Синэкология Взаимодействие микроорганизмов с животными Лекция 11

Синэкология. Взаимодействие микроорганизмов с животными Лекция № 11 по дисциплине «Экология микроорганизмов»

План лекции: n Микробиоценоз рубца жвачных животных n Взаимодействие бактерий с организмом человека

Микробиоценоз рубца жвачных животных

Функции микробиоценоза ЖКТ животных 1) входит в состав трофических цепей, приводящих к расщеплению сложных целлюлозосодержащих биополимеров до легкого усвояемых хозяином мономеров; 2) обеспечивает непрерывность и термодинамическую выгодность таких процессов в условиях ЖКТ; 3) обеспечивает хозяина витаминами, ростовыми факторами, регуляторами развития, как выделяемыми м. о. , так и поступающими хозяину в результате гидролиза биомассы микробионтов; 4) защищает хозяина от патогенных м. о. ; 5) активирует системы иммунитета хозяина. Строение пищеварительной системы позвоночных

Пищеварительная система жвачных животных

Строение желудка жвачных животных Рубец - большая бродильная камера Постоянная температура ( 37 -39 0 С) Идеальные условия для роста микроорганизмов Непрерывная подача минерального раствора р. Н 5, 8 -7, 3 Периодическое поступление питательных веществ Механическое перемешивание в результате движения рубца

Параметры Характеристки Физические Кислотность, р. Н 5, 5 -6, 9 (в среднем 6, 4) Окислительновосстановительный потенциал От -350 до -400 м. В Температура 37 -42 Содержание сухого вещества 10 -18% Химические Газовая фаза, об. % СО 2 (65), СН 4(27), N 2(7), О 2 (0, 6), Н 2 (0, 2) Летучие жирные кислоты, м. М Уксусная (68), пропионовая (20), масляная (10), более длинноцепочечные(2) Аммиак 2 -12 м. М Аминокислоты < 1 м. М Растворимые углеводы <1 м. М в течение 3 ч после кормления Неоргарические вещества высокое содержание Na; другие вещества в нелимитирующих количествах Микроэлементы/витамины всегда присутствуют в большом количестве витамины группы В Факторы роста жирные кислоты с разветвленными цепями и ароматические жирные кислоты, пурины. Пиримидины Микробиологические Бактерии 1010 -1011 клеток/ г (больше 200 видов) Ресничные простейшие 104 -106 клеток/ г (хищники) Анаэробные грибы 102 -104 зооспор/ г

Микробиологические процессы в рубце Основными источниками углеводов для жвачных служат сено, солома и трава. В сухой траве половину углеводов составляют фруктозаны и ксиланы и столько же приходиться на долю целлюлозы. Целлюлозные компоненты были бы не доступными для использования, если бы не симбиотические отношения с микроорганизмами, способные расщеплять целлюлозу. Обитатели рубца Простейшие (главным обазом инфузории, относящиеся к родам Diplodinium и Entodinium) Diplodinium и Entodinium Бактерии (1 мл рубцовой жидкости содержится от 109 до 1010 бактериальных клеток) Butyrivibrio fibrisolvens

Бактерии рубца жвачных Бактерии, разлагающие целлюлозу и гемицеллюлозу Ruminococcus albus Butyrivibrio fibrisolvens Fibrobacter succinogenes Clostridium locheadii Lachnospira multiparus Бактерии, разлагающие крахмал и сахара Selenomonas ruminantium Succinimonas amylolytica Ruminococcus albus Bacteroides ruminicola Streptococcus bovis Бактерии, разлагающие лактат Selenomonas lactilytica Megasphaera elsdenii Veillonella spp Бактерии, декарбоксилирующие сукцинат Selenomonas ruminantium Veillonella parvula Метаногенные археи Methanobrevibacter ruminantium Methanomicrobium mobile Veillonella parvula

Микробиологические процессы в рубце Бактерии перерабатывают полимерные углеводы кормов в простые соединения, такие как жирные кислоты и спирты. Также образуется большое количество кислот Уксусная кислота Пропионовая кислота Масляная кислота (50 -70%) (17 -21%) (14 -20%) Немного валериановой и муравьиной Кроме того, ежедневно образуется до 90 л газа, примерно следующего состава: 65% СО 2, 27% СН 4, 7% N 2, 0, 18 % Н 2 и следовые количества Н 2 S.

