УРАЛЬСЬКА ДЕРЖАВНА МЕДИЧНА АКАДЕМІЯ КАФЕДРА МІКРОБІОЛОГІЇ, ВІРУСОЛОГІЇ І ІМУНОЛОГІЇ Літус Н.В. Сергєєв А.Г. Григор'єва Ю.В. Ішутінова В.Г.
Літус Н.В. Сергєєв А.Г. Григор'єва Ю.В. Ішутінова В.Г.
У методичних рекомендаціях наводяться дані по екології мікроорганізмів, їх поширення в зовнішньому середовищі і в організмі людини.
Методичні рекомендації призначені для студентів вищих і середніх спеціальних навчальних закладів, які навчаються за спеціальностями:
лікувальна справа, медико-профілактична справа, педіатрія, стоматологія, фармація.
Цей термін запропонував в 1866 році Е. Геккель. Екологія мікроорганізмів досліджує лише окремі частини цілісних екологічних систем. Основною одиницею в екології є екосистема. У неї входять як біологічні, так і абіотичні компоненти. Біотичні компоненти складають співтовариство організмів, або біоценоз. Під абиотическими компонентами слід розуміти фізичні та хімічні умови екосистеми, в якій живуть організми. Розміри мікробних екосистем дуже різноманітні. Це може бути, наприклад, ставок, озеро або коренева система дерева. Можливі й такі маленькі екосистеми, як ротова порожнина або ділянку кишечника.
В межах екосистеми для кожного виду можна описати його місце проживання.
На відміну від терміна "місцепроживання" поняття "екологічна ніша" відображає не місце в просторі, а функцію якогось виду або популяції в співтоваристві організмів. Екологічна ніша характеризує "професію" виду. Можна виходити з того, що кожен вид (або популяція) виконує певну функцію, яка обумовлена його (її) потреб в їжі, рухливістю, способами розмноження, біохімічними, структурними особливостями, межами толерантності (терпимості) до умов середовища. Може або не може будь-який вид виконувати певну функцію в певній екосистемі, залежить від сукупності його властивостей. Ступінь пристосовності виду до змін умов середовища називається екологічною валентністю. Екологічною валентністю виду мікроорганізмів також називають його здатність заселяти середу, що характеризується певними змінами екологічних факторів.
Завдяки різноманітності механізмів утилізації джерел живлення і енергії, а також вираженої адаптації до зовнішніх впливів, мікроорганізми можуть мешкати там, де інші форми життя неможливі.
Природні середовища проживання більшої частини мікроорганізмів - вода, грунт і повітря. Число мікроорганізмів, що мешкають на рослинах і в організмах людини і тварин, значно менше. Широке поширення мікроорганізмів пов'язане з легкістю їх переміщення по повітрю і воді; зокрема, поверхня і дно прісноводних і солоних водойм, а також кілька сантиметрів верхнього шару ґрунту рясніють мікроорганізмами, які руйнують органічні речовини. Менша кількість мікроорганізмів колонізує поверхню рослин, шкіру і волосяний покрив, а також деякі внутрішні порожнини тварин (шлунково-кишковий тракт, верхні відділи дихальних шляхів). У зонах проживання мікроорганізми утворюють мікроценоз. Кожне мікробне співтовариство в конкретному ценозі утворюють специфічні аутохтонние мікроорганізми (від грец. Autos - свій, chthon - країна), зазвичай в них зустрічаються. У природних біоценозах (грунт, вода, повітря) виживають і розмножуються лише ті мікроорганізми, яким сприяє навколишнє середовище; їх ріст припиняється, як тільки умови навколишнього середовища змінюються. При настанні сприятливих умов вони дають початок новим клонам мікроорганізмів.
Мікроорганізми як симбіотичні партнери З тих незапам'ятних часів склалися складні взаємини між мікроорганізмами, з вищими організмами рослинного і тваринного світу, з одного боку, і навколишнім середовищем - з іншого.
Тісне співжиття двох різних організмів, в тому числі мікроорганізму з макроорганизмом, називають симбіозом. Учасники симбіозу називаються симбионтами. Симбіоз характеризується різними типами біотичних взаємовідносин по відношенню до клітин свого господаря і один до одного.
Мутуалізм - це така форма співжиття, коли обидва симбіонту господар і мікроорганізм отримують взаємну вигоду. При мутуалізм співжиття створює сприятливі умови для обох партнерів, тобто це взаємовигідний симбіоз. Бактерії багатьох видів продукують вітаміни В6, В12, а також вітамін К. Прикладом мутуалізму служить співжиття рослин з бульбочкових бактерій, які харчуються речовинами з соків рослини (наприклад, бобових - гороху, вики), а рослини, у свою чергу, використовують азотисті сполуки, синтезовані бульбочкових бактерій, які є фіксаторами азоту.
Комменсализм - це така форма співжиття, коли один з симбіонтів (в даному випадку мікроб) живе за рахунок господаря, користується його захистом, але не заподіює господареві ніякої шкоди. При комменсализмом партнерство може бути вигідно одному з організмів без надання шкідливого впливу на іншого. Мікроби-комменсали (стафілококи, стрептококи) населяють в якості нормальної мікрофлори шкірні покриви і слизові оболонки людини і тварин. Однак слід визнати, що комменсализм в цьому випадку досить відносне поняття, тому що серед представників умовно-патогенної мікрофлори є такі, які за певних умов можуть викликати важкі захворювання.
