Курс лекций по общей микробиологии основам вирусологии двух частях
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
Почвенно-альгологическая индикация. Основой для развития почвенно-альгологических работ идикационно-диагностического профиля служит положение о том, что зональности почв и растительности соответ-ствует и зональность водорослевых группировок. Она проявляется в об-щем видовом составе и комплексе доминантных видов водорослей, в нали-чии специфических видов, в характере распространения по почвенному профилю, в преобладании определенных жизненных форм. Подзолообразовательному процессу соответствует сравнительно простая группировка водорослей с преобладанием одноклеточных зеленых желто-зеленых, устойчивых к низкому значению рН. Для дернового про-цесса характерно большое разнообразие видов с равным преобладанием сине-зеленых и зеленых и значительной долей желто-зеленых и диатомо-вых водорослей. Болотный процесс характеризуется исключительным раз-нообразием видов с резким доминированием зеленых и наличием гидро-фильных видов. При степном процессе в группировке водорослей преоб-ладают сине-зеленые и одноклеточные зеленые - убиквисты, при солонцо-вом получают значительное развитие диатомовые, при осолодении на пер-вое место выходят зеленые и желто-зеленые, включая специфические ви-ды. Пустынный процесс приводит к сокращению численности и разнооб-разия желто-зеленых и диатомовых и резкому доминированию нитчатых сине-зеленых водорослей. Биологическое освоение безжизненных грунтов первичное почвообразование связаны с развитием мелких одноклеточ-ных зеленых, сине-зеленых или желто-зеленых водорослей-убиквистов. Микробиологическая диагностика и биологическая активность почв. Микробиологическая и биохимическая характеристики почв - наи-более сложные разделы почвенной биодиагностики. Микроорганизмы - очень чуткие индикаторы, резко реагирующие на различные изменения в среде. Отсюда необычайная динамичность микро-биологических показателей. Уже в первых работах диагностического на-правления в почвенной микробиологии, организованных С.П. Костычевым в 1920-х гг., была поставлена задача исследования биодинамики почв, то есть учета показателей не только в пространстве, но и во времени. 167 Другая трудность - пестрота значений численности микроорганиз-мов в связи с их неравномерностью распределения в почвенной толще и даже в почвенном слое одного генетического горизонта. Из этого следует необходимость не только многократных анализов, но и многочисленности обрабатываемых образцов почв. Третья сложность заключается в слабой разработанности микробной систематики и идентификации видов, без чего экологические исследования много теряют. Биологическую активность почв определяют, используя самые раз-личные микробиологические (прямой микробиологический подсчет мик-роорганизмов разных групп: бактерий, актиномицетов, грибов, и опреде-ление количества микроорганизмов на разных питательных средах), био-химические (определение ферментативной активности почв, АТФ, ДНК), физиологические (физиологический метод определения биомассы микро-организмов, определение дыхания почв) и химические (определение со-держания нитратов, аммиака) методы. Методы четко делят на две группы: методы определения действительной, актуальной природной био логической активности почв (полевые методы определения дыхания, азот-фиксации, денитрификации, некоторые изотопные методы); методы определения потенциальной биологической активности почв, то есть той активности, которая обнаруживается в лаборатории при оптимальных условиях для протекания данного процесса (определение ферментативной активности почв, лабораторные методы определения нит рификации, азотфиксации, денитрификации, дыхания). Ко второй группе методов относятся и определение численности микроорганизмов прямыми методами или посевом, определение ДНК, му-рамовой кислоты, хлорофилла, физиологический метод определения мик-робной биомассы, так как они позволяют определить только потенциаль-ные возможности микроорганизмов в почве, но не дают представления об активной части микроорганизмов в определенный момент времени. 6.6. Методы исследования биологической активности почв Прямыми методами можно учесть количество почвенных беспозво-ночных, простейших и водорослей. Зная численность клеток в единице объема или массы почвы, их размер и удельную массу, можно получить 168 расчетную биомассу разных групп организмов в почве. Так называемые «прямые» методы учета бактерий, актиномицетов и грибов предполагают отделение их клеток или мицелия от почвы в результате суспендирования воде с последующим перенесением их на стекла или фильтры, окраску и подсчет под микроскопом отдельных клеток или длины обрывков мицелия. Разработаны также методы прямого счета бактерий в счетных капиллярах и под электронным микроскопом. Хорошо известно, что численность живых организмов в почве по-стоянно меняется. Однако в каждой почве имеется определенный естест-венный уровень, который можно принять за пул, то есть тот запас почвен-ных микроорганизмов, который не обеспечен энергетическим веществом для непрерывного