Экологическая микробиология

Бактериологическое исследованиеТермин экологическая микробиология впервые был введен в  1945 году С.М. Виноградским. Он сформулировал положение о постоянной (аутохтонной) и временной (аллохтонной) микрофлоре конкретной микробиологической ниши.

Природные среды обитания микроорганизмов: почвы, водоёмы, воздух, организмы растений, животных и людей. В каждом из них различают:

  • постоянную (резидентную, индигенную, аутохтонную) микрофлору;
  • случайную (транзиторную, аллохтонную) микрофлору.

Почва — самая благоприятная среда существования микроорганизмов.

Почвы с растениями и животными образуют сложные и разнообразные биогеоценозы, состав, плотность, функциональная активность которых зависят от типа и структуры почвы, состава  минеральных и органических веществ, физико-химического состояния, температуры, рН, влажности, концентрации О2 и СО2.

Максимальное количество микроорганизмов в черноземах и красноземах на глубине 10-20 см, на глубине более 1-2 м — встречаются в незначительном количестве, начиная с 5-6 м почва стерильна. Патогенные микроорганизмы попадают в почву с выделениями, мочой, навозом, мокротой, слюной, с трупами людей и животных, при выбросе фекально-бытовых и сточных вод различных предприятий.

Среди грамотрицательных бактерий распространенные обитатели почвы следующие:

1. Фототрофные бактерии:

  • — Оксифотобактерии – цианобактерии (синезелёные бактерии), осуществляющие кислородный фотосинтез (заливные рисовые поля).
  • — Аноксифотобактерии — пурпурные и зеленые, осуществляющие бескислородный фотосинтез.

Многие из них способны к азотфиксации. У аэробных цианобактерий этот процесс связан с существованием гетероцист, в которых чувствительный к кислороду фермент нитрогеназа (катализирует процесс восстановления N2 до аммиака) защищен от кислородпродуцирующей фотосинтетической системы. Зрелые гетероцисты имеют 3 дополнительных слоя поверх клеточной стенки и с вегетативными клетками контактируют через многочисленные поры. Фотосинтетические мембраны в гетероцистах сильно редуцированы. Вегетативные клетки цианобактерий проявляют сильную нитрогеназную активность только в анаэробных или микроаэробних условиях.

2. Хемотрофы.

Населяют те зоны, где есть легкодоступные для гидролиза органические вещества, особенно их много в зоне корневых систем растений и на самих корнях:

  • — Псевдомонады — подвижные, образуют споры, обычно аэробы, некоторые способны к денитрификации. Отдельные возбудители болезней растений – из рода Xanthomonas;
  • — Бделловибрионы — чуть согнутые палочки, с толстым полярным жгутиком. Это облигатные паразиты бактерий, которые проникают в периплазматическое пространство других грунтовых клеток. Там растут, приобретая формы длинной спириллы, а дальше делятся сразу на несколько клеток.  Эти клетки приобретают жгутики и выходят из клетки-хозяина, активно нападая на новые бактерии;
  • — Азотобактерии — большие перитрихи (с большим количеством жгутиков по всей поверхности клетки), аэробные азотфиксаторы. Самый распространенный вид – Azotobacter chroococcum. Короткие подвижные палочки превращаются в неподвижные кокки, объединенные в диплококки. Они покрываются слизистыми капсулами. Во время старения образуются дополнительные покровы, клетки покоя — цисты;
  • — Клубеньковые бактерии — подвижные палочки, не образующие спор. Неподвижные, искривленные палочки — бактероиды способные к азотфиксации;
  • — Энтеробактерии. Экологически выделяют 3 группы — представители нормальной кишечной микрофлоры млекопитающих и возбудители кишечных инфекций (сальмонеллы, шигеллы), эпифитные и патогенные для растений бактерии (эрвинии), обитатели водоемов и почвы (протеи, сератии). Активные аммонификаторы, протей даже разлагает мочевину;
  • — Почкующиеся бактерии — у нитробактерий образуются «сидячие» почки, например, у гифомикробов — на выростах (стебельках)
  • — Миксобактерии и цитофаги  — слизеобразующие скользящие бактерии. Миксобактерии отличаются сложным жизненным циклом с формированием плодовых тел. Могут, кроме почвы, расти на навозе, коре деревьев. Разлагают целлюлозу или лизируют другие бактерии. Хитинофаги разлагают хитин;
  • — Простекобактерии — имеют простеки (выросты) в виде стебельков. Caulobacter отличается уникальным жизненным циклом. У клетки появляется сначала жгутик, на противоположном полюсе, на простеке, формируется фиксатор, состоящий из пластинок липкого материала. При делении образуются две неравноценные клетки: а) Одна с  простекой продолжает разделение; б) Вторая со жгутиком плавает, пока не потеряет его и у неё не вырастет простека. Тогда она начинает деление. Несколько клеток с простеками  объединяются в розетки за счет слипания стебельков. Часто с их помощью прикрепляются к большим бактериям. Очень плохо изучены. Среди них встречаются  шестиугольные формы;
  • — Спириллы — очень подвижные. На корнях злаковых распространены азоспириллы, обладающие азотфиксирующей способностью;
  • — Спирохеты — длинные (500 мкм), подвижные за счет аксиальных волокон.

