Микроорганизмы водоёмов, воздуха и почв Лекция №12 по дисциплине «Экология микроорганизмов»
Уникальные свойства воды. Гидромикрофлора и ее особенности. Олиготрофные и эвтрофные водоемы и факторы это определяющие. Лимнология. Санитарно-показательные микроорганизмы. Микроорганизмы воздуха. Микробиологический контроль качества воздушной среды. Микробиоценозы почв. Структура почвенных микробных сообществ. Роль микроорганизмов в формировании плодородия почв.
Микробиоценозы водоёмов
Вода – идеальная среда обитания микроорганизмов. Бактерии не способны к жизнедеятельности вне жидкой воды. Необычные свойства воды объясняются строением её молекулы. В жидкой фазе образуются агрегаты, в твёрдой – кристаллическая структура. Аномальная зависимость плотности от температуры, Теплопроводность, Полярность воды.
Микроскопическое исследование водных микроорганизмов началось в середине XIX в. (Ф. Кон). Первыми в поле зрения микроскопистов попали крупные нитчатые бактерии, как B eggiatoa, Thioploca, Crenothrix, Sphaerotilus, Gallionella, Leptothrix, Peloploca. Период количественного учета бактерий в воде. Воду испаряли в цилиндре на поверхности предметного стекла. Следующим этапом в развитии прямых методов было использование мембранных фильтров из нитроцеллюлозы (А.С. Разумов, А.Е. Крисе). Прямому методу противостояли методы культивирования Р.Коха с подсчетом числа колоний на агаризованных средах и идентификацией индикаторных организмов во главе с Escherichia coli для установления «коли-титра», разработанные санитарными бактериологами в 1880-е годы. Разработка молекулярных методов идентификации и филогенетического положения «некультивируемых» организмов. История исследования водных микроорганизмов Ф. Кон Р.Кох
Микроорганизмы воды играют значительную роль в круговороте веществ, расщепляя органические вещества животного и растительного происхождения и обеспечивая питательными веществами другие организмы, живущие в воде. Гидрологический цикл
Глубокие почвенные воды, ключевая, артезианская вода почти свободны от микроорганизмов. Незначительно бывают загрязненными атмосферные осадки. Количественные соотношения микроорганизмов в открытых водоемах варьируют в широких пределах, что зависит от типа водоема, степени его загрязнения, смены метеорологических условий сезона и т.д. В реках вода загрязняется в большей степени отбросами населенных пунктов. В озерной воде отмечается четкое вертикальное распределение бактерий. В открытые водоемы большинство микробов попадает из почвы → больше всего микробов у берегов.
Олиготрофные, Евтрофные, Мезотрофные, Гипертрофные водоемы Эпилимнион На поверхности водоема микроорганизмы образуют пленку, в которой происходит фотосинтез, концентрируются эндогенные питательные вещества. Совокупность микроорганизмов – нейстон. Металимнион Содержание биогенных минеральных веществ выше, чем в эпилимнионе. Развитие аэробов лимитировано недостатком кислорода. Гиполимнион На дне, особенно илистом, благоприятны анаэробные условия для гниения и брожения, хемоаутотрофного, метилтрофного и гетеротрофного синтеза. Стратификация и перемешивание воды в озере (по Э.Понтеру и др., 1982)
Основные категории микроорганизмов Планктон - основные организмы водной толщи Гаптобентос – микроорганизмы, прикрепляющиеся к плавающим частичкам и водным растениям Перифитон, включающий бентосные микроорганизмы, обитающие непосредственно в донных осадках Продуценты Деструкторы Автохтонная или собственная микрофлора представлена микроорганизмами (см. рис.), постоянно живущими и размножающимися в воде. В состав этой группы входят Micrococcus candicans, Sarcina lutea, Pseudomonas fluorescens, Bacillus cereus и др. Аллохтонная или заносная микрофлора попадает в открытые водоемы из почвы, воздуха, организмов животных и человека и резко изменяет микробный биоценоз и санитарный режим. Sarcina lutea Pseudomonas fluorescens Bacillus cereus