размножения, но находится в состоянии поддержания. Его величина не зависит от сезона, а определяется особенностями самой почвы и факторами среды, которые влияют на почвенные свойства. качестве характеристики интенсивности продукционного процесса почвенных микроорганизмов определяют суммарное количество синтези-рованной биомассы за тот или иной срок. Биомасса грибов в почвенной толще превышает бактериальную во всех типах зональных почв, но осо-бенно заметно преобладание грибной биомассы в лесных почвах (табл. 11). Обратная картина резко выраженного преобладания бактерий над грибами наблюдается в зоне непосредственного влияния корневой системы расте-ний - в ризосфере и ризоплане, где много экскретируемых корнями низко-молекулярных органических веществ. Бактерии оккупируют эту зону бо-лее активно, в то время как грибы получают явное преимущество в гетеро-генной мозаичной почвенной среде за счет более быстрого линейного рос-та гиф, на один-два порядка превышающего скорость роста бактерий. Для определения размеров и продуктивности микробной биомассы используют не только прямые подсчеты числа клеток, но и косвенные ме-тоды - биохимические и физиологические. Например, биомассу водорос-лей предложено определять по количеству хлорофилла, бактерий - по спе-цифической для прокариот мурамовой кислоте, грибов - по хитину, кото-рый входит в состав их клеточных стенок. Микробную активность в почве определяют также по уровню АТФ, полифосфатов, содержанию ДНК и РНК, аминокислот. Наиболее общими являются методы, позволяющие оценить суммар-ные биологические процессы по исходным или конечным продуктам. Та- 169 ковыми служат, например, методы определения дыхания почвы по погло-щению О2 или выделению СО2; метод учета активности азотфиксации по восстановлению ацетилена; использование микрокалориметрических из-мерений для установления уровня термогенеза; аппликационные методы с применением специальных материалов (целлюлозы, хроматографической бумаги, целлофана) для оценки скорости и степени их разложения и нако-пления продуктов метаболизма, например аминокислот. Таблица 11 Соотношение грибной и бактериальной биомассы в почвах (по Мирчинк, Паникову, 1985 г.)
Особую группу составляют методы определения активности отдель-ных ферментов в почвах, характеризующие потенциальную биологиче-скую активность почв. При этом устанавливают не количественное содер-жание ферментов в почве, а их потенциальную активность. Выделение фермента из почвы - процесс трудоемкий. Из 25 кг почвы был получен, например, всего 1 г уреазы. Часто выделение приводит к инактивации фермента. Ферменты, выделенные клетками, хотя и являются белковыми молекулами, в почве сохраняются длительное время благодаря протектор-ному действию адсорбции или связи с другими веществами или элемента-ми, что повышает их стойкость к микробному разрушению. Проблему со-ставляет разделение внеклеточных и внутриклеточных ферментов. Нагре-вание почвы до 100 °С в течение 3 ч позволяет разделять эти группы фер-ментов. 170 мире живого обнаруживают сейчас до 1000 ферментов. В почве есть, конечно, все ферменты, но только для немногих разработаны в на-стоящее время методы их количественного определения. Наиболее хорошо изучены методы определения гидролаз (например, инвертазы, фосфатазы (кислой и щелочной), протеазов, уреазы, амилазов) и оксидоредуктаз (на-пример, дегидрогеназы, полифенолоксидазы, каталазы). При характеристике типов почв по их ферментативной активности предлагается ввести показатель не на 1 г почвы, а на столбик почвы с пло-щадью поверхности 1 см2 с учетом активности по всем генетическим гори-зонтам. 6.7. Биологическая индикация загрязнений почвенной среды самоочищение почв Показатели, характеризующие состояние почвенной биоты и биоло-гическую активность почв, можно использовать для контроля за теми из-менениями в почвах, которые возникают при включении в них разного ро-да посторонних веществ, чаще всего антропогенного происхождения. Раз-личают следующие типы и характер загрязнения почв: химическое загрязнение пестицидами, тяжелыми металлами, ра дионуклидами, нефтяными углеводородами, минеральными удобрениями; биологическое загрязнение объектами микробиологического про изводства белка и белково-витаминных концентратов (БВК), энтомопато-генными бактериями, которые используются для борьбы с вредителями леса. Общепризнанная система биоиндикации загрязнений почв отсутст-вует, хотя известно, что микроорганизмы чутко реагируют на изменения почвенных условий или на присутствие в ней загрязняющих веществ. В связи с этим, исходя из положения об иерархическом строении биологиче-ских систем, предложен новый подход к биоиндикации почвы, при кото-ром биоиндикационные показатели отражают влияние загрязнителей на различных уровнях: доклеточном, клеточном, популяционном и ценотиче- ском [14]. На доклеточном уровне организации биологической системы почвы чувствительными к изменению факторов внешней среды являются фер-менты. Из большого разнообразия ферментов, выявленных в почве, для биоиндикации использовали аскорбатоксидазную активность. Этот фер - 171 мент относится к группе оксидоредуктаз, которые связаны с транспортом электронов, участвующих в «дыхании» почвы. Внесенные в почву ионы меди и ртути угнетали активность аскорбатоксидазы на 33 - 52 % в тече-ние всего периода наблюдений. Внесение в почву ионов кадмия понижало аскорбатоксидазную активность только в первые трое суток инкубации. Различия в ферментативной активности почвы можно использовать в качестве одного из биодиагностических показателей на загрязнение тяже-лыми металлами. Роль ферментов в почве, а также методы определения их активности (каталазы, инвертазы) рассматриваются в работе Ю.