Микробиоценозы тела человека

Микрофлора тела человека n n n Микробиоценоз – стабильное сообщество микроорганизмов. Все микроорганизмы находятся в состоянии равновесия (эубиоза) друг с другом и организмом человека. Органы и системы человека, сообщающиеся с внешней средой являются открытыми биологическими системами, колонизированными микроорганизмами, и называются микробиотопами, или экологическими нишами (эконишами). Микроорганизмы, населяющие организм здорового человека, образуют его нормальную микрофлору (с общим численным составом более 1013 клеток). Нормальная микрофлора тела человека резидентная (постоянная) облигатная транзиторная (временная) факультативная

Микрофлора кожи n n Микроорганизмы заселяют главным образом участки кожи, покрытые волосами и увлажненные потом (1, 5 -106 клеток/см). Участок тела Типичные, обитатели кожи : ¨ Corynebacterium (70% всей кожной микрофлоры) ¨ Staphylococcus(St. hominis и St. epidermidis), ¨ условный патоген Staphylococcus aureus, если заселяет кожу, то обнаруживается чаще всего в ноздрях и подмышками ¨ Micrococcus ¨ Propiombacterium ¨ Brevibacterium (кожная микрофлора ног) ¨ Acinetobacter Кожа Микроорганизм Staphylococcus epidermidis 85 -100 Staphylococcus aureus Propionibacterium acnes Аэробные коринебактерии (дифтероиды) Встречаемость, % 5 -25 45 -100 55 (до 70) Propionibacterium acnes Staphylococcus aureus

Микрофлора полости рта n n Аэробные и анаэробные кокковые формы, непатогенные коринебактерии, спирохеты, молочнокислые бактерии, бактероиды и коагулазонегативные негемолитические стафилококки (сапрофитные и эпидермальные), нейссерии, зеленящий стрептококк. S. aureus, Streptococcus mitis и другие альфа-гемолитические стрептококки, S. Salivarius, Peptostreptococci, Veillonella alca lescens, Lactobacilli, Actinomyces israelii, Bacteroides fragilis, B. Melaninogenicus, B. Oralis, Treponema denticola и T. vincentii n Микробы фекального происхождения (эшерихии, клебсиеллы, протей и др. ) в норме в ротовой полости не обитают. n В слюне бактерии содержатся в концентрации 108 КОЕ/мл, из них около половины - анаэробы; в десневых карманах > 1011 КОЕ/мл, из которых 99 % составляют анаэробы. Концентрация каждого микробного вида у здорового человека не >102 -103 КОЕ/мм 2 слизистой оболочки. Синусы и евстахиевы трубы, подобно нижним дыхательным путям, в норме должны быть стерильны. n n Зубные бляшки - это смешанная нормальная микрофлора разных областей полости рта, накапливающаяся на поверхности зубов. Главную роль в поддержании целостности и стабильности этого микроценоза играют межклеточные физико-химические связи — межродовая коаггрегация бактерий, а также их способность к образованию биопленок.

Микрофлора дыхательных путей n К нормальной микрофлоре верхних дыхательных путей относятся: n n в полости носа: Diphtheroids, Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus (у 20– 80 % населения), Streptococcus pneumoniae (5– 15 % населения), Haemophilus influenzae (5– 10 % населения), Neisseria species (0– 15 % населения), Neisseria meningitidis (0 -4 % населения), Streptococci; в носоглотке: Streptococci (группы viridans), Nonhemolytic streptococci, Neisseria species (90– 100 % населения), стафилококки (немногие), Haemophilus influenzae (40– 80 % населения), Streptococcus pneumoniae (20– 40 % населения), Betahemolytic streptococci (5– 15 % населения), Neisseria meningitidis (5– 20 % населения), Haemophilus parainfluenzae, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Proteus species, Paracolons, Diphtheroids, Mycoplasma pneumoniae, Bacteroides.

Микрофлора ЖКТ n Пищевод ¨ n Желудок ¨ n практически не содержит микроорганизмов, а присутствующие бактерии представляют микробный мир полости рта. Кислоустойчивые бактерии родов Streptococcus, Lactobacillus, Enterococcus, Micrococcus, хеликобактеры и устойчивые к кислоте дрожжеподобные грибы Тонкий кишечник иногда энтерококки, лактобациллы и дифтероиды. ¨ Candida albicans – в верхней части тонкого кишечника ¨ n Двенадцатиперстная, тощая и проксимальный отдел подвздошной кишки доминируют стрептококки и лактобациллы, а важнейшей бактериологической характеристикой этих биотипов является полное отсутствие облигатно-анаэробных бактерий и многочисленных представителей семейства Enterobacteriaceae. ¨ Микроорганизмы локализуются преимущественно пристеночно. ¨ ¨ n Дистальный отдел подвздошной кишки возрастает общее число бактерий – 106 микробных клеток в 1 г, внутрипросветная микрофлора превалирует над пристеночной, ¨ важной экологической особенностью данного биотопа является приблизительно равное количество аэробных и анаэробных бактерий (энтерококки, кишечная палочка, бактероиды, вейонеллы, бифидобактерии) ¨

