Рататуй. Навчальний посібник для студентів, що навчаються у вищих навчальних закладах іii1V рівнів акредитації за напрямом Ветеринарна медицина
 Скачать 5.29 Mb.
|
|
6.5. Практичне значення генетики бактерій Генетичні феномени знайшли широке практичне застосування в різних галузях науки, техніки, медицини, фармацевтичної промисловості, біотехнології, сільського господарства. Завдяки застосуванню генетичних методів, одержано високоактивні штами бактерій, грибів, актиноміцетів, дріжджів, які продукували у 200- 1000 разів і більше амінокислот, органічних кислот, ферментів, вітамінів, кормового білка, порівняно з вихідними, а також вакцинні штами мікроорганізмів та вірусів. Використання різноманітних мутагенів 121 (ультрафіолетове та радіоактивне опромінення, хімічні речовини) дозволило створити мутантний штам гриба Penicillium chryzogenum, який у дикому стані продукував 100 од/мл пеніциліну, а після прямованої селекції - 10000 од/мл. Встановлено, що деякі мікроорганізми, наприклад, Fuzarium monilif ore, синтезують біологічно активні субстанції типу фітогормонів, біоінсектицидів та інших, які є ефективними стимуляторами росту й розвитку вищих рослин. Генетичні підходи дозволили здійснювати цілеспрямований селекційний процес під час одержання продуцентів згаданих речовин. Суттєвий внесок здійснює генетика у зменшення забрудненості довкілля ( очистка стічних вод, переробка відходів і побічних продуктів сільськогосподарського виробництва та промисловості та ін..), пропонуючи спеціально селекціоновані з цією метою мікроорганізми. Стрімкий розвиток біології яскраво проявився у становленні генної та клітинної інженерії. Нині отримані продуценти різноманітних речовин, зокрема рекомбінантних інтерферонів, різноманітних білків, що використовуються для конструювання діагностичних тест-систем та ін. Широкі перспективи відкриває генна інженерія на шляху створення високоефективних засобів специфічної профілактики інфекційних захворювань. Вже розроблені рекомбінантні вакцини. Одна з них, - вакцина проти сказу диких тварин, широко використовується на території України. 7. РОЗПОВСЮДЖЕННЯ І РОЛЬ МІКРООРГАНІЗМІВ У КРУГОВОРОТІ РЕЧОВИН У ПРИРОДІ 122 Мікроорганізми дуже широко розповсюджені в природі. Вони є в ґрунтах, у воді, в повітрі та відіграють важливу роль у кругообігу всіх біологічно важливих елементів у природі. Це зумовлено надзвичайною швидкістю їх росту та різноманітністю метаболічних процесів. 7.1. Мікроорганізми як природний фактор Планета Земля має чотири сфери, що відрізняються одна від одної як за речовинною різноманітністю, так і за своєю структурою: літосферу, або земну кору; гідросферу — океани, моря і частина інших геосфер, куди проникає вода; атмосферу і біосферу, яка складається з живих організмів та їх оточення, і в межах якої існує життя. Всю сукупність організмів біосфери видатний геохімік В. І. Вернадський назвав живою речовиною, що перетворює сонячне випромінювання на потенційну, а потім кінетичну енергію біогеохімічних процесів. За підрахунками вчених, живу речовину біосфери утворюють 1,8 млн. видів, загальний об'єм яких становить 2488 км 3 , а загальна маса — 2423 млрд. т. Біомаса рослин (фітомаса), включаючи і мікроорганізми, у 2500 разів перевищує загальну масу тварин (зоомасу). Життя переважно зосереджене в тій частині біосфери, яка одержує сонячну енергію. Це атмосфера, поверхня суші, верхні орні шари ґрунту і води в океанах, морях, прісноводних екосистемах. Відомо, що мікроорганізми убіквітарні, тобто вони практично всюдисущі. У величезних кількостях вони зустрічаються в ґрунті, воді й повітрі. Середовищем їх проживання є рослини, холоднокровні й 123 теплокровні тварини, організм людини. І скрізь бактерії знаходяться у вигляді мікробіоценозів. Сучасні мікробні біоценози сформувались у результаті довготривалої еволюції. Взаємовідносини (співіснування) різних видів мікроорганізмів між собою, а також із іншими формами життя називають симбіозом. Види симбіозів досить різноманітні. 