Г. Гельце-ра [4]. Почва представляет собой систему связанных ферментов. Фермента-тивные реакции осуществляются не только в ненарушенных клетках. Зна-чительное количество ферментов выделяется в окружающую среду - поч-ву. При этом часть их закрепляется на почвенных частицах (иммобилизу-ется), часть остается в незакрепленном состоянии, часть разрушается. Вся масса ферментного фонда находится в связи с гумусовыми веществами и минеральными коллоидами почвы, то есть в иммобилизованном состоя-нии. Иммобилизованные в почве ферменты обладают необычной для жи-вых клеток устойчивостью. Каталитическая активность ферментов сохра-няется при нагревании почвы до 100 оC в течение трех часов. Благодаря высокой устойчивости иммобилизованных ферментов, велика их роль в экстремальных условиях, когда жизнедеятельность микроорганизмов по-давлена (повышенная влажность, воздействие антибиотических препара-тов, пестицидов, тяжелых металлов). Ферменты накапливаются в почве в результате жизнедеятельности почвенных организмов, мезофауны и корневой системы растений, участ-вуют в биохимических процессах, обеспечивают разрушение первичного органического вещества и синтез вторичного, обогащают почву биоген-ными элементами и гумусом, обеспечивают важнейшую биогеоценотиче-скую функцию почвы - трансформацию веществ и энергии, уже находя-щихся в ней или поступающих, формируют почвенное плодородие. Активность ферментов во многом зависит от свойств среды, напри-мер, концентрации водородных ионов, температуры, концентрации суб-страта. Ферментативная активность является одним из диагностических критериев самоочищения почвы, так как, с одной стороны, она легко опре-деляется в лабораторных условиях с низкой погрешностью, а с другой - 172 очень чутко реагирует на изменение внешних условий. Ее используют при оценке плодородия, окультуренности, эффективности агроприемов, за-грязненности. Наиболее часто о биологической активности почвы судят по ферментам, характеризующим процессы материально-энергетического об-мена в почве. На следующем, клеточном уровне организации биологической сис-темы почвы исследуют влияние токсикантов на микробную клетку, опре-деляют степень мутагенного воздействия на нее загрязненных почв. Наи-более распространенными тест-культурами являются E.coli (штаммы WP2 (B), WP67, CM871), а также дрожжи Saccharomyces cerevisiae (штамм р.2089, 1732288, Т.7). иерархической системе биоиндикации почв важным этапом явля-ются исследования на популяционном уровне. Влияние тяжелых металлов на популяционном уровне изучали на примере культур стрептомицетов. Наблюдения за этими микроорганизмами, выделенными из почв, загряз-ненных тяжелыми металлами, позволили выявить нейтральную, положи-тельную и отрицательную их реакции на загрязнения. Первая и вторая ха-рактеризовались хорошим ростом стрептомицетов, сохранением всех культуральных признаков. Отрицательная реакция популяций стрептоми-цетов на присутствие тяжелых металлов проявлялась в ухудшении или полном отсутствии их роста. Бактериостатическое воздействие тяжелых металлов вызывало уменьшение количества колоний, их измельчение, час-тичную или полную утрату культурами воздушного мицелия, обесцвечи-вание оставшегося воздушного мицелия, утрату пигмента у пигментообра-зующих культур. Были выделены культуры стрептомицетов, чувствитель-ных к тяжелым металлам, которые могут служить индикаторами загрязне- ния почв этими металлами: Streptomyces griseoalbus, S. viridogenes и S. filamentosus. Следующий иерархический уровень биологической системы почвы - ценотический.На этом уровне изучается изменение структурных и функ-циональных характеристик микробных сообществ почв, загрязненных, на-пример, тяжелыми металлами. В качестве показателей структуры микроб-ного ценоза определяли численность микроорганизмов разных эколого-трофических и систематических групп. В работе [1] было показано, что ре-акция разных трофических блоков микробного ценоза на загрязнения тя-желыми металлами однотипна. В первые трое суток после попадания ме - 173 таллов в почву наблюдался больший или меньший угнетающий эффект, а в последующие сроки численность микроорганизмов восстанавливалась. Основываясь на однотипных реакциях различных трофических групп мик-роорганизмов, использовали для их объединения формулу расчета инте-грального коэффициента сохранности системы, предложенную А.