     Среди грамположительных встречаются:

  • — Спорообразующие — большинство палочковидных — бациллы (утилизаторы белков, мочевой кислоты, фосфорорганичних соединений), клостридии (анаэробы — 4 группы — сахаролитические, пектинолитические, пуринолитические, сульфатредуцирующие). Участвуют в преобразованиях соединений углерода, азота, серы.
  • — Коринебактерии — характеризуются плеоморфным ростом с циклом «кок-палочка-кок» и клетками в форме Т, Х, У, V. Артробактеры участвуют в процессах минерализации органических веществ в аэробных условиях. Их содержание возрастает в почвах, бедных свежими органическими остатками и в экстремальных условиях — тундра, высокогорные районы, пустыни. Они не образуют таких устойчивых эндоспор, как бациллы, но их клетки долго сохраняют жизнеспособность, а популяции выживают благодаря экономному использованию эндогенных субстратов. В процессе распада органических веществ некоторые виды образуют пероксид водорода, который участвует в окислении и осаждении железа и марганца.
  • — Актиномицеты – Образуют ветвящиеся клетки (подобие мицелия). Все они разлагают сложные органические вещества;
  1.  Микоплазмы — важнейшие Gallionella, Metallogenium, Siderococcus, распространенные на растениях, животных, почвах, чистых и сточных водоемах;
  2.  Архебактерии — метаногены, сероокисляющие, серовосстанавливающие, термоацидофилы, галофилы.
  3.  Грибы — пенициллы, аспергиллы участвуют в почвообразующих процессах, преобразованиях соединений азота, углерода, выделяют биологически активные вещества, в том числе токсины и антибиотики. Токсинообразующие  грибы, попадая в организм с едой, вызывают интоксикации — микотоксикозы и афлатоксикозы.
  4. Простейшие — питаются бактериями и органическими остатками, вызывают изменения в составе органических соединений почвы. Количество от 500 до 500000 на 1 г.

Микроорганизмы играют важную роль в формировании почвы и определяют её плодородие. Общее количество микроорганизмов свидетельствует об интенсивности биохимических процессов, протекающих в почве. Для более точного представления о плодородии почвы проводят исследования на наличие в ней определенных физиологических групп микроорганизмов — амонифицирующих, нитрифицирующих, денитрифицирующих, азотфиксирующих и др.

Бактериологическое исследование почвы

включает определение:

  • а) общего количества сапрофитных микроорганизмов;
  • б) количества микроорганизмов различных физиологических групп;
  • в) микроорганизмов-антагонистов и выявление их активности;
  • г) санитарно-показательных микроорганизмов (кишечной палочки и др.);
  • д) патогенных микроорганизмов.

При выделении микроорганизмов из почвы необходимо учитывать питательную среду и иметь в виду, что все они на ней не вырастут.

Сроки пребывания патогенных микробов в почве варьируют — неспорообразующих (дизентерии, чумы, бруцеллеза, туляремии, туберкулеза) несколько дней, месяцев;  споры столбняка, сибирской язвы, газовой гангрены — годы. Отмирание обусловлено нехваткой влаги, отсутствием питательных веществ, антагонизмом бактерий, солнечным светом. Санитарно-эпидемиологическое исследование почвы проводят с целью санитарного надзора и по эпидемиологическим показаниям. Почвы с преобладанием микрофлоры, что свидетельствует о фекальном загрязнении, считают неблагоприятными (Str. Faecalis, Citrobacter, Enterobacter, C.perfingens).

В почве микроорганизмы образуют сложные ассоциации с растениями.

Растительная микрофлора:

  • — Эпифиты — существуют на поверхности растений. Являются антагонистами фитопатогенных микроорганизмов. Растут за счет выделений тканей растений  и органических загрязнений. В максимальном количестве обнаруживают грамотрицательные палочки Erwinia herbicola, псевдомонады, бациллы. Находятся на стеблях, листьях, семенах. Состав зависит от вида, возраста растений, типа почвы, температуры;
  • — Микрорганизмы ризосферы — в почве, у корней — неспорообразующие псевдомонады, микобактерии, актиномицеты, грибы. Функции: переводят различные субстраты в соединения, доступные для растений, синтезируют биологически активные вещества, вступают в симбиотические взаимоотношения с растениями, обладают антагонистическими свойствами против фитопатогенов. Толщина ризосферного слоя составляет от  2-3 мм до 1 см. В ризосферу поступают органические вещества — малат, сукцинат, ацетат, гликолат, сахара. Корни растений регулируют микробный состав с помощью лектинов, обеспечивая прикрепление только благоприятных видов;
  • — Симбиоз мицелия грибов с корнями высших растений — микориза: эктотрофная (гифы на поверхности корня), эндотрофная (гифы внутри паренхимы), мезотрофная (на поверхности и внутри паренхимы). Функции — увеличивает площадь поглощения влаги и питательных веществ, производит биологически активные вещества. Некоторые растения (например, орхидеи) — облигатные микотрофные растения.

Патогенные бактерии вызывают бактериозы — общие (гибель всего организма), местные — отдельных органов растений:

  • Erwinia — ожог, мокрая гниль.
  • Pseudomonas — бактериальная пятнистость разного размера и цвета.
  • Xantomonas — пятнистость, сосудистый бактериоз.
  • Corynebacterium — сосудистые и паренхиматозные заболевания.
  • Agrobacterium — опухоли.

Далее о количественном и качественном составе микрофлоры воды.  «Состав микрофлоры воздуха», «Микрофлора продуктов питания»