Первая. Общая микробиология. Глава место микроорганизмов среди других живых существ классификация и
 Скачать 436.21 Kb.
|
|
ГЛАВА 7. БАКТЕРИОФАГИ И БАКТЕРИОФАГИЯ Явление бактериофагии открыл и изучил французский микробио лог д'Эррель. В 1917 г. он наблюдал лизис культуры бактерий дизентерии после внесения в нее фильтрата испражнений больного, выздоравлива ющего от дизентерии. При многократных пассажах, то есть переносе из одной культуры в другую, фильтраты сохраняли свою лизирующую ак тивность и даже усиливали ее. Ученый сделал из этого правильный вы вод о том, что лизирующий агент - живой и при пассажах размножается в бактериях. Д'Эррель назвал этот агент бактериофагом (лат. phagos -пожирающий), а само явление лизиса - бактериофагией. Позже было подтверждено, что бактериофаг - живой. Это вирус бак терий, он размножается в бактериях, вызывая их лизис. Добавление бак териофага в культуру бактерий на жидкой питательной среде вызывает просветление среды. На плотных питательных средах при посеве смеси бактерий и бактериофага на фоне сплошного роста бактерий появля ются стерильные пятна или негативные колонии фагов (рис. 8). Бактериофаг и специфичны, то есть лизируют определенные виды бактерий. Отсюда их названия: дизентерийный бактериофаг, стафи лококковый бактериофаг. Обнаружены фаги не только бактерий, но и актиномицетов. В практической медицине бактериофаги нашли применение как лечебные и профилактические средства, Важное значение имеет то, что на примере бактериофагии были открыты и изучены многие проблемы общей вирусологиии и молекуляр ной генетики. Структура бактериофагов Размеры бактериофагов колеблются от 20 нм до 200 нм. Как все вирусы, содержат ДНК, или РНК, и белковый капсид. Чаще всего встре чаются и лучше изучены бактериофаги, имеющие форму сперматозои да или головастика. Состоят они из головки, хвостового отростка, батальной пластинки с короткими шинами и хвостовыми нитями. Внутри головки располагается спи рально скрученная пить ДНК, по крытая белковым капсидом. Хвостовой отросток - что полый цилиндрический стержень, окру женный сократительным чехлом. Базальная пластинка и нити осу ществляют процесс адсорбции бактериофага на бактериальной клетке (рис. 9). Существуют бакте-риофаш. имеющие другое строе ние: с короткими отростком, с отростком без сократительного чехла, без отростка, нитевидной формы. Взаимодействие бактериофага с бактериальной клеткой Как все вирусы, бактериофаги не размножаются на питательных средах. Их размножение происходит только в чувствительных к ним бактериальных клетках, в процессе взаимодействия, в котором наб людаются те же фазы, что при взаимодействии других вирусов с клет кой. Адсорбция бактериофага. Как все вирусы, фаги неподвижны, и стол кновение с бактерией происходит случайно, затем адсорбция стано вится прочной, если у клетки имеются на поверхности фагос-пецифические рецепторы. Фаги, имеющие сократительный чехол, ад сорбируются с помощью хвостового отростка. Внедрение фага внутрь клетки. Под дей ствием фермента лизо-цима, который находится в хвостовом сегменте, в клеточной стенке бакте рии образуется отверстие. Через это отверстие в ре зультате сокращения хво стового чехла внутрь бак териальной клетки переходит ДНК фага. Белковый капсид остает ся снаружи. Синтез ДНК и белка бактериофага. В клетке прекращается синтез бактериальных белков. Образуются фаговые ДНК, а на рибосомах бактерий синтезируются молекулы фагового белка. Формирование фага. Сборка зрелых фагов из ДНК и капсида про исходит в цитоплазме клетки. Выход зрелых фагов из клетки происхо дит при разрушении бактерий с помощью лизоцима, а затем зрелые фаги внедряются в новые клетки. "Урожай" фага, в зависимости от его вида, составляет от 20 до 200 частиц. Весь цикл взаимодействия, занимающий от 10 минут до нескольких часов, называется литическим циклом, а фаг при таком вза имодействии - вирулентным. В отличие от вирулентных, умеренные фаги не лизируют бактерии. Их геном, проникнув в клетку, встраивается в хромосому бактерии и в дальнейшем остается в хромосоме в виде профага и реплицируется вме сте с ней. Бактерии, несущие профаг, называются лизогенными, а само явление - лизогенией. Лизогенные бактерии встречаются очень часто. Профаг, находясь в геноме бактерии, придает ей какие-либо новые свой ства. Так, например, продукция