растворов с низкой концентрацией (бактерии родов Prostecomicrobium, Hyphomicrobium, Caulobacter и др. ) • Копиотрофы (зимогены) – используют высокие концентрации доступных веществ (большинство грибов и прокариот)

Функциональные группы в микробном сообществе • Первичные продуценты – фотоавтотрофные микроскопические почвенные водоросли и цианобактерии • Редуценты (деструкторы) – микроорганизмы, разрушающие отмершие органические остатки (грибы и гетеротрофные бактерии) – Гидролитики синтезируют ферменты гидролазы, осуществляют деструкцию полимеров – Диссипотрофы используют низкомолекулярные соединения

Методы количественного учета почвенных микроорганизмов • Классическим методом количественного учета почвенных микроорганизмов является метод серийных разведений и посева на питательные среды • Методы микроскопии (световая, люминисцентная, электронная) • Молекулярно-биологические методы идентификации почвенных микроорганизмов, в частности по 16 S р. РНК

Роль микроорганизмов в почвообразовательном процессе и плодородии почвы • Микроорганизмы первыми поселяются на материнской горной породе и обусловливают почвообразовательные процессы • Минеральные и органические кислоты, образуемые микроорганизмами ускоряют процессы растворения и выветривания горных пород, вовлечения освобожденных минералов в биологический круговорот • Микроорганизмы осуществляют разложение растительных остатков и образование гумуса • Микроорганизмы (капсульные бактерии, актиномицеты, мицелиальные грибы др. ) участвуют в образовании прочной комковатой структуры, что улучшает водно-воздушный режим почвы

Роль микроорганизмов в образовании гумуса • Гумус - это комплекс различных органических соединений, образующийся в почве в процессе жизнедеятельности почвенных организмов: бактерий, грибов и беспозвоночных животных • Гумус – это сложный конгломерат различных органических веществ, включающих биополимеры (лигнин, целлюлозу, нуклеиновые кислоты, белки) и мономеры (липиды, сахара, аминокислоты, органические кислоты, спирты и др. ) • Гумус является продуктом разложения и трансформации растительных остатков микробным сообществом • Гумус обеспечивает плодородие почв

Роль микроорганизмов в разложении гумуса • Разложение гумуса – медленный процесс, в котором участвуют многие микроорганизмы • Гумус разлагается микробным сообществом (автохтонными микроорганизмами) • Особую роль в разложении гумуса играют олиготрофные нокардии и артробактеры • В разрушении гумуса участвуют почвеннные грибы и актиномицеты • Разрушение гумуса стимулируется в присутствии доступных микроорганизмам водорастворимых органических соединений (соокисление)

Разложение растительных остатков микроорганизмами • Разложение растительных остатков важнейший процесс, происходящий в биосфере • Растительные остатки представляют сложную смесь быстро и медленно деградируемых соединений • Растительный опад с мягкими тканями быстро подвергается разложению микроорганизмами • Из легкоразлагаемых углеводов первое место занимает крахмал – расщепляется амилазами • Более устойчив к микробному разложению пектин • Пектиназы составляют уникальную группу ферментов, которые обусловливают деградацию пектиновых веществ, присутствующих в стенках растительных клеток

Разложение растительных остатков микроорганизмами • Основную часть растительной биомассы составляет лигноцеллюлоза (комплекс лигнина и целлюлозы) • Лигноцеллюлоза является наиболее медленно утилизируемым материалом растительных остатков • Скорость разложения растительных остатков зависит главным образом от скорости расщепления целлюлозы и лигнина

Разложение лигноцеллюлозы микроорганизмами • Главную роль в разложении лигноцеллюлозы играют мицелиальные грибы (базидиомицеты – грибы белой и бурой гнили и аскомицеты) • Микроорганизмы образуют экзоферменты, гидролизующие или окисляющие соответствующие биополимеры • Целлюлоза гидролизуется целлюлазным комплексом • Эффективный гидролиз целлюлозы происходит при взаимодействии нескольких гидролаз (целлюлаз) • Целлюлолитические микроорганизмы секретируют комплекс эндоглюконаз и экзоглюконаз • Некоторые бактерии (Clostridium, Cellulomonas, Cytophaga) также гидролизуют целлюлозу

Разложение лигнина микроорганизмами • Лигнин наиболее устойчивый биополимер в природе, защищающий целлюлозу от разложения микроорганизмами • Лигнин – биополимер фенил-пропаноидной природы • Деградацию лигнина осуществляют дереворазрушающие грибы, вызывающие белую гниль древесины • Грибы белой гнили образуют комплекс лигнинолитических ферментов (пероксидазы и фенолоксидазы), окисляющие лигнин