Время выживания аллохтонной микрофлоры водоемов определяется: — интенсивностью процессов самоочищения воды; — таксономической принадлежностью самого микроорганизма (его биологическими свойствами: способностью к спорообразованию); — устойчивостью к высушиванию или к солнечной радиации. Загрязнение воды Возбудитель сибирской язвы Энтеровирус Сальмонелла Лептоспира Возбудители холеры дизентерии бруцеллёза
Общее микробное число – к оличественный показатель бактериальной зараженности окружающей среды, представляющий собой число выросших на мясопептонном arape колоний, приходящихся на 1 мл жидкости. Бактерии группы кишечной палочки (БГКП, колиморфными и колиформными бактериями) – группа бактерий семейства энтеробактерий, используемая санитарной микробиологией в качестве маркера фекальной контаминации. Коли-индекс – количественный показатель бактериологического загрязнения, определяемый количеством БГКП – Escherichia coli в 1 л исследуемого объекта; величина, пропорциональная фактическому содержанию кишечной палочки в исследуемом субстрате. Коли-титр – это наименьшее количество исследуемого материала в миллилитрах, в котором обнаружена одна кишечная палочка. Санитарно-микробиологический анализ воды
Санитарно-показательные микроорганизмы, постоянно обитающие в естественных полостях тела человека и животных - это санитарно-показательные микроорганизмы кишечника (группа А) и верхних отделов дыхательных путей (группа Б). К группе А относятся кишечная палочка, энтерококк, Clostridium ре r fringens, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa, Lactobacterium bifidum, Lactobacterium plantarum, кишечный и дизентерийный бактериофаги, Bacteroides (Risiella). Группа Б включает зеленящий стрептококк, гемолитический стрептококк, стафилокок. Санитарно-микробиологический анализ воды Clostridium регfringens E.coli Proteus mirabilis
Микроорганизмы воздушной среды
Начало микробиологическому анализу воздуха было положено Луи Пастером, экспериментально доказавшим наличие микроорганизмов в воздухе. Микробиологические исследования воздуха в жилых домах, школах и других общественных помещениях ведутся уже более ста лет. Целью первых исследований являлось определение «чистоты» различных типов помещений и выявление возможной связи с уровнем смертности их обитателей. 40-50-е гг. – систематические исследования по изучению микробиологического состава воздуха больниц; открытие аллергенных разновидностей плесени воздуха жилищ, общественных зданий и улицы. 50-60-е гг. – изучение профессиональных заболеваний органов дыхания среди фермеров и рабочих, контактирующих с солодом и хлопком. История исследования микроорганизмов воздуха
Количество микроорганизмов в 1 м 4 воздуха разных мест может достигать следующих размеров: в скотном дворе до 2 млн; в жилых помещениях – 20 тыс; на улицах городов - 5 тыс; в парках - 200; в морском воздухе - 1-2. Микроорганизмы воздуха Состав микрофлоры: микрококки сарцины споры грибов дрожжи актиномицеты спороносные бациллы клостридии возбудители гриппа, коклюша, ангины, кори, скарлатины.
Три группы микроорганизмов воздуха Пигментообразующие кокки – в солнечные дни составляют до 70-80% всей флоры. Почвенные споровые и гнилостные микроорганизмы. Их содержание резко увеличивается в сухую и ветреную погоду. Плесневые грибы и дрожжи. Содержание увеличивается при повышении влажности воздуха.
Состав зависит от микрофлоры почвы, воды, от времени года, климатических и метеорологических условий, малочислен и вариабелен. Наибольшее количество микробов содержит воздух промышленных городов. Воздух сельских мест гораздо чище. Основная масса микроорганизмов находится у поверхности земли, в тропосфере. Микроорганизмы атмосферного воздуха
Микроорганизмы воздуха помещений Состав воздуха помещений зависит от их объема, частоты проветривания, качества уборки, степени освещенности и посещаемости. Воздух может содержать микрофлору верхних дыхательных путей и кожи человека. Количество микроорганизмов почти не зависит от сезонов года. Необходимо проводить уборку с использованием дезинфицирующих средств. В помещениях с большим количеством растений воздух более чист за счет вырабатываемых растениями фитонцидов.