М. Сте-пановым (1991 г.) для характеристики растительных обществ. Интеграль-ный коэффициент сохранности микробной системы (Sm) рассчитывали следующим образом: где n — число показателей; Хц и yiv — значения i-го показателя в опыте и кон-троле соответственно. Этот коэффициент отражает меру изменения численных значений структуры микробного ценоза в загрязненной почве по сравнению с неза-грязненной. Значения Sm < 100 % указывают на угнетение микробного це-ноза, Sm > 100 % - на его стимуляцию. Химическое загрязнение почв. При оценке токсического воздейст-вия тяжелых металлов или других веществ на ценотическом уровне необ-ходимо оценить не только структурные, но и функциональные характери-стики микробных ценозов. Наиболее обобщенной характеристикой функ-ционирования микробного ценоза является интенсивность выделения CO2. Другой, более специализированной функцией микробного ценоза является активность азотфиксации. Иерархическая система биоиндикации почв мо-жет быть использована при определении степени токсического эффекта за-грязнителей, в мониторинговых исследованиях, а также при разработке мероприятий по оздоровлению загрязненных почв. Из анализа литературы по биоиндикации почв можно сделать вывод, что большинство исследований проводится на ценотическом уровне, то есть рассматривается преобразование почвообитающих микроорганизмов отдельных биохимических показателей в условиях воздействия на поч-венный покров набора антропогенных факторов. Уровень структурных из-менений сообщества почвенных водорослей, обитающих на территории г. Москвы, зависит от характера урбанофитоценоза. В почвах городских дворов и загрязненных участков вокруг промышленных предприятий на-блюдается низкое видовое разнообразие, спад активности зеленых водо-рослей, практическое отсутствие желто-зеленых и доминирование сине-зеленых (цианобактерий) форм почвенных водорослей. Загрязнение почв в экстре- 174 мальных зонах, расположенных в непосредственной близости от предпри-ятий цветной металлургии, действует необратимо по своей губительности на почвенные инфузории. В то же время отдельные группы раковинных амеб и почвенных водорослей - одни из немногих, которые склонны к вы-живанию в экстремальных условиях и вносят свою лепту в рекультивацию загрязненных земель. Наиболее чувствительные критерии для индикации загрязнения дер-ново-подзолистых почв свинцом: активность дегидрогеназы, азотфикса-ции, выделение CO2, уреазы, денитрификация, а также численность сво-бодноживущих азотфиксирующих и олиготрофных бактерий. Практически для всех групп бактерий отмечена тенденция снижения их численности в загрязненных свинцом почвах, однако коринеформные, грамотрицательные, целлюлозолитические бактерии и псевдомонады, а также актиномицеты и грибы обнаруживали существенно меньшую чувст-вительность к загрязнению почвы свинцом. Численность спорообразую-щих бактерий не менялась при контаминации почвы свинцом. Имеются данные о высокой чувствительности олигонитрофильных микроорганиз-мов к загрязнению свинцом дерново-подзолистых почв, чернозема выще-лоченного Западной Сибири. Под действием тяжелых металлов происхо-дит снижение биологической активности почвы. При этом изменяется об-щая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав, разнооб-разие, изменяется структура микробиоценозов, падает интенсивность ос-новных микробиологических процессов и активность почвенных фермен-тов. Результаты загрязнения почв тяжелыми металлами не всегда одно-значны. В ряде случаев отмечалось увеличение численности микроорга-низмов и ферментативной активности. Пестициды оказывают разное воздействие на почвенную биоту и биохимическую активность почв. Особую опасность представляют стой-кие и кумулятивные пестициды, персистентность которых достигает не-скольких лет. Поступающие в почву пестициды адсорбируются глинисты-ми минералами, вступают в химические реакции, разлагаются или транс-формируются микроорганизмами. Известно четыре пути превращения пес-тицидов: энзиматическое воздействие, которое ведет к полной потере ток сических свойств препаратом и его инактивации; трансформация в токсические вещества - активация; 175 трансформация в другие вещества с иным спектром ингибирую-щего действия; трансформация с образованием соединения-стимулятора. природной среде, в почве, существенную роль в разложении пес-тицидов микроорганизмами играют такие явления, как кометаболизм и синтрофия. В первом случае скорость минерализации пестицида, относя-щегося к группе так называемых «устойчивых», повышается при наличии среде дополнительного соокисляемого субстрата, а во втором случае на пестицид действует смешанная популяция микроорганизмов, и его разло-жение протекает более активно, чем в условиях чистых культур. Имеются попытки интенсифицировать процесс деградации, например хлораромати-ческих кислот, внесением в почву соответствующих косубстратов - спе-цифических индукторов для повышения активности почвенной микробиоты. Один из путей изучения поведения пестицидов в почве - внесение его меченого препарата и определение выделяющегося СО2. В случае бы-строй деградации пестицида почвенными микроорганизмами его рекомен-дуют к применению. Другой путь - оценка действия пестицида на почвен-ную биоту и биохимическую активность почв разными