Паразитизм - це така форма співжиття, коли мікроорганізмипаразіти харчуються компонентами тканин господаря, при цьому завдають йому шкоди, викликаючи інфекційну хворобу, і не можуть існувати без нього.
Такі мікроорганізми називаються патогенними. Отже, місцем існування паразита є організм господаря, до якого паразит адаптується в процесі еволюції. Це середовище безпосередньо впливає на паразитів так само, як і паразити впливають на господаря. Навколишнє середовище в звичайному розумінні впливає на таких паразитів вже опосередковано, через організм хазяїна.
Багато мікроорганізмів, потрапляючи в організм людини, ніяк не впливають один на одного, тобто між ними немає взаємодії, така ситуація називається нейтралізм. При нейтралізме партнери (мікроорганізм і макроорганізм) можуть не надавати один на одного ніякого впливу.
Антагонізм - це протилежний ефект, взаємне протидія органів, лікарських засобів, мікроорганізмів. Антагонізм мікроорганізмів - це складне взаємовідношення, коли при спільному розвитку популяцій бактерії одного виду або всередині одного і того ж виду пригнічують розвиток інших, а іноді повністю їх знищують. Антагонізм мікроорганізмів широко використовують для профілактики і лікування різних хвороб, головним чином шлунково-кишкових захворювань.
Наприклад, багато штамів кишкової палички здатні пригнічувати розвиток і знищувати стрептококи, стафілококи, сальмонели.
Антагоністичні взаємини між мікроорганізмами представляють великий практичний інтерес. Антагонізм мікробів у грунті спостерігав ще Л. Пастер (1870 г.), І.І. Мечников (1905 р) спостерігав антагонізм між молочнокислими і гнильними бактеріями. Заслуга І.І. Мечникова полягає в тому, що він заклав основи вчення про антагонізм мікроорганізмів, яке в даний час переросло в вчення про антибіотики.
Синергізм - це однакові фізіологічні процеси різних мікробних асоціацій, в результаті яких відбувається збільшення кінцевих продуктів.
Сателлізм - це стимуляція зростання одного мікроорганізму продуктами життєдіяльності іншого, який потім стає його супутником.
Серед різноманітних представників світу мікроорганізмів розвинулися різні форми симбіотичних взаємин. Взаємно корисні відносини склалися між аеробними бактеріями, що мешкають в грунті, в відділі товстого кишечника та інших субстратах. Аеробні бактерії використовують кисень, присутній в грунті, тим самим створюють сприятливі умови для розвитку анаеробів. У свою чергу, анаероби розкладають целюлозу, утворюючи органічні кислоти, які є джерелом енергії для аеробних бактерій.
З величезного числа мікроорганізмів, що мешкають в природі, тільки незначна частина хвороботворних. У процесі багатовікової еволюції одні види мікробів, пристосувавшись до вилучення харчових ресурсів з неживої природи, до цих пір залишаються свободноживущими, інші види поступово адаптувалися до співжиття з тваринами або рослинами і за рахунок їх отримують поживні речовини.
В процесі еволюції адаптація паразитів до господаря йшла по лінії спеціалізації, зокрема, шляхом придбання здатності паразитувати в певних тканинах, наприклад, збудники бруцельозу паразитували в плаценті, сальмонели - в слизовій тонкого кишечника.
У цьому випадку мова йде про тропизме паразитів, тобто здатності вибірково вражати переважно ті чи інші органи і тканини.
Різними можуть бути і просторові відносини між симбионтами. Якщо один симбіонт знаходиться поза клітинами іншого, то говорять про ектосімбіозе, а якщо всередині клітин - про ендосимбіоз. Більшого з симбіонтів називають господарем.
При інфекційних захворюваннях взаємодія різних видів мікроорганізмів обумовлює розвиток так званих асоційованих інфекцій. Асоційовані інфекції викликаються двома або більше збудниками. Асоціація мікроорганізмів - це спільнота різних їх видів, що існує в природно або штучно створених умовах.
Мікрофлора грунту Грунт складається з неорганічних речовин і органічних сполук, що утворюються в результаті загибелі і розкладання живих організмів. Грунтові живі організми в сукупності складають ґрунтовий біоценоз. Вміщені в грунті живі організми (в тому числі мікроорганізми) складають живу фазу грунту. У неї входять макроорганізми і мікроорганізми, як тварини, так і рослинного походження.
Макроорганізми живий фази грунту включають:
- макрофауни (гризуни, комахи, кліщі, черевоногі молюски, багатоніжки, павуки і кільчасті черви);
- макрофлору (коріння рослин).
Мікроорганізми живий фази грунту включають:
- мікрофауну (нематоди, найпростіші, коловертки);
- мікрофлору (водорості, гриби, бактерії).