Микрофлора ЖКТ n Кишечная микрофлора ¨ ¨ слизистая кишечника покрыта биопленкой (бактериальный гликокаликс) мукозная n n n ¨ просветная (свободноживущая) флора n n ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ более стабильна и представлена главным образом бифидобактериями и лактобактериями, которые обусловливают колонизационную резистентность кишки, образуя слой так называемого бактериального дерна. Способны фиксироваться лишь к строго определенным рецепторам кожи и слизистых оболочек Элементами, ответственными за специфическую адгезию, являются поверхностные структуры бактерий, содержащие гликолипиды, лектины наряду с бифидо- и лактобактериями включает и других постоянных обитателей кишечника не способны фиксироваться к строго определенным рецепторам кожи и слизистых оболочек Bacteroides fragilis, B. melaninogenicus, B. oralis, Fusobacterium nucleatum, F. Necrophorum, Clostridium perfringes, Eubacterium limosum, Bifidobacterium bifidum, Peptostreptococci, Escherichia coli, Klebsiella spp, Candida albicans.

Функции нормальной кишечной микрофлоры n n n обеспечение колонизационной резистентности организма (т. е. сдерживают рост и размножение в нем патогенных и условно-патогенных микробов); участие в синтетической, пищеварительной и детоксицирующей функциях кишечника; стимуляция синтеза биологически активных веществ (a-аланин, 5 аминовалериановая и g-аминомасляная кислоты, а также медиаторы, влияющие на функцию ЖКТ, печени, сердечнососудистой системы, кроветворения и др. ); поддержание высоких уровней лизоцима, секреторных иммуноглобулинов, интерферона, цитокинов, пропердина и комплемента, важных для иммунологической резистентности; морфокинетическое действие и усиление физиологической активности ЖКТ. Плотность бактерий, по данным Alana Parkera (1999), в различных отделах ЖКТ составляет: ¨ ¨ желудок – менее 1000 в мл; тощая кишка – менее 10 000 в мл; подвздошная кишка – менее 100 000 в мл; ободочная кишка – менее 1 триллиона в мл

n Представители облигатной микрофлоры кишечника Большая их часть располагается в толстой кишке, являясь ее основной пристеночной и просветной Бифидобактерии ¨ микрофлорой. Бифидобактерии присутствуют в кишечнике на протяжении всей жизни человека, кроме того, являются представителями вагинальной микрофлоры n n n n Лактобактерии ¨ В ЖКТ и вульво-вагинальной области, их также можно обнаружить в молоке человека и животных n n n n n способствуют гидролизу лактозы; участвуют в продукции витаминов, в первую очередь витамина К и витаминов группы В; вырабатывают колицины - антибиотикоподобные вещества, тормозящие рост энтеропатогенных кишечных палочек; стимулируют антителообразование и оказывают мощное иммуномодулирующее действие; способствуют активации системного гуморального и местного иммунитета. Пептострептококки ¨ n подавление гнилостных и гноеродных условно-патогенных микроорганизмов, в первую очередь протея, а также возбудителей острых кишечных инфекций; продукция лизоцима, стимуляция фагоцитарной активности нейтрофилов, макрофагов, синтеза иммуноглобулинов, образование интерферона, интерлейкина-1 и фактора некроза опухоли; продукция веществ с антибиотической активностью; участие в рециркуляции желчных кислот и холестерина; сохранение баланса состава микробных популяций после приема антибиотиков Эшерихии n n создают физиологический защитный барьер в кишечнике, препятствующий проникновению микробов и токсинов во внутреннюю среду организма; противостоят патогенным и условно-патогенным микроорганизмам за счет выработки органических жирных кислот; утилизируют пищевые субстраты и активируют пристеночное пищеварение; синтезируют аминокислоты, витамин К, пантотеновую кислоту, витамины группы В (В 1 - тиамин, В 2 - рибофлавин, В 3 никотиновую кислоту, Вс - фолиевую кислоту, В 6 - пиридоксин, В 12 - цианокобаламин); усиливают в кишечнике всасывание ионов кальция, железа, витамина D; регулируют гуморальный и клеточный иммунитет, препятствуют деградации секреторного Ig. А, стимулируют интерферонообразование и синтезируют лизоцим неферментирующие грамположительные анаэробные стрептококки, локализуются в толстом кишечнике, где они ведут себя как комменсалы. При увеличении концентрации и попадании в другие полости ослабленного организма пептострептококки становятся причиной воспалительных процессов, например, в половых органах (гинекологические заболевания), ротовой полости, при оперативных вмешательствах (абсцессы). Энтерококки ¨ являются представителями облигатной микрофлоры и признанными возбудителями инфекций толстого кишечника (энтероколитов), мочевыводящих путей и воспалительных процессов другой локализации. Факультативная условно-патогенная микрофлора (бактероиды, пептококки, стафилококки, стрептококки, бациллы, дрожжи и др. ), представители анаэробной микрофлоры толстой кишки (фузобактерии, эубактерии, катенобактерии) могут стать причиной развития гнойно-воспалительных процессов.