методами. Много фактов свидетельствует о том, что производственные дозы применяемых гербицидов не подавляют заметно развития почвенной биоты при редких обработках или однократном внесении. Дело в том, что расчетные дозы препаратов не соответствуют тем концентрациям, которые создаются в от-дельных локусах почвы. почве всегда имеются участки, где концентрация гербицида может быть в 5 - 10 раз выше расчетной, а в других местах - очень низкой, вплоть до полного отсутствия. Биота иногда не только не повреждается, но даже стимулируется за счет поступления в почву органических остатков в результате массовой гибели сорняков после применения гербицида. Одна-ко многократное применение, приводящее к накоплению препарата, или использование очень высоких доз может вызвать избирательное угнетение части биоты или отдельных биохимических процессов. Особенно резко проявляется действие фунгицидов, которые применяют против фитопато-генных грибов. Они подавляют также сапротрофные почвенные миксомицеты и другие микроорганизмы, вызывая эффект частичной стерилизации почвы. Гербициды триазинового ряда вызывают последействие в отношении таких ферментов, как инвертаза и уреаза (их активность увеличивается), 176 протеаза (слабо подавляется) и фосфатаза (активность увеличивается или подавляется в зависимости от почвы). При многолетнем применении хло-рорганических пестицидов происходит подавление активности фосфатазы на 30 - 60 %. Ингибиторами нитрификации являются галогированные фе-нолы, нитрофенолы, хлориды, хлораты и особенно 2-хлор-6 (три-хлористил)-пиридин. Подавление этими препаратами нитрификации на 70 % более происходит за счет ингибирования цитохромной системы микро-организмов. Наиболее сильным ингибирующим действием на нитрификацию в почве отличается прометрин. Его применяют для подавления процессов превращения азота и снижения его потерь. Все подвергнутые специально-му изучению пестициды обнаружили мутагенную активность - способ-ность изменять наследственность. В результате возникают устойчивые формы, что вызывает необходимость увеличения доз или расширения спектра применяемых ядохимикатов. Это приводит к многочисленным от-рицательным последствиям в окружающей среде. Радиоактивные элементы, например 90Sr, попадают в почву с осадка-ми, образуемыми в результате ядерных испытаний или с отходами атом-ных электростанций и предприятий по производству ядерного горючего и ядерного оружия. В местах естественных понижений 90Sr может накапли-ваться в почве в результате поверхностного стока. Он поступает в растение далее передается по пищевым цепям. Почвенные микроорганизмы спо-собны аккумулировать радиоактивные элементы, что можно определить методами радиоавтографии. На этом принципе основана разработка мето-дов использования микробных популяций для выявления геохимических провинций с высоким содержанием указанных элементов в почвах. Загрязнение почв нефтью и продуктами ее переработки приводит к заметному сдвигу в составе биоты. Почва обогащается микроорганизмами, способными разлагать углеводороды. Также было выявлено, что нефть стимулирует рост некоторых почвенных грибов, например представителей родов Рaecilomyces, Fusarium; некоторые виды Scolecobasidium обнаруже- ны только в почве, насыщенной нефтепродуктами. Возможно использова-ние этих видов в качестве индикаторов на загрязнение почв нефтью. Скорость самоочищения почв от нефти имеет отличия в разных при-родных зонах. В тех случаях, когда точно известно время загрязнения, со-став и количество попавшей в почву нефти, можно сопоставить результаты 177 очищения почв через определенные промежутки времени. На юге нашей страны, в условиях недостаточного увлажнения, в серо-коричневых солон-цеватых почвах содержание нефти за первые 12 мес. снизилось на 65 %. При этом полностью минерализовалась лишь 1/3 часть, а около 40 % пре-вратилось в различные другие органические продукты. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах северных районов, в условиях переувлажне-ния уменьшение содержания нефти происходило более активно. При этом часть нефти перераспределилась внутри почвы за счет циркуляции влаги. этом случае опасности загрязнения подвергаются грунтовые воды. Через некоторое время после загрязнения в почве возрастает численность и ак-тивность многих групп микроорганизмов, и в первую очередь, нефтеокис-ляющих. Зная естественные механизмы и скорость самоочищения почв, можно разрабатывать методы очистки почв от загрязнения нефтью и неф-тепродуктами. Биологическое загрязнение почв. Биологическое загрязнение почв чужеродными микроорганизмами происходит в результате попадания в почву бытовых и сельскохозяйственных отходов и отбросов, а также за счет аэрозолей микробиологических производств. С бытовыми отбросами в почву могут попадать потенциально опасные микроорганизмы - пато-генные и токсикогенные, способные вызывать кишечные инфекции и пи-щевые отравления у человека, эпидемические заболевания у животных, токсикозы растений. санитарно-эпидемиологических почвенных исследованиях опреде-ляют содержание в почвах бактерий группы кишечной палочки (E.coli) и патогенных