Некоторые типы грибов, способных вызывать ринит и/или астму, в воздухе помещений Alternaria Aspergillus Wallemia Cladosporium Eurotium Fusarium Mucor Penicillium Микроорганизмы воздуха помещений
– это взвесь в воздухе живых или убитых микробных клеток, адсорбированных на пылевых частицах или заключенных в «капельные ядра». Включает частицы размером от 0,001 до 100 мкм. Размер частиц определяет 2 важных параметра аэрозоля: 1) скорость оседания (седиментации) – для частиц размером от 10 до 100 мкм = 0,03 – 0,3 м/сек. – для частиц размером ≤ 5 мкм формируют практически не седиментирующий аэрозоль; 2) проникающая способность – частицы размером 0,05 – 5 мкм – наиболее опасны т.к. способны задерживаться бронхиолах и альвеолах. – частицы размером ≥ 10 мкм задерживаются в верхних отделах дыхательных путей и выводятся из них. Микробный аэрозоль
Воздушная среда, как объект санитарно-микробиологического исследования имеет целый ряд специфических особенностей: отсутствие питательных веществ → невозможность размножения микроорганизмов; небольшая длительность нахождения микроорганизмов в воздушной фазе; их самопроизвольная седиментация; невысокие концентрации микроорганизмов в воздухе; малое разнообразие видов микроорганизмов, обнаруживаемых в воздухе. Санитарно-микробиологический анализ воздуха
Объектами санитарно-бактериологического исследования являются: воздух лечебно-профилактических и детских учреждений, мест массового скопления людей. Staphylococcus Streptococcus Санитарно-микробиологический анализ воздуха Нормы микробного числа в воздухе лечебно-профилактических учреждений: Операционные до начала работы – не >500; Операционные во время работы - не > 1000; Родильные комнаты - не > 1000; Палаты для недоношенных детей - не > 750. Санитарно-показательные микроорганизмы: стафилококки, стрептококки, сапрофитные бактерии.
Методы отбора проб воздуха Седиментационный Аспирационный заключается в способности микроорганизмов под действием силы тяжести и под влиянием движения воздуха оседать на поверхность питательной среды в открытые чашки Петри основан на принудительном осаждении микроорганизмов из воздуха на поверхность плотной питательной среды или в улавливающую жидкость
Дезинфекция воздуха Механическая Физическая Химическая Биологическая чистка предметов, влажная уборка, стирка, выколачивание, вытряхивание, фильтрация, вентиляция уничтожение возбудителей инфекционных болезней во внешней среде средствами биологической природы. уничтожение возбудителей на объектах происходит под влиянием различных физических факторов. применении различных химических веществ, вызывающих гибель микроорганизмов в воздухе и различных субстратах Открытые УФ-облучатели Химические дезинфектанты
Микробиоценозы почв
Почва является естественной средой обитания микроорганизмов, которые принимают участие в процессах формирования и очищения почвы, а также круговорота веществ в природе. Жизнедеятельность микроорганизмов в почве, их качественный и количественный состав определяется почвенными условиями : наличием питательных веществ, влажностью, аэрацией, реакцией среды, температурой и т.д. Почва – гетерогенная среда обитания микроорганизмов. Почвенные микроорганизмы обитают в трехфазной полидисперсной среде, представленной твердой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенная вода) и газообразной (почвенный воздух) фазами. Большое влияние, как на общую численность, так и на соотношение отдельных систематических групп микроорганизмов оказывает тип почвы. На микробиоценоз почвы существенно влияет деятельность человека. Другим источником воздействий на микрофлору почв является сам субстрат. Микроорганизмы почв Схема строения структурной почвы как среды обитания микроорганизмов (по Д.Г.Звягинцеву, 1987): 1 – почвенный агрегат; 2 – органическое вещество; 3 – пленка воды; 4 – внутриагрегатная пора; 5 – межагрегатная пора; 6 – микроорганизмы.