Знаходяться в грунті мікроорганізми поділяються на два види:
- аутохтонние мікроорганізми (резидентні мікроорганізми, резидентная мікрофлора), тобто мікроби, які притаманні тільки конкретного типу грунту;
- алохтонні мікроби (транзиторна мікрофлора), тобто ті мікроорганізми, які в звичайних умовах в ґрунті не зустрічаються.
Мікроорганізми в грунті розвиваються у водних і колоїдних плівках, що покривають тверді частинки, і особливо в капілярної і гравітаційної воді, що заповнює пори між мінеральними частинками грунту і містить розчинені органічні і неорганічні речовини.
У грунті живуть:
1. Водорості (зелені, синьо-зелених і діатомових). Вони поширені повсюдно, особливо в поверхневих шарах грунту.
Найбільш важливим екологічним фактором, що регулює поширення водоростей, є вологість, хоча вони здатні витримувати тривалі періоди посухи. Морфологічна різноманітність водоростей дуже велике, але всі вони мають мікроскопічні розміри, ниткоподібну форму і складаються з однієї клітини. Найбільш численні синьо-зелені і зелені водорості.
Кількість їх в 1 г грунту може досягати 100 тис.
2. Гриби. Їх можна розділити на три групи: дріжджі і дріжджоподібні, цвілі, включаючи ниткоподібні гриби, базидіоміцети.
Дріжджі і дріжджоподібні гриби мало поширені в звичайних грунтах, і тому роль і значення їх в життя грунту невеликі.
Цвілі і базидіоміцети більш численні в грунтах, особливо базидіоміцети в лісових ґрунтах, де вони викликають утворення мікоризи. Гриби можуть жити в умовах часткового анаеробіозу, але аеробіоз стимулює їх розвиток.
Число грибів в поверхневому шарі грунту від 8 тис. До 1 млн.
на 1 г, а біомаса - від 1000 до 1500 кг / га. Найбільш сприятлива реакція середовища для грибів - кисла (рН 4,0).
3. Бактерії (спороутворюючі бактерії, спірохети, мікобактерії, псевдомонади, азотфіксуючі і нитрифицирующие бактерії, архебактерии). В окультурених ґрунтах бактерії перевершують всі інші групи мікроорганізмів, як за чисельністю, так і за своєю різноманітністю. Число бактерій в 1 г грунту коливається від 300 тис. До млн. І навіть до 4 млрд. У родючому грунту загальна біомаса бактерій досягає 500 кг / га і більше.
Бактерії діляться на гетеротрофи і автотрофи. Гетеротрофи використовують енергію та вуглець, укладені в складних органічних речовинах. Аутотрофи використовують енергію, що виділяється при окисленні мінеральних речовин, добуваючи вуглець з вуглекислого газу, а азот - з мінеральних сполук. Велика частина грунтових бактерій належить до гетеротрофам, тобто вимагає для свого існування готове органічна речовина.
По відношенню до кисню грунтові мікроорганізми поділяються на аеробні (вимагають для свого існування вільний кисень) і анаеробні (не вимагають для свого існування вільного кисню).
Найбільше значення в грунті мають азотфиксирующие бактерії, здатні засвоювати молекулярний азот (Azotobacter, Nitrobacter, Mycobacterium і інші), і спороутворюючі палички родів Bacillus і Clostridium.
Ґрунтові мікроорганізми беруть участь в процесах ґрунтоутворення, самоочищення грунту, кругообігу в природі азоту, вуглецю та інших елементів. У грунті є всі умови для розвитку мікроорганізмів: достатня кількість органічних і мінеральних речовин для їх харчування, які підходять вологість і реакція середовища, захист від прямих сонячних променів, кисень.
Зі збільшенням кількості органічних речовин в грунті, як правило, зростає і кількість мікроорганізмів. Органічні речовини є живильним середовищем для більшості ґрунтових бактерій. Загальний запас органічних речовин грунту досягає 400 т на 1 га, з них більша частина знаходиться в поверхневому шарі (до 30 см) грунту. Головна складова частина органічних речовин грунту - останки тварин і рослинних тканин. Жива маса мікроорганізмів в 1 га грунту (удобреному) перевищує 5-6 т. Найбільш багаті мікроорганізмами чорноземні, каштанові грунти, сіроземи і спеціально оброблені грунту. Кількість бактерій в 1 г таких грунтів іноді досягає декількох десятків мільярдів. Бідні мікрофлорою піщані, гірські і позбавлені рослинності грунту. Але навіть в пісках пустелі кількість бактерій досягає 10-100 тис. В 1 м
Чисельність мікроорганізмів у грунті збільшується в напрямку з півночі на південь, причому навесні кількість їх значно зростає, досягаючи максимуму до початку літа, осені; взимку - різко зменшується.
До типових грунтовим бактеріям відносяться Bacillus subtilis, Bacillus mycoides, Bacillus mesentericus, Bacillus megatherium, а також термофільні бактерії та інші мікроорганізми, що становлять іноді 80-90% всієї мікрофлори грунту.
Забруднення і самоочищення грунту Грунт населених місць забруднюється твердими і рідкими покидьками, виділеннями людей і тварин, їх трупами, залишками рослин, господарсько-побутовими і промисловими стічними водами.