1. Нейтралізм- існуючі в одному біотопі популяції мікробів не стимулюють і не пригнічують один одного. 2. Мутуалізм - взаємовигідне співіснування, коли одна популяція синтезує речовини, які є основою живлення іншої (наприклад, бульбочкові бактерії та бобові рослини, аеробні й анаеробні мікроби в організмі людини чи тварини). 3. Коменсалізм - така форма симбіозу, коли мікроби живляться залишками їжі хазяїна, злущеним епітелієм кишечника тощо, але не завдають йому шкоди. 4. Антагонізм - пригнічення однієї популяції іншою. Мікроби- антагоністи виділяють антибіотики, бактеріоцини та інші речовини, які викликають загибель інших видів або затримують їх розмноження. 5. Паразитизм - вид симбіозу, при якому одна популяція (паразит) завдає шкоди хазяїнові, маючи для себе вигоду. До мікробів- паразитів відносять збудників інфекційних хвороб. У природних умовах мікрооранізми змушені боротись за існування, неконкурентоспроможні - неминуче зникнуть із спільноти. При пасивному антагонізмі спостерігають витіснення одного мікроорганізму іншим, якщо збільшення чисельності обох видів лімітовано одним і тим самим життєво важливим ресурсом, кількість та (або) доступність якого обмежені. Так, при вирощуванні на штучному поживному середовищі туберкульозних бактерій та 124 сапрофітної мікрофлори переважно розвиваються сапрофіти через значно більшу швидкість їх росту та розмноження. Експериментально було доведено, що при зміні умов досліду можна змінити кінцевий результат конкурентних взаємовідносин симбіонтів. Так, при сумісному культивуванні Spirillum sp. та Pseudomonas sp. за температури 16°С і вище перевага була за Spirillum sp., тоді як за зниження температури до 2°С на тому самому субстраті швидше розвивались Pseudomonas sp. Активний антагонізм зумовлений виділенням бактерицидних речовин. Такими речовинами можуть бути неспецифічні продукти обміну (органічні кислоти, спирти, аміак, феноли, пероксид водню та ін.) або специфічні (антибіотики). Такі продукти обміну, як кислоти та спирти, токсичні для будь-якої клітини. Так, при розвитку бактеріальних популяцій у молоці спочатку спостерігається незалежний розвиток різних видів мікроорганізмів. Але за наявності бактерій, які здійснюють молочнокисле бродіння, молоко поступово підкислюється і перевага залишається за кислотостійкими молочнокислими коками та паличками. З часом молочнокислі палички, які є більш кислотостійкими, витісняють і коки. Оцтовокислі бактерії можна підтримувати в чистій культурі, не здійснюючи особливих заходів проти їх контамінації. Висока концентрація оцтової кислоти в середовищі запобігає розвитку інших мікроорганізмів. Уролітичні бактерії в процесі гідролізу сечовини сприяють накопиченню аміаку, за рахунок якого середовище стає сильно лужним. Висока лужність та висока концентрація аміаку всередовищі запобігають розвитку інших мікроорганізмів. 125 Дія специфічних продуктів обміну (антибіотиків) спрямована на пригнічення чутливих до них мікроорганізмів. Проте остаточної думки з приводу значення для мікроорганізму продукції антибіотиків не існує. У природних умовах антибіотики, як правило, не можуть бути накопичені в такій концентрації, щоб здійснити нейтралізуючий вплив на інші мікроорганізми. Так, наприклад, Streptomyces olivocinereus - продуцент геліоміцину - пригнічує в нестерильному ґрунті популяцію Arthrobacter crystallopoietes, але ефект пригнічення спостерігається за щільності продуцента не менш як 106 