Дисбактериоз и дисбиоз Дисбактериоз – это микробиологическая оценка изменения состава и количественного соотношения в микробиоценозе ЖКТ. Дисбиоз – более общее понятие: это микробиологический дисбаланс в организме, который со временем проявляет себя местными симптомами, а затем и общими нарушениями, которые отягощают течение различных заболеваний. Дисбиоз не может употребляться в качестве основного диагноза, всегда вторичен и не имеет специфических клинических эквивалентов.

Микрофлора половых путей Участок тела Микроорганизм Встречаемость, % Lactobacilli Bacteroides spp. 60 -80 Clostridium spp. Влагалище и шейка матки 50 -75 15 -30 Peptostreptococci 30 -40 Дифтероиды 45 -75 Staphylococcus epidermidis 35 -80 Стрептококки группы D 30 -80 Enterobacteriacae 18 -40 Candida albicans 30 -50 Trichomonas vaginalis 10 -25 Ведущими микроорганизмами являются Lactobacillus, Peptococcus, Bacteroides, Staphilococcus epidermidis, Corinebacterium spp. , Eubacterium.

Гнотобиотические животные n n Как получают и выращивают гнотобиотов? С помощью операции, именуемой кесаревым сечением. Из матки беременной самки извлекают плод. Сложная аппаратура и совершенные методы проведения операции позволяют сохранить плод таким же безмикробным, каким он был в утробе. Если требуется выращивать безмикробных птиц или насекомых, то их яйца обеззараживают, а затем помещают в стерильный инкубатор. Выращенные в особых камерах, где нет микроорганизмов, гнотобиоты приносят безмикробное потомство. Изолятор, где содержатся безмикробные животные, снабжен особыми устройствами — шлюзами, через которые подаются воздух, вода и пища, очищенные от микроорганизмов. Безмикробные животные служат некими моделями при различных биологических исследованиях. Достижениями гнотобиологии уже пользуется практическая медицина. Питомник лабораторных животных ФИБХ в г. Пущино занимается разведением и реализацией гнотобиотических грызунов SPF категории (свободных от специфицированной патогенной микрофлоры) - мышей, крыс, хомяков.

Гнотобиотические животные n n Сто лет назад Луи Пастер первый высказал мысль о том, что существование организмов возможно и без микробов. На эту тему Пастер вел долгие беседы и споры со своим другом Ильей Мечниковым. Спорили скорее всего о частностях, так как Мечников был такого же мнения, что и Пастер. Более того: Илья Ильич в своей парижской лаборатории ставил опыты по выращиванию безмикробных мух, головастиков, цыплят. Дело это весьма и весьма сложное. Лишь в середине нашего века американским и японским ученым удалось создать условия для роста и размножения морских свинок, мышей и других лабораторных животных, свободных от микроорганизмов. Потом научились растить также безмикробных поросят, телят, ягнят. В 60 -е годы сформировалось научное направление — гнотобиология (от греческого «гнотос» — «известный» , «очевидный» ). Эта отрасль экспериментальной биологии посвящена выращиванию животных, в организме которых отсутствуют бактерии, вирусы, простейшие, глисты, членистоногие. Гнотобиоты - стерильные животные, специально зараженные для целей научного исследования только определенными видами микроорганизмов.

Гнотобиотические животные n У безмикробных животных на 25% по сравнению с физиологической нормой снижен основной обмен, нарушена перистальтика кишечника, всасывание воды, усвоение насыщенных жирных кислот, продукция витаминов групп В, К и др. , печеночно-кишечная циркуляция желчных кислот, холестерина, желчных пигментов. У гнотобиотических животных отмечена ареактивность гладкой мускулатуры сосудов и кишечника к воздействию катехоламинов, имеет место мышечная гипотония. Вазодилятация обуславливает снижение ударного объема сердца и циркулирующей крови. Снижение гемопоэтической функции проявляется в падении числа лейкоцитов и лимфоцитов в крови. n У подобных животных изменены функции гипофиза, надпочечников и поджелудочной железы, отмечена гипоплазия лимфоидной ткани, нарушена организация и созревание ретикулоэндотелиальной системы, понижены уровни комплемента, лизоцима, снижена фагоцитарная активность лейкоцитов. n Таким образом, микрофлора выполняет ряд важнейших функций как на местном так и на системном уровнях, и можно сказать, что основная их часть осуществляется участием ее метаболитов в различных биологических процессах макроорганизма, в частности короткоцепочечных жирных кислот, которые обеспечивают многочисленные физиологические эффекты.