экзотоксина у палочек дифтерии и бо тулизма связана с наличием профага. В определенных условиях (воздействия температуры, химических веществ и др.) профаги могут превратиться в вирулентные бактерио фаги. Размножаясь, они лизируют бактерии и могут переходить в дру гие бактериальные клетки. При выходе из хромосомы профаг может захватить соседние гены бактериальной хромосомы и при заражении другой бактерии, встроившись в ее хромосому, передать эти гены. Пе редача генетического материала от одной бактерии к другой с помо щью умеренного бактериофага называется трансдукцией. Таким об разом могут передаваться такие признаки, как устойчивость к антиби отикам, способность продуцировать какие-либо ферменты. Умеренные бактериофаги применяются в генетической инженерии в качестве век тора - переносчика генов. Практическое значение бактериофагов Препараты бактериофагов применяются для диагностики, профи лактики и лечения. Фагодиагностика основана на специфичности бак териофагов: видоспецифические бактериофаги лизируют только опре деленные виды бактерий. Более того, бактерии одного и того же вида различаются по чувствительности к разным типовым бактериофагам, Таким образом можно с помощью набора типовых бактериофагов определять фаговары стафилококков, сальмонелл, вибрионов, Фаготипирование помогает установить источник инфекции и пути передачи. Лечебно-профилактическое действие фагов основано на их литической активности. Для получения препарата бактериофага культуру бактерий зара жают бактериофагом. На следующий день лишрованную культуру фильтруют через бактериальный фильтр. К фильтрату в качестве кон серванта добавляют хинозол. Для количественной характеристики бактериофагов используют такой критерий, как титр бактериофага. Титр фага можно выразить двумя показателями: 1) наибольшее разведение препарата, при котором бактериофаг лизирует соответствующие бактерии: 2) количество активных корпускул бактериофага в 1 мл препарата. Методы титрования бактериофага: 1) метод серийных разведении в пробирках с жидкой питательной средой по Аппсльману; 2) двуслойный агаровый метод, при котором подсчитывают число негативных колоний фага на фоне сплошного роста бактерий – метод Грациа. Готовый жидкий препарат бактериофага должен быть совершен но прозрачным. При кишечных инфекциях препарат применяют вмес те с раствором питьевой соды, так как кислое содержимое желудка разрушает бактериофаг. Препараты некоторых бактериофагов для инъекций и местного применения выпускают в ампулах. Для приема внутрь препараты бактериофагов выпускаются также в виде таблеток с кислотоустойчивым покрытием, которое в щелочной среде тонкого кишечника растворяется. В качестве покрытия применяется пектин или ацетилфталилцеллюлоза (ЛФП). В нашей стране выпускаются препараты дизентерийного, сальмонсллезного, коли-протейпого, стафилококкового и других бакте риофагов, а также наборы типовых фагов для фаготиинрования ста филококков, брюшнотифозных и других бактерий. ГЛАВА 8. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ (МИКРОЭКОЛОГИЯ) Экологическая микробиология изучает взаимоотношения микро-и макроорганизмов, совместно обитающих в биотопах. Это часть об щей экологии - науки, изучающей взаимоотношения животных, расте ний, микроорганизмов между собой и с окружающей средой. Основные понятия: - биотоп - участок биосферы с относительно однородными усло виями жизни; - популяция - совокупность особей одного вида, обитающих в оп ределенном биотопе; - микробиоценоз - сообщество популяций разных микроорганиз мов, обитающих в определенном биотопе; - экосистема (экологическая система) - совокупность организмов и среды их обитания, то есть система, состоящая из биотопа и биоцено за; . - геосфера - почвенная экосистема; - гидросфера - водная экосистема; - атмосфера - воздушная экосистема; - биосфера - общая сумма всех экосистем, область распространения жизни на Земле. В зависимости от среды обитания микроорганизмы разделяют на свободноживущяе и симбионты. Свободноживущие заселяют почву, воду, воздух и различные объекты внешней среды. В природе микроор ганизмы распространены гораздо шире, чем другие живые существа. Благодаря малым размерам, приспособляемости к изменению условий существования, разнообразию источников питания, микроорганизмы можно обнаружить там, где