колонієутворювальних одиниць в 1 г ґрунту. В іншому випадку одночасно проводили культивування кишкової палички та стрептоміцета, який продукує антибіотик, що пригнічує ріст Escherichia colі. При їх сумісному вирощуванні з'являються стійкі до дії цього антибіотика мутанти кишкової палички. З часом швидкоростучі кишкові палички повністю витісняють клітини стрептоміцета, які характеризуються більш повільним ростом. Існує припущення, що деякі антибіотики можуть здійснювати регуляцію певних процесів у їх продуцентів. Синтез поліпептидних антибіотиків ендоспороутворювальними бактеріями, наприклад, збігається з інтенсивним спороутворенням. Розглядаються антибіотики і як випадкові продукти метаболізму, які не мають значення для організмів, що їх продукують. Хоча питання про біологічне значення антибіотиків остаточно не вирішене, проте в деяких випадках доведено, що їх накопичення сприяє виживанню мікроорганізму в природному середовищі. Найбільш яскраво конкуренція проявляється у формі паразитизму та хижацтва. Між цими типами взаємовідносин важко провести чітку межу, оскільки і паразити, і хижаки задовольняють 126 свої харчові потреби за рахунок жертви. Різниця між ними полягає в тому, що хижаки вбивають свою жертву досить швидко, тоді як паразити живляться за рахунок живого організму. Паразитизм мікроорганізмів на мікроорганізмах спостерігається досить рідко. Так, Vampirovibrio chlorellavorus є облігатним паразитом одноклітинної водорості Chlorella. Цей вібріон не здатний розвиватись на органічних середовищах і навіть на мертвих клітинах хлорели. Бактерії прикріплюються до оболонки водорості. До однієї клітини може прикріпитись декілька десятків вібріонів. Прикріплені вібріони збільшують проникність оболонки водорості й ростуть за рахунок речовин, що надходять у клітину водорості. З часом клітина водорості припиняє ріст і гине. Проте за допомогою антибіотиків, наприклад пеніциліну, можна вбити бактерії-паразити, не зашкодивши водорості. Вилікувані клітини хлорели здатні далі нормально розвиватись. Інший вібріон (Bdellovibrio) може розглядатись як справжній хижак. Клітини бделовібріона можуть прикріплюватися до клітин інших бактерій і проникати в них. Після проникнення хижак росте, використовуючи вміст клітини-жертви як поживний субстрат, і ділиться. З часом клітина-жертва лізується, а хижак знаходить нову жертву. Коло можливих жертв досить широке, але найчастіше це представники кишкових бактерій. Позитивні взаємовідносини між різними видами мікроорганізмів можна характеризувати як синтрофію. Синтрофія - це здатність двох або декількох видів бактерій здійснювати сумісно такий процес, який жодний з них не здатен здійснити самостійно. Основою таких взаємовідносин може бути передача факторів росту, утворення одним організмом субстрату, придатного для розвитку іншого, видалення 127 одним організмом продуктів, токсичних для іншого. Декілька механізмів можуть діяти одночасно. Синтрофія, основою якої є обмін субстратом, спостерігається, наприклад, при руйнуванні мікроорганізмами целюлози в середовищі, яке не містить зв'язаного азоту. Целюлозоруйнівні бактерії не здатні до фіксації молекулярного азоту. Вони отримують продукти фіксації азоту від азотфіксувальних бактерій. У той же час останні не можуть використовувати клітковину як джерело енергії та вуглецю. Вони використовують продукти їх гідролізу від целюлозоруйнівних бактерій. Для цієї спільноти, що розвивається в аеробних умовах, важливим є також поглинання кисню целюлозоруйнівними аеробами, оскільки знижений вміст кисню в середовищі є сприятливим для азотфіксації. У деяких випадках симбіотичні взаємовідносини призводять до формування консорціуму (лат. consortium – співучасть, співтовариство), в