В составе микрофлоры почвы выделяют следующие функциональные группы микроорганизмов: сапрофитная (зимогенная) микрофлора – разлагает органические соединения, автохтонная – разлагает гумус, осуществляет минерализацию сложных органических соединений, олиготрофная – ассимилирует питательные вещества из растворов с низкой концентрацией, завершая минерализацию, автотрофная (хемоавтотрофная) – вызывает окисление неорганических соединений, образующихся при миробной трансформации органических веществ. Структура микробного ценоза почвы: А– зимогенная микрофлора; Б – автохтонная микрофлора; В – олиготрофные бактерии; Г – автотрофные бактерии Микроорганизмы почв
В составе микрофлоры почвы выделяют следующие группы микроорганизмов: бактерии аммонификаторы – вызывают гниение трупов животных, остатков растений, разложение мочевины с образованием аммиака и других продуктов ( B. subtilis, B. mesentericus, Serratia marcescens ; бактерии рода Proteus ; грибы рода Aspergillus, Mucor, Penicillium ; C. sporogenes, C. putrificum ; Urobacillus pasteuri, Sarcina urea ); нитрифицирующие бактерии – окисляет аммиак до азотистой кислоты с образованием нитритов (Nitrosomonas), превращают азотистую кислоту в азотную и нитраты(Nitrobacter); азотфиксирующие бактерии – усваивают из воздуха свободный кислород и из молекулярного азота синтезируют белки и другие органические соединения азота, используемые растениями; бактерии, участвующие в круговороте серы, железа, фосфора и других элементов – серобактерии, железобактерии и т.д.; бактерии, расщепляющие клетчатку, вызывающие брожение (молочнокислые, спиртовые, маслянокислые, уксусные, пропионовые и др.). Микроорганизмы почв
Через почву могут передаваться возбудители многих инфекционных заболеваний, в том числе столбняк, газовая гангрена, ботулизм. Особо опасным в санитарном отношении является загрязнение почвы необезвреженными отходами животноводства (навоз, моча, трупы животных). Микробное загрязнение почв Резиденты (почва служит природным биотопом ) Загрязняющие почву с выделениями Сохраняются длительно Сохраняются недолго Clostridium botulinum, возбудители подкожных микозов, виды Actinomyces, некоторые возбудители микотоксикозов Bacillus anthracis, Clostridium tetani виды Clostridium, вызывающие анаэробные инфекции Виды Salmonella, Shigella, Vibrio, Brucella, Mycobacterium, Leptospira, Pseudomonas энтеровирусы, вирус ящура Обезвреживание почвы, обсемененной патогенными микроорганизмами, проводят механической обработкой и посевом растений. Применение химических веществ приводит к утрате почвой плодородия.
При исследовании почвы может проводиться полный или краткий анализ. Полный санитарно-бактериологический анализ почвы проводится: для подробной и глубокой характеристики санитарного состояния почвы; для определения пригодности почвы при размещении жилья, мест отдыха, детских учреждений и водопроводных сооружений; для эпидемиологических исследований. Дополнительно: определение актиномицетов, грибов, сальмонелл, шигелл, возбудителей столбняка, ботулизма, бруцеллеза, сибирской язвы. Санитарно-микробиологический анализ почв Краткий анализ рекомендуется при осуществлении текущего санитарного надзора и включает определение общего количества сапрофитных бактерий, клостридий (перфрингенс-титр), термофильных бактерий.
Перфрингенс-титр – наименьшее весовое количество почвы, выраженное в граммах, в котором обнаруживается жизнеспособная клетка Clostridium perfringens. Определение перфрингенс-титра является важным критерием для санитарной оценки почвы и ее самоочищения, так как при фекальном загрязнении почвы уже через 4-5 месяцев E.coli исчезают, а Cl.perfringens обнаруживаются в титре 0,01 г. Clostridium perfringens