другие живые существа жить не могут. Характеризуя микрофлору почвы, воды и воздуха, целесообразно придерживаться определенного плана: 1) постоянная микрофлора данной среды; 2) значение данной среды как фактора передачи возбудителей за болеваний; 3) определение микробной флоры. При исследовании объектов внешней среды методами санитарной микробиологии определяются количественные показатели - общее ко личество микроорганизмов в определенном объеме. Важной задачей исследования является обнаружение патогенных микробов и их ток синов. Однако непосредственное их выявление представляет значи тельные трудности. Причина в том, что патогенные микроорганизмы встречаются во внешней среде непостоянно, обычно в небольших ко личествах, их трудно культивировать на питательных средах, некоторые из них вообще не культивируются на искусственных средах. Поэтому возможное загрязнение внешней среды патогенными микробами опре деляют по косвенному показателю - обнаружению санитарно-показа-тельного микроорганизма. В качестве санитарно-показательных выбирают те микробы, ко торые постоянно и в больших количествах содержатся в тех выделе ниях человека, которые для данной среды наиболее опасны. Сроки их выживания во внешней среде должны совпадать примерно со сроками выживания патогенных микробов. Санитарно-показательные мик роорганизмы не должны интенсивно размножаться во внешней среде и должны легко обнаруживаться при лабораторном исследовании. Микрофлора почвы Почва является основной средой обитания многих микроорга низмов, которые вместе с растениями и животными составляют раз нообразные биогеоценозы. Состав микробиоценозов почвы зависит от многих внешних факторов, в том числе от агротехнических меропри ятий, таких как вспашка, внесение удобрений, ядохимикатов. Самый поверхностный тонкий слой почвы содержит мало микро организмов, так как они погибают под влиянием солнечных лучей и высушивания. Наиболее обильна микрофлора почвы на глубине 10-20 см, а в более глубоких слоях количество микробов уменьшается. Видовой состав почвенной микрофлоры весьма разнообразен: ана эробные и аэробные бактерии, грибы, простейшие, вирусы. Значение микрофлоры почвы велико для круговорота веществ в природе. Микробы осуществляют разложение и минерализацию органических животных и растительных остатков, попадающих в по чву, процесс очищения ее от нечистот и отбросов. Среди патогенных микробов имеются такие, для которых почва является постоянным местом обитания. Это возбудители ботулизма, ак-тиномицеты и грибы - возбудители микозов. Вторая группа - это спо-рообразующие бациллы и клостридии, которые попадают в почву с выделениями человека и животных и могут длительно здесь сохраняться в виде спор. Это бациллы сибирской язвы, клостридии столбняка и газовой анаэробной инфекции. К третьей группе относятся неспорообразующие бактерии и ви русы, которые попадают в почву с выделениями человека и живот ных, сохраняются здесь в течение нескольких дней и месяцев. Это бактерии - возбудители брюшного тифа и дизентерии, палочки ту беркулеза, лептоспиры, вирусы. Значение почвы как фактора пере дачи при этих инфекциях относительно невелико. Микробиологическое исследование почвы имеет значение при строительстве жилищ, детских учреждений, водохранилищ. Пробы по чвы берут из глубины. Определяют микробное число - общее количество микроорганизмов в 1 г почвы и наличие санитарно-показательных мик роорганизмов. Присутствие в почве Escherichia coli и Streptococcus faecalis указывает на свежее фекальное загрязнение, бактерий рода Citrobacter и Enterobacter - на несвежее, a Clostridium perfringens - на давнее. Микрофлора воды Вода открытых водоемов, подобно почве, является естественной средой обитания многих видов бактерий, грибов, вирусов, простей ших. В воде обитают также различные виды микробов, принимающих участие в круговороте веществ в природе и способствующих самоочи щению воды благодаря разложению органических соединений. Харак тер микрофлоры воды зависит от многих причин, и в особенности от загрязнения стоками ливневых, фекальных и промышленных нечистот. По мере удаления от населенных пунктов число микробов постепенно уменьшается. Наиболее чистыми являются воды глубоких артезианс ких скважин и родников. Вода имеет эпидемиологическое значение как фактор передачи ин