якому клітини двох видів об'єднані нібито в один організм. Такий консорціум утворюють бактерії роду Desulfotomaculum та клітини Chlorobium phaeobacteroidus. У центрі асоціації містяться сульфатредуктори Desulfotomaculum, а на поверхні - фотосинтезуючі сіркобактерії. Перебуваючи у світлій зоні водойм в анаеробних умовах, фотосинтезуючі бактерії забезпечують сульфатредукуючі бактерії органічними речовинами та окисненою сіркою, a Desulfotomaculum виділяє сірководень і забезпечує фотосинтезуючі бактерії відновником. У результаті таких взаємовідносин консорціум може розвиватись у таких водоймах, де в анаеробній зоні присутні лише сліди сірководню. Консорціум проявляє фотохемотаксис. Ділення організмів, які входять у консорціум, відбувається синхронно, що свідчить про високий ступінь їхньої інтеграції. 128 Якщо наявність симбіонта необхідна лише одному з партнерів, тоді говорять про коменсалізм. Наприклад, навколо колонії мікроорганізмів, що активно синтезують ціанкобаламін, можуть розвиватись мікроорганізми, які не здатні синтезувати його самостійно, але потребують для свого розвитку. Існування симбіонта для мікроорганізму - продуцента вітамінів залишається непомітним. Або інший приклад - руйнування пеніциліну пеніциліназою аеробних спороутворювальних бактерій дає можливість розвиватись чутливим до пеніциліну мікроорганізмам. Механізми "взаємодопомоги" у бактерій можуть бути пов'язані не лише з живленням. Так, патогенна для людини нерухома Veillonella parvula у ротовій порожнині прикріплюється до поверхні представників нормальної мікрофлори рота, здатних до ковзного типу руху, і таким чином направляється до ділянок сприятливої для її розвитку. Явище синергізму (в асоціантів відбувається підсилення фізіологічних функцій) знайшло застосування в біотехнології при проведенні мікробіологічного синтезу біологічно активних сполук. Сумісне культивування двох культур актиноміцетів - Streptomyces rimosus (продуцент протеаз) і S. violocinereus (не синтезує ферменти) супроводжується збільшенням виходу ферменту в шість разів. Виявилося, що S. violocinereus продукує стимулятор, який впливає на розвиток продуцента ферменту. Прикладами синтрофічних взаємовідносин можуть бути також полімікробні інфекції, зокрема газова гангрена, зумовлена дією декількох видів роду Clostridium в асоціації зі стафілококами та стрептококами. 129 Таким чином, між мікроорганізмами в природних асоціаціях існують певні динамічні взаємовідносини, які часто не мають чітких меж. Причини, які сприяють прояву тих або інших форм взаємовідносин, зумовлені конкретними умовами існування, а також особливостями обміну речовин самих мікроорганізмів. 7.2. Мікрофлора ґрунту Земля є найбільшим і найважливішим середовищем існування мікроорганізмів. Перші бактерії, як і все живе, з'явились у воді, однак у пізніші геологічні періоди, коли на поверхні земної кори утворився ґрунт, саме він став основним вмістилищем мікроорганізмів й основною ареною його життєдіяльності. Кількість мікробів в 1 г ґрунту може бути дуже велика: від 200 млн до 10 млрд. Удобрювані орні землі населені мікроорганізмами найбільш густо. Ґрунти лісів, піски пустинь і кам'янисті ґрунти містять мало бактерій. Самий поверхневий шар землі (кірочка товщиною 2-3 мм) містить мало мікробів, оскільки висихання і сонячні промені згубно впливають на них. Основна маса їх знаходиться на глибині 10-20 см. На глибині 1-2 м непорушеної землі бактерії майже не зустрічаються. Мікрофлора ґрунту дуже різноманітна, представлена кількома сотми видів. Тут зустрічаються нітрифікуючі, денітрифікуючі, азотофіксуючі бактерії, численні сірко-, залізобактерії, гриби, найпростіші, віруси. Вони відіграють колосальну роль у кругообігу