клостридий и бацилл: возбудителей столбняка (Сl. tetani), си-бирской язвы (Вас. апthrаcis), газовой гангрены (Сl. реrfringens) и др. Бак-териальные энтомопатогенные препараты (энтомобактерин, дендробацил-лин, боверин, мускардин) содержат споры бацилл (Вас. Сеrеиs, Вас. thuringiensis), которые в течение многих лет сохраняются и размножаютсяв почве. При применении этих препаратов методами аэрораспыления про-исходит массовое обсеменение растительности и почвы спорами этих бак-терий, что может привести к нарушению природного равновесия в мик-робных сообществах. Почва способна к самоочищению от несвойственных ей микроорга-низмов. Механизмы, лежащие в основе самоочищения почв, пока остаются непознанными. Они могут быть разной природы. В первую очередь это 178 связано с отсутствием в почвенной среде условий, необходимых для раз-вития попадающих извне микроорганизмов, а также неблагоприятного действия физических и химических факторов (кислотности, низких значе-ний температур, высушивания, солнечной радиации и т. д.). Другой механизм элиминации микроорганизмов - взаимодействие с членами почвенной биоты: выедание, лизис и др. В некоторых случаях при загрязнении небольших территорий рекомендуется применять для очистки почв химические дезинфектанты (формалин, окись этилена, тиазол и др.) или специфические препараты пестицидов. Нарушение экологической сре-ды под влиянием разного рода токсикантов - одна из важнейших проблем современности, поэтому разработка принципов и методов ранней диагно-стики повреждения почвенной биоты под воздействием пестицидов, тяже-лых металлов, нефти и отходов ее переработки, минеральных удобрений в высоких дозах и других загрязнителей представляет собой одну из самых насущных задач биологии почв. Изучение реакции на различные антропогенные воздействия активно функционирующих в почве микробных сообществ позволило сформулиро-вать положение о том, что независимо от природы загрязняющего агента изменения микробиоты почвы в ответ на возрастающие антропогенные на-грузки выражаются в последовательной смене четырех адаптивных зон. Под адаптивной зоной понимается интервал концентраций изучаемого агента, определяющих совокупность изменений активно функционирую-щего в почве микробного сообщества. Эти изменения обеспечивают при-способление сообщества к данным условиям. Каждая из выделенных зон соответствует определенному уровню антропогенной нагрузки. Первая адаптивная зона, характеризующая низкий уровень нагрузки, - зона гомеостаза микробной системы почвы. На примере действия кадмия показано, что от 0 до 7 мг кадмия на один килограмм дерново-подзолистой почвы изменяется только общая биомасса активно функционирующего со-общества микроорганизмов. Вторая адаптивная зона, которая характеризу-ет средний уровень нагрузки, - зона стресса микробной системы почвы. В этой зоне происходит перераспределение степени доминирования членов микробного сообщества при внесении минеральных удобрений, некоторых гербицидов и отдельных тяжелых металлов. Наблюдается преимуществен-ное развитие токсинообразующих микроорганизмов (грибы рода Penicil- lium). 179 Третья адаптивная зона микробной системы почвы - зона резистент-ности. Она характеризует высокий уровень нагрузки и проявляется при высоких дозах всех изученных загрязнителей независимо от их природы. На примере действия нефти эта зона обнаружена в интервале концентра-ций вещества от 10 до 100 л/м2 почвы. Видовое разнообразие резко сокра-щается, а преимущественное развитие получают устойчивые к данному фактору популяции микроорганизмов. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к полному элиминированию роста и развития микроорганизмов в почве. Это свидетельствует о переходе в следующую, четвертую зону - зо-ну репрессии микробной системы почвы, которая характеризует очень вы-сокий уровень антропогенной нагрузки. Адаптационные свойства микробной системы почвы могут быть в общем виде охарактеризованы четырьмя типами изменений в сообществе активно функционирующих в почве микроорганизмов. Последователь-ность этих изменений в градиенте антропогенной нагрузки выглядит сле-дующим образом: сохранение стабильности состава сообщества (зона го-меостаза), перераспределение доминантных популяций (зона стресса), преимущественное развитие устойчивых популяций (зона резистентности), полное подавление роста и развития микроорганизмов в почве (зона ре-прессии). Для биоиндикации различных уровней загрязнения почвы при антропогенных воздействиях предлагается следующее. Низкий уровень загрязнения следует устанавливать по превышению фоновых концентраций поллютантов с помощью химических методов ана-лиза. Для индикации среднего уровня загрязнения в наибольшей степени подходят микробиологические показатели. В этом интервале загрязнения происходит перераспределение доминирования среди активно функциони-рующих в почве микроорганизмов. В качестве дополнительных индика-торных признаков среднего уровня загрязнения можно использовать сни-жение вариабельности показателей биохимических процессов в почве, со-кращение видового богатства и разнообразия комплекса почвенных