Микробиология(Закарян). Первая. Общая микробиология. Глава место микроорганизмов среди
 Скачать 2.06 Mb.
|
|
ГЛАВА 7. БАКТЕРИОФАГИ И БАКТЕРИОФАГИЯ Явление бактериофагии открыл и изучил французский микробиолог д'Эррель. В 1917 г. он наблюдал лизис культуры бактерий дизентерии после внесения в нее фильтрата испражнений больного, выздоравливающего от дизентерии. При многократных пассажах, то есть переносе из одной культуры в другую, фильтраты сохраняли свою лизирующую активность и даже усиливали ее. Ученый сделал из этого правильный вывод 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 бактерий, он размножается в бактериях, вызывая их лизис. Добавление бактериофага 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 появляются стерильные пятна или негативные колонии фагов (рис. 8). Бактериофаг и специфичны, то есть лизируют определенные виды бактерий. Отсюда их названия: дизентерийный бактериофаг, стафилококковый 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 молекулярной генетики. Структура бактериофагов Размеры бактериофагов колеблются от 20 нм до 200 нм. Как все вирусы, содержат ДНК, или РНК, и белковый капсид. Чаще всего встречаются и лучше изучены бактериофаги, имеющие форму сперматозоида или головастика. Состоят они из головки, хвостового отростка, батальной пластинки с короткими шинами и хвостовыми нитями. Внутри головки располагается спирально скрученная пить ДНК, покрытая белковым капсидом. Хвостовой отросток - что полый цилиндрический стержень, окруженный сократительным чехлом. Базальная пластинка и нити осуществляют процесс адсорбции бактериофага на бактериальной клетке (рис. 9). Существуют бакте-риофаш. имеющие другое строение: 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 наблюдаются те же фазы, что при взаимодействии других вирусов с клеткой. Адсорбция бактериофага. Как все вирусы, фаги неподвижны, и столкновение с бактерией происходит случайно, затем адсорбция становится прочной, если у клетки имеются на поверхности фагос-пецифические рецепторы. Фаги, имеющие сократительный чехол, адсорбируются с помощью хвостового отростка. Внедрение фага внутрь клетки. Под действием фермента лизо-цима, который находится в хвостовом сегменте, в клеточной стенке бактерии образуется отверстие. Через это отверстие в ре- зультате сокращения хвостового чехла внутрь бактериальной клетки переходит ДНК фага. Белковый капсид остается 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 происходит в цитоплазме клетки. Выход зрелых фагов из клетки происходит 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 взаимодействии - 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 вместе 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 свойства. Так, например, продукция экзотоксина у палочек дифтерии и ботулизма связана с наличием профага. В определенных условиях (воздействия температуры, химических веществ и др.) профаги могут превратиться в вирулентные бактериофаги. Размножаясь, они лизируют бактерии и могут переходить в другие 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. Передача генетического материала от одной бактерии к другой с помощью умеренного бактериофага называется трансдукцией. Таким образом могут передаваться такие признаки, как устойчивость к антибиотикам, способность продуцировать какие-либо ферменты. Умеренные бактериофаги применяются в генетической инженерии в качестве вектора - переносчика генов. Практическое значение бактериофагов Препараты бактериофагов применяются для диагностики, профилактики и лечения. Фагодиагностика основана на специфичности бактериофагов: видоспецифические бактериофаги лизируют только определенные 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 заражают бактериофагом. На следующий день лишрованную культуру фильтруют через бактериальный фильтр. К фильтрату в качестве консерванта 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 совершенно прозрачным. При кишечных инфекциях препарат применяют вместе 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 бактериофагов, а также наборы типовых фагов для фаготиинрования стафилококков, брюшнотифозных и других бактерий. ГЛАВА 8. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ (МИКРОЭКОЛОГИЯ) Экологическая микробиология изучает взаимоотношения микро-и макроорганизмов, совместно обитающих в биотопах. Это часть общей экологии - науки, изучающей взаимоотношения животных, растений, микроорганизмов между собой и с окружающей средой. Основные понятия: - биотоп - участок биосферы с относительно однородными условиями жизни; - популяция - совокупность особей одного вида, обитающих в определенном биотопе; - микробиоценоз - сообщество популяций разных микроорганизмов, обитающих в определенном биотопе; - экосистема (экологическая система) - совокупность организмов и среды их обитания, то есть система, состоящая из биотопа и биоценоза; . - 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 микроорганизмы 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 заболеваний; 3) определение микробной флоры. При исследовании объектов внешней среды методами санитарной микробиологии определяются количественные показатели - общее количество микроорганизмов в определенном объеме. Важной задачей исследования является обнаружение патогенных микробов и их токсинов. Однако непосредственное их выявление представляет значительные 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 определяют по косвенному показателю - обнаружению санитарно-показа- тельного микроорганизма. В качестве санитарно-показательных выбирают те микробы, которые постоянно и в больших количествах содержатся в тех выделениях человека, которые для данной среды наиболее опасны. Сроки их выживания во внешней среде должны совпадать примерно со сроками выживания патогенных микробов. Санитарно-показательные микроорганизмы не должны интенсивно размножаться во внешней среде и должны легко обнаруживаться при лабораторном исследовании. Микрофлора почвы Почва является основной средой обитания многих микроорганизмов, которые вместе с растениями и животными составляют разнообразные биогеоценозы. Состав микробиоценозов почвы зависит от многих внешних факторов, в том числе от агротехнических мероприятий, таких как вспашка, внесение удобрений, ядохимикатов. Самый поверхностный тонкий слой почвы содержит мало микроорганизмов, 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: анаэробные 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 почву, 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 вирусы, которые попадают в