Санитарная микробиология почвы • C выделениями больных животных и человека в почву попадают патогенные микроорганизмы • Патогенные микроорганизмы могут попадать в почву также с трупами людей и животных, погибших от инфекционных заболеваний • В почве обнаруживаются возбудители грибковых заболеваний, возбудители ботулизма, столбняка, газовой гангрены, сибирской язвы, способные образовывать споры, и благодаря этому свойству длительное время сохраняются в почве • Попадание земли в раны может приводить к возникновению газовой гангрены или столбняка

Санитарная микробиология почвы • Кишечные бактерии (сем. Enterobacteriaceae) - кишечная палочка, возбудители брюшного тифа, сальмонеллезов, дизентерии могут попадать в почву с фекалиями • Обнаружение в значительных количествах в почве кишечной палочки или протеев является показателем загрязнения почвы фекалиями человека и животных и свидетельствует о ее санитарноэпидемиологическом неблагополучии.

Санитарная микробиология почвы • Cанитарно-микробиологический анализ почвы предусматривает определение: общего микробного числа (ОМЧ), бактерий группы кишечных палочек (БГКП), энтерококков, клостридий, термофильных и нитрифицирующих бактерий, а также некоторые другие показатели. • Данные показатели указывают на наличие и степень фекального загрязнения и состояние процессов самоочищения почвы

Экология водных микроорганизмов • В океанах, морях, озерах, реках и других водоемах содержится много микроорганизмов, но значительно меньше, чем в почве • Cостав и численность микроорганизмов в водоемах определяется многими факторами, в частности: содержанием питательных веществ, содержанием веществ, тормозящих рост, видовым составом и численностью зоопланктона, физическими факторами (температурой, р. Н, осмотическим давлением, проникновением солнечных лучей и др. ) • Главным фактором, влияющим на развитие микроорганизмов в воде, так же как и в других субстратах, служит количество питательных веществ

Экология водных микроорганизмов • Наиболее чистыми являются свободные от органических веществ родниковые и артезианские воды, в 1 мл которых содержится до 10 клеток микроорганизмов • В реках и озерах содержание микроорганизмов зависит от степени загрязнения воды органическими остатками • Наибольшая плотность микроорганизмов наблюдается около берега

Экология водных микроорганизмов • По степени обеспеченности биогенными элементами различают олиготрофные и эвтрофные озера • Олиготрофные озера бедны элементами минерального питания и отличаются низкой продуктивностью, количество микроорганизмов в них относительно невелико • В эвтрофных озерах обеспеченность минеральными компонентами высокая, в результате чего здесь активно развиваются фототрофные микроорганизмы • Решающее значение для эвтрофикации имеет поступление в водоемы соединений фосфора • В эвтрофных озерах может происходить резкое увеличение количества цианобактерий, в том числе, продуцирующих токсины, что имеет негативные медико-экологические последствия

Стратификация озер • В озерах может создаваться более или менее устойчивая слоистость (стратификация) в зависимости от времени года и типа озера. • Верхний слой воды называют эпилимнионом, а нижний – гиполимнионом. • В промежуточном слое – металимнионе – создается градиент температуры – термоклин и химических соединений – хемоклин • Распределение бактерий в толще воды зависит от гидрологического режима водоема и времени года

Стратификация озер

Экология водных микроорганизмов • Количество микроорганизмов в озерах колеблется от сотен тысяч до десятков миллионов в 1 мл воды • В водной массе преобладают планктонные формы организмов, к которым относятся бактерии, составляющие бактериопланктон, а также фитопланктон (микроскопические водоросли) и зоопланктон (простейшие) • Совокупность организмов, обитающих в поверхностной пленке воды, называют нейстоном • Численность бактерий нейстона значительно выше, чем в нижележащем слое эпилимниона • К нейстонным бактериям относятся, например, Caulobacter и Hyphomicrobium

Экология водных микроорганизмов • Эпилимнион соприкасается с атмосферой и поэтому здесь, как правило, создаются аэробные условия • В эпилимнионе происходит активное накопление органических веществ, в результате осуществляемого водорослями и цианобактериями оксигенного типа фотосинтеза • Часть клеток фототрофных микроорганизмов поедается простейшими и микроскопическими животными зоопланктона, а часть отмирает • Это обеспечивает питание аэробных гетеротрофных бактерий