мик-роорганизмов, а также увеличение в нем доли токсинообразующих форм микроорганизмов. Для индикации высокого уровня загрязнения почв экзо-генными химическими веществами подходят многие микробиологические показатели, например широкое распространение в микробном сообществе почвы высокоустойчивых форм микроорганизмов. Однако более целесо-образно для этого использовать другие тесты. Поскольку почвы при дан - 180 ном уровне загрязнения будут обладать общей высокой токсичностью, бо-лее удобно, наглядно и просто определять наличие этого уровня с исполь-зованием реакции высших организмов. Устойчивость почвенной системы по отношению к загрязняющим агентам оценивается по величине зоны гомеостаза, которая для разных почв может варьировать в больших пределах. Таким образом, если за нор-му принять равновесное состояние биоты (в зоне гомеостаза), то степень повреждения оценивается по появлению изменений в сообществе на уров-не последующих зон. Одна и та же доза загрязнителя может вызвать раз-ной степени повреждения, поэтому при нормировании следует учитывать, что единого значения ПДК (предельно допустимой концентрации) для раз-личных почв быть не может. При разработке системы мониторинга со-стояния почвенного покрова в связи с антропогенными нагрузками ис-пользуются все показатели, характеризующие биологическую активность почв. 6.8. Микрофлора воды Вода, как и почва, является естественной средой обитания для мно-гих видов микроорганизмов всех царств жизни. Разнообразные микроорга-низмы обитают как в воде открытых водоемов, так и в грунтовых водах: палочки, кокки, вибрионы, спириллы, спирохеты, различные фотосинтези-руюшие бактерии, грибы, простейшие, вирусы и плазмиды. Многие виды галофильных бактерий обитают в морских водах. Численность микроорга-низмов в воде определяется главным образом содержанием в ней органи-ческих веществ, которые под влиянием микроорганизмов подвергаются совершенно таким же превращениям, как и в почве. В 1 мл воды количест-во микробов может превышать несколько миллионов. Грунтовые подземные воды чище, так как, просачиваясь через почву, вода подвергается своеобразной фильтрации, в результате которой боль-шинство микробов задерживается в фильтрующем слое. Численность мик-роорганизмов в воде открытых водоемов подвержена колебаниям и зави-сит от климатических условий, времени года, а главным образом от степе-ни загрязнения рек, озер и морей сточными и канализационными водами и отходами промышленных, агропромышленных и других предприятий. В реки, озера, моря из прибрежных городов и других населенных пунктов выбрасывается такое количество сточных вод, несущих мириады микробов 181 содержащих огромное количество органических веществ, что вода не ус-певает самоочищаться. В результате возникла и сохраняется серьезная глобальная экологическая проблема. По степени микробного загрязнения различают три категории воды (или зоны водоема): Полисапробная зона -наиболее сильно загрязненная вода,беднаякислородом, богатая органическими веществами. В 1 мл воды численность микроорганизмов достигает 1 млн и более, преобладают E.coli и анаэроб ные бактерии, вызывающие процессы гниения и брожения. Мезосапробная зона -вода,загрязненная умеренно,в ней активнопроисходит минерализация органических веществ с интенсивными про цессами окисления и нитрификации. Содержание микроорганизмов в 1 мл воды - сотни тысяч бактерий, количество E.coli значительно меньше. Олигосапробная зона -зона чистой воды,количество микроорганизмов в 1 мл воды - десятки или сотни, не более; E.coli отсутствует или встречается в количестве нескольких клеток на 1 л воды. Питьевая вода считается хорошей, если общее количество бактерий в мл - не более 100; сомнительной - 100 - 150; загрязненной - 500 и более. Количество микроорганизмов в придонном слое ила озер и рек варь- ирует в пределах от 100 до 400 млн на 1 г. Вода играет исключительно важную роль в эпидемиологии многих инфекционных заболеваний, особенно кишечных (брюшного тифа, дизен-терии, сальмонеллезов, холеры, вирусных гепатитов, полиомиелита и т. п.), возбудители которых выделяются вместе с испражнениями больных и но-сителей и вместе со сточными водами поступают в воду открытых водо-емов, а оттуда нередко и в питьевую воду. Хотя патогенные бактерии сла-бо приспособлены к существованию в воде, где на них оказывает неблаго-приятное действие солнечный свет и различные другие факторы, включая конкурентную водную микрофлору, многие из них могут достаточно дли-тельное время сохраняться в воде. Более того, в летнее время при наличии воде органических веществ, щелочной рН и благоприятной температуры некоторые из них, в том числе холерный вибрион, могут даже размножать-ся. Заразиться можно и через лед, в котором патогенные бактерии могут сохраняться в течение нескольких недель и даже месяцев. Загрязненная вода - главный источник заражения холерой, дизенте-рией, брюшным тифом и другими кишечными инфекциями, а также леп - тоспирозом и нередко туляремией. 