речовин у природі, підвищують урожайність полів, забезпечують життя на Землі. Мікроорганізми ґрунту беруть активну участь у всіх процесах трансформації речовин і енергії: здійснюють синтез біомаси, 130 біологічну фіксацію азоту, бродіння, гниття, денітрифікацію, кругообіг сірки, заліза, фосфору та інших елементів. Із виділеннями людей і тварин у ґрунт можуть потрапляти і зберігатися протягом деякого часу збудники правця, газової гангрени, сибірки, черевного тифу, дизентерії, холери, деякі віруси. Для бацил ботулізму й окремих видів грибів земля є природним середовищем їх проживання. Особливого епідеміологічного значення набуває мікрофлора ґрунту під час воєн, коли при масових пораненнях значно зростає небезпека забруднення ран землею, яка містить спори анаеробних бактерій, у результаті чого можуть виникати такі тяжкі ранові інфекції, як правець і газова гангрена. Санітарно-показовими бактеріями ґрунту є кишкова паличка, ентерокок, Costridium perfringens і термофільні мікроорганізми. За наявністю перших трьох видів роблять висновки про ступінь фекального забруднення ґрунту. Точніша оцінка проводиться при визначенні кількті бактерій групи кишкової палички в 1 г ґрунту. (колі-індекс).Визначають також загальне мікробне число (ЗМЧ) - кількість сапрофітних бактерій в 1 г землі. Ґрунт вважають чистим, якщо його колі-індекс не перевищує 1000, а кількість термофільних бактерій знаходиться в межах 100- 1000. За епідемічними (епізоотичними) показниками ґрунт ще досліджують на наявність патогенних бактерій (сальмонел, шигел, паличок правця, газової гангрени, ботулізму, сибірки) та ентеровірусів. 7.3. Мікрофлора води 131 Вода морів, океанів, річок і озер, як і ґрунт, є природним середовищем для існування багатьох видів бактерій, грибів, найпростіших, а також мікроскопічних водоростей. У ґрунтових водах містяться поодинокі мікроорганізми. Основний фактор, який визначає кількість мікробів у воді, – наявність у ній необхідних живильних субстратів. Чим більше вода забруднена органічними речовинами, чим більше в неї потрапляє відходів і нечистот, тим більше в ній бактерій. Отже, вода рік, які протікають через населені пункти і вбирають масу стоків і каналізаційних вод, містить величезну кількість мікроорганізмів. Мікрофлора води поділяється на власну (автохтонну) і випадкову (заносну). До постійних бактерій належать актиноміцети, мікрококи, псевдомонади, спірохети, непатогенні вібріони. Із морської води прибережних зон систематично висіваються вібріони, які спричиняють у людей гострі гастроентерити від вживання малосольної морської риби, креветок, мідій. При забрудненні водоймищ стічними водами виявляють багато кишкових паличок, ентерококів, клостридій, спірил, вібріонів, ентеровірусів і ротавірусів. Анаеробні бактерії у воді зустрічаються рідко. Інколи в неї заносяться і певний час зберігаються хвороботворні мікроорганізми. Так, спори сибіркових бацил зберігаються у воді роками,ентеровіруси, вірус гепатиту А, лептоспіри - кілька місяців, а збудники дизентерії, холери, бруцельозу - ще менше (дні, тижні). Отже, вода може стати фактором передачі багатьох інфекційних хвороб. Санітарно-показовим мікробом для води є кишкова паличка (Escherichia coli). Доброякісна питна вода повинна відповідати певним вимогам державного стандарту. Наказом МОЗ України від 23.12.1996 132 р. затверджено Державні санітарні правила і норми "Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько- питного водопостачання". Вимоги їх обов'язкові для всіх органів, установ, організацій та закладів, посадових осіб і громадян, причетних до забезпечення водою населення України. Наводимо основні мікробіологічні показники, які регламентують безпеку питної води (табл. 4.1). |