Экология водных микроорганизмов • В верхних слоях донного ила озер и рек содержится до сотен миллионов или даже до нескольких миллиардов микробных клеток • Потребление кислорода микроорганизмами может способствовать созданию у дна водоема, а затем и в гиполимнионе анаэробных условий • В результате процессов брожения на дне водоема образуются такие газообразные продукты, как молекулярный водород, метан, сероводород и углекислый газ • Продукты анаэробного разложения поднимаются в водную толщу и окисляются аэробными микроорганизмами

Микробиологический контроль качества питьевой воды • Вода может являться фактором передачи возбудителей многих инфекционных заболеваний, например: брюшного тифа, дизентерии, холеры, лептоспироза, энтеровирусных инфекций и других • Некоторые возбудители могут даже размножаться в воде, например, холерный вибрион, легионеллы

Микробиологический контроль качества питьевой воды • Общее число бактерий (общее микробное число) в питьевой воде, определяемое методом посева на мясопептонный агар, не должно превышать 50 клеток (колоний образующих единиц КОЕ) в 1 мл. • О наличии патогенных бактерий судят, прежде всего, по количеству клеток кишечной палочки (E. coli), которая является естественным обитателем желудочно-кишечного тракта человека • Для санитарной характеристики водоемов и контроля чистоты воды используют такие показатели, как коли-индекс и колититр • Коли-индекс показывает число клеток E. coli в 1 литре воды (не должен превышать 3) • Коли-титр показывает наименьший объем воды, содержащий одну клетку кишечной палочки (должен быть не менее 300)

Распространение микроорганизмов в воздухе • Воздух является средой для распространения микроорганизмов • В атмосфере всегда содержится некоторое количество жизнеспособных клеток, которые поднимаются в воздух вместе с пылью и вместе с ней вновь оседают на поверхность земли • Чем больше воздух загрязнен пылью, тем больше в нем содержится микроорганизмов • Количество микроорганизмов в воздухе по мере удаления от поверхности земли заметно уменьшается • В воздухе преобладают пигментные формы микрококков, сарцин и дрожжей, присутствуют споры грибов

Санитарно-микробиологический контроль воздуха • В воздухе жилых помещений, поликлиник и больниц могут присутствовать болезнетворные микроорганизмы • Туберкулезные палочки, патогенные стрептококки и стафилококки, споры грибов хорошо переносят высушивание и, находясь в воздухе, способны долго сохранять жизнеспособность • Воздушно-капельным путем происходит передача возбудителей респираторных инфекций – например, гриппа, кори, туберкулеза, коклюша, дифтерии, краснухи, ветряной оспы, паротита и других заболеваний

Санитарно-микробиологический контроль воздуха • В медицинских учреждениях, особенно в операционных и перевязочных, необходимо осуществлять санитарномикробиологический контроль воздуха • Для исследования микрофлоры воздуха используют разные методы, в том числе метод естественной седиментации, метод принудительной седиментации (аспирационный метод) и метод фильтрации

Санитарно-микробиологический контроль воздуха • Метод естественной седиментации – открытые чашки Петри с плотной питательной средой раскладывают в различных местах помещения; затем производят учет выросших колоний микроорганизмов • Аспирационный метод– воздух прокачивают через специальный аппарат, в который помещена открытая чашка Петри с плотной питательной средой • Метод фильтрации – воздух прокачивают через бактериальный фильтр, который затем накладывают на поверхность чашка Петри с плотной питательной средой

Показатели микробной обсемененности воздуха • Общее микробное число (ОМЧ) – это количество бактерий в пересчете на 1 м 3 воздуха (КОЕ/м 3) , выросших при посеве на поверхности питательного агара (не должно превышать 500) • Содержание золотистого стафилококка – количество Staphylococcus aureus в 1 м 3 воздуха (должны отсутствовать) • Индекс санитарно-показательных бактерий – это количество в пересчете на 1 м 3 воздуха патогенных и условно патогенных микробов дыхательных путей – золотистого стафилококка, дрожжеподобных и плесневых грибов, микобактерий туберкулеза, гемолитических стрептококков, патогенных грамотрицательных бактерий и др.

Критерии оценки микробной обсемененности воздуха Наименование объекта Условие работы Общее количество бактерий КОЕ/м 3 Количество St. aureus КОЕ/м 3 операционные, процедурные, перевязочные, послеоперационные и реанимационные палаты до начала работы не более 500 отсутствие