182 Микробиологические методы исследования воды сводятся к опреде-лению общего количества микроорганизмов в 1 мл воды и выявлению тех или иных видов патогенных бактерий (особенно холерного вибриона). Кроме того, поскольку прямое выделение патогенных бактерий из воды требует специальных исследований, существуют косвенные методы, по-зволяющие дать количественную оценку степени фекального загрязнения воды. 6.9. Микрофлора воздуха Воздух как среда обитания для микроорганизмов менее благоприя-тен, чем почва и вода, так как в нем не содержится или содержится очень мало питательных веществ, необходимых для размножения микроорганиз-мов. Кроме того, на них сильнее действуют такие неблагоприятные факто-ры, как высушивание и ультрафиолетовые лучи солнечного света. Тем не менее, попадая в воздух, многие микроорганизмы могут сохраняться в нем более или менее длительное время. Воздух особенно загрязнен вблизи земной поверхности, а по мере подъема вверх он становится все более чис-тым. На степень загрязнения воздуха микробами влияют и климатогеогра-фические условия. Больше всего микробов в атмосфере содержится летом, меньше всего - зимой. Главным источником загрязнения воздуха является почва, в меньшей степени - вода. воздухе в естественных условиях обнаруживаются сотни видов са-профитных микроорганизмов, представленных кокками (в том числе сар-цинами), споровыми бактериями и грибами, отличающимися большой ус-тойчивостью к высушиванию и другим неблагоприятным условиям внеш-ней среды, например действию солнечных лучей. Нужно различать воздух открытых пространств (он относительно чище, так как сказывается дейст-вие солнечных лучей, высушивания и других факторов) и воздух закрытых помещений. В последних факторы самоочищения действуют слабее, по-этому и загрязненность может быть значительно больше. В воздухе закры-тых помещений, особенно если они плохо проветриваются, накапливается микрофлора, выделяемая через дыхательные пути человека. Патогенные микроорганизмы попадают в воздух из мокроты и слю-ны при кашле, разговоре и чихании. Даже здоровый человек при каждом акте чихания выделяет в воздух 10000 - 20000 микробных тел, а больной - иногда во много раз больше. 183 Заслуга выяснения механизма передачи возбудителей заболеваний через воздух принадлежит П.Н. Лащенкову. Он одним из первых устано-вил, что при чихании, кашле и разговоре в воздух выбрасывается множест-во капелек жидкости, внутри которых содержатся микроорганизмы. Осо-бенно важно, что эти мельчайшие капельки могут часами удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии, то есть образуют стойкие аэрозоли. В этих капельках за счет влаги микроорганизмы выживают дольше. Таким воздушно-капельным способом происходит заражение многими острыми респираторными заболеваниями, в том числе гриппом и корью, а также коклюшем, дифтерией, легочной чумой и т. д. Этот путь распространения возбудителей - одна из основных причин развития не только эпидемий, но и крупных пандемий гриппа, а в прошлом и легочной чумы. Помимо капельного способа, распространение патогенных микробов через воздух может осуществляться «пылевым» путем. Находящиеся в вы-делениях больных (мокроте, слизи и т. п.) микроорганизмы окружены бел-ковым субстратом, поэтому они более устойчивы к высыханию и другим факторам. Когда такие капли высыхают, они превращаются в своеобраз-ную бактериальную пыль (внутри белкового субстрата сохраняются и вы-живают многие патогенные бактерии). Частички бактериальной пыли имеют обычно диаметр от 1 до 100 мкм. У частиц диаметром более 100 мкм сила тяжести превышает сопротивление воздуха, и они быстро оседают. Скорость переноса бактериальной пыли зависит от интенсивности сил воздушных перемещений. Пылевой путь играет особенно важную роль в эпидемиологии туберкулеза, дифтерии, туляремии и других заболеваний. Количество микробов в воздухе варьирует в больших диапазонах - от нескольких бактерий до десятков тысяч их в 1 м3 . В 1 г пыли может со-держаться до 1 млн бактерий. Большое значение имеет чистота воздуха в операционных, реанимационных и перевязочных отделениях хирургиче-ских госпиталей. Общее количество микробов в операционной до опера-ции не должно превышать 500 в 1 м3 , а после операции - 1000 в 1 м3 . Для исследования микрофлоры воздуха используют различные мето-ды: седиментацию (метод Коха), фильтрационный (воздух продувают че-рез воду) и методы, основанные на принципе ударного действия воздуш-ной струи с использованием специальных приборов. Последние методы наиболее надежны, так как позволяют точно определить количественное загрязнение воздуха микроорганизмами и изучить их видовой состав. 184 настоящее время в биотехнологической промышленности широко используются различные микробы-продуценты, в том числе генетически модифицированные их формы. Поскольку эта технология связана с неиз-бежными периодическими выпусками (интродукциями) в открытую сис-тему (воздух, вода, почва) генетически измененных форм микроорганиз-мов, возникает важный вопрос об их дальнейшей судьбе и о возможном влиянии на биосферу и человечество. Несомненно, этот вопрос как часть общего вопроса охраны окружающей среды должен решаться в глобаль-ном плане. 185 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||