фекций. Наблюдались водные эпидемии холеры, брюшного тифа, леп-тоспирозов и других инфекционных болезней. Санитарно-гюказательными микроорганизмами для воды являют ся бактерии группы кишечной палочки (БГКП), принадлежащие к раз ным родам семейства энтеробактерий. Санитарно-микробиологическое состояние воды оценивается по следующим показателям: 1) микробное число - общее количество бактерий в 1 мл воды; 2) коли-титр - наименьший объем воды в миллилитрах, в котором обнаруживаются БГКП; 3) коли-индекс - количество БГКП в 1 литре воды; 4) кроме того, в воде определяют наличие патогенных и условнопатогенных микроорганизмов: энтерококков, сальмонелл, холерного вибриона, энтеровирусов. В соответствии с ГОСТом на питьевую водопроводную воду, мик робное число ее должно быть не более 100, коли-титр должен быть не ниже 300, коли-индекс - не более 3. Микрофлора воздуха В воздух микробы попадают из почвы с поверхностей растений и животных, а также с промышленными отходами некоторых предпри ятий. В отличие от воды и почвы, где микробы могут размножаться, в воздухе они только сохраняются в течение некоторого времени, а за тем гибнут вследствие высыхания и влияния солнечных лучей. Ус тойчивые к таким воздействиям микроорганизмы могут долго сохра няться в воздухе. Это споры грибов, споры бактерий, сарцины и дру гие кокки, образующие пигменты. Больше всего микробов в воздухе промышленных городов, меньше всего - в воздухе лесов и гор. В от крытом воздухе количество микробов летом больше, чем зимой, в воз духе закрытых помещений - наоборот. Воздух может служить фактором передачи патогенных микробов: стафилококков, стрептококков, палочек дифтерии, коклюша, тубер кулеза, а также вирусов кори, гриппа. Передача воздушно-капельным и воздушно-пылевым путем почти всегда происходит в закрытых по мещениях и редко - на открытом воздухе. Показатели санитарно-микробиологического состояния воздуха закрытых помещений: - микробное число - количество микробов, обнаруженных в 1 м3 воздуха; - наличие санитарно-показательных бактерий: Streptococcus haeraolyticus и Staphylococcus aureus. Чистота воздуха зависит от своевременного проветривания по мещения и влажной уборки. Применяется обработка воздуха бактери цидными УФ-лампами. Для уменьшения контаминации воздуха при меняют марлевые и ватно-марлевые маски. Микроорганизмы пищевых продуктов Пищевые продукты и готовые блюда являются благоприятной сре дой для размножения микроорганизмов. Некоторые пищевые продукты содержат специфические виды микробов, необходимые для технологии их изготовления, например молочнокислые микробы в кисломолочных продуктах, квашеных овощах, некоторых напитках. Неспецифическая микрофлора - это микробы, случайно попавшие в пищевые продукты из внешней среды. Одни из них не оказывают действия на пищевые продукты, другие вызывают их порчу. Пищевые продукты могут быть факторами передачи возбудите лей кишечных инфекций: дизентерии, холеры, брюшного тифа, а так же сибирской язвы, бруцеллеза, Ку-лихорадки и других. Попадание в пищевые продукты и размножение в них сальмонелл, стафилококков, возбудителей ботулизма приводит к возникновению у человека пищевых токсикоинфекций и интоксикаций. Для санитарно-микробиологической оценки пищевых прдуктов оп ределяют микробное число и санитарно-показательные микроорга низмы (БГКП), а также наличие патогенных микробов. Санитарно-микробиологические показатели некоторых молочных продуктов, кол басных, консервированных изделий и других продуктов нормированы ГОСТами. Микрофлора различных объектов Разнообразные предметы в окружении человека можно разделить на три группы: бытовые, производственные и медицинские. В меди цинских учреждениях, кроме бытовых предметов, имеются специфи ческие медицинские объекты. Это медицинские инструменты, обору дование, перевязочный и шовный материал, лекарственные средства, дезинфицирующие растворы, халаты, предметы ухода за больными. В этих объектах могут быть обнаружены как безвредные для человека, так и условно-патогенные и патогенные бактерии. Некоторые возбу дители инфекционных заболеваний (легионеллы, синегнойная палоч ка, протей, иерсинии) способны размножаться в ванных комнатах, ду шевых, раковинах, кондиционерах. Другие микроорганизмы, не раз множаясь в объектах внешней среды, могут сохраняться здесь в тече ние сроков, достаточных для того, чтобы могло произойти заражение. Возбудители кори, коклюша могут сохраняться в течение нескольких минут, возбудители туберкулеза - месяцами, а споры палочки сибирской язвы - годами. Санитарно-микробиологические иследования проводятся в меди цинских и детских учреждениях, предприятиях общественного пита ния и пищевой торговой сети. Определяют бактериологическую заг рязненность рук работающего персонала и предметов окружающей обстановки путем исследования микрофлоры смывов. В смывах опре деляют: общее микробное число, наличие БГКП, протея, энтерококка, синегнойной палочки, стафилококка и других патогенных бактерий. Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в возникновении и существовании биосферы На Земле с момента ее возникновения совершается процесс пре вращения и перемещения веществ, происходит взаимодействие живых существ с неживой природой, а также зеленых растений с животным миром. Роль зеленых растений в том, что они путем фотосинтеза стро ят органические соединения из минеральных веществ. Кроме того, раз лагая диоксид углерода, они выделяют в окружающую среду свобод ный кислород. Животные и бесхлорофильные растения, лишенные спо собности строить белок из неорганических соединений, нуждаются в готовых органических веществах и питаются растениями или другими животными. Они постепенно разлагают органические вещества, на копленные зелеными растениями, до более простых соединений с ос вобождением большого количества энергии. При этом они используют кислород, который выделяют зеленые растения. Эта простая и стройная схема взаимоотношений зеленых расте ний, животных и неживой природы не может объяснить равновесия между живой и неживой природой. Остается неясной причина минера лизации органических веществ с образованием таких окисленных не органических соединений, как вода, углекислота, минеральные соли, вполне пригодные для питания растений. В организме животных и ра стений не все органические вещества окисляются до этих продуктов. С мочой и испражнениями животных, с остатками растений и трупами животных в почву попадает огромное количество органических ве ществ, непригодных для питания растений. Эти органические остатки завалили бы Землю и сделали бы невозможной дальнейшую жизнь на ней, если бы они не разрушались и не вступали вновь в круговорот веществ в природе. Этот важнейший процесс минерализации органи ческих соединений осуществляют микробы. Они постепенно разлага ют сложные органические соединения на простые, доступные для пи тания растений, и таким образом обеспечивают завершение кругово рота углерода, азота, фосфора, серы и других элементов. Первым, кто указал на роль микробов как необходимых посредников между живой и неживой природой, был Пастер. Большую роль в изучении участия микробов в круговороте веществ сыграли работы Сергея Николаеви ча Виноградского и Мартинуса Виллема Бейеринка. Круговорот азота (рис. 10). С остатками растений, с трупами жи вотных в почву попадают сложные азотсодержащие соединения, главным образом, белки. Эти вещества подвергаются гниению (аммо нификации) с участием гнилостных микроорганизмов. Аэробные гни лостные бактерии (В. subtilis, В. niesentericus, Proteus vulgaris) осуществ ляют гидролиз белков до аминокислот, затем до конечных продуктов: сероводорода, аммиака и др. При действии анаэробных гнилостных микробов преобладают восстановительные процессы, и распад бел ков идет не до конечных продуктов. Разложение мочевины осуществ ляют уробактерии, с образованием аммиака и углекислоты. Аммоний ные соли подвергаются дальнейшему окислению нитрифицирующими бактериями. Этот процесс идет в два этапа: 1) одни бактерии окисляют аммонийные соли до нитритов; 2) другие бактерии окисляют нитриты до нитратов. Две фазы нитрификации - это пример метабиоза: один микроб живет, используя продукты жизнедеятельности другого микро ба. Азотнокислые соли наилучшим образом усваиваются растениями, поэтому образование нитратов повышает плодородие почвы. В почве происходит обратный процесс денитрификации - разло жение нитритов и нитратов денитрифицирующими бактериями с выде лением свободного азота, что приводит к снижению плодородия почвы. В то же время имеются микроорганизмы, которые усваивают ат мосферный азот и синтезируют азотсодержащие органические соеди нения. Это две группы микробов: свободноживущие почвенные азот-фиксирующие бактерии и клубеньковые бактерии, живущие в симбио зе с бобовыми растениями, образуя клубеньки на корнях. Азотфиксиру-ющие бактерии обогащают почву азотом, повышая ее плодородие. Круговорот углерода. Зеленые растения и фотосинтезирующие бак терии усваивают диоксид углерода (СО2) атмосферного воздуха, син тезируя углеводы (глюкозу, фруктозу), полимерные соединения: цел люлозу, крахмал, пектин. Образовавшиеся органические соединения используются человеком и животными для питания. После гибели рас тений и животных органические вещества попадают в почву. Возвращение диоксида углерода в атмосферу происходит в про цессе окисления аэробными микроорганизмами углеводов с образова нием СО2, в процессе брожения. Микробная природа брожений была впервые установлена Пастером. В зависимости от образующихся про- дуктов различают следующие виды брожения: спиртовое, уксуснокис лое, молочнокислое, маслянокислое, а также разложение целлюлозы (клетчатки). Микроорганизмы, вызывающие брожение, имеют про мышленное значение. Спиртовое брожение - распад углеводов с образованием этило вого спирта и диоксида углерода - вызывают дрожжевые грибы. Этот вид брожения известен давно и используется при изготовлении спирт ных напитков. Уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт в аэробных ус ловиях до уксусной кислоты. Они используются в промышленности, но при попадании в вино или пиво могут приводить к их порче. Молочнокислое брожение вызывают лактобактерии. Конечным продуктом процесса является молочная кислота, которая губительно действует на гнилостные микробы кишечника. Молочнокислые бакте рии применяют для изготовления кисломолочных продуктов: просток ваши, йогурта, ацидофилина. Препарат лактобактерии, применяемый для устранения дисбактериоза, содержит культуру живых молочно кислых бактерий. Маслянокислое брожение осуществляют анаэробные бактерии. Ко нечным продуктом брожения является масляная кислота, образование которой вызывает порчу консервированных продуктов. Процессы разложения клетчатки, составляющей оболочку расти тельных клеток, и брожение пектина - межклеточного вещества рас тений - имеют большое значение в круговороте углерода в природе. Круговорот серы, фосфора, железа Круговорот серы совершается в результате жизнедеятельности бак терий, причем одни из них окисляют серу, другие - восстанавливают. Фосфор освобождается из органических соединений в результате процессов гниения. Фосфорные бактерии, находящиеся в почве и в воде, в процессе своей жизнедеятельности переводят нерастворимые соединения фосфора в растворимые. Круговорот железа осуществляют железобактерии, живущие в воде. Они используют растворимые соли железа как источник энергии, окис ляя их до окисных соединений, нерастворимых в воде. Образующийся осадок откладывается в оболочке бактерий. Иногда большое количе ство железобактерий, накапливаясь в просветах водопроводных труб, вызывает их сужение и закупорку. Микробиологические аспекты охраны окружающей среды Задачей охраны окружающей среды является сохранение эколо гического равновесия в биосфере. Микробиологические аспекты сос тоят в следующем: 1) охрана микроорганизмов, участвующих в круговороте веществ в природе. Сброс в почву и воду промышленных и автомобильных от ходов приводит к гибели почвенных микробов, осуществляющих про цессы минерализации органических веществ, а это в свою очередь, ве дет к накоплению неразложившихся органических веществ, к умень шению количества нитратов в почве, снижению ее плодородия. 2) охрана микроорганизмов, осуществляющих биодеградацию, то есть разрушение вредных для человека веществ, которые обычно не встречаются в природе и попадают во внешнюю среду в результате деятельности человека. С другой стороны, подавление развития мик роорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов и лекарств или разрушение различных материалов и приборов; 3) защита биосферы от загрязнения (контаминации) патогенными и условно-патогенными микроорганизмами. С прогрессом науки возникают новые аспекты. С развитием ге нетической инженерии возникла проблема защиты природы от искусс твенно полученных рекомбинантов, а с освоением космоса - защита от заноса на нашу планету внеземных и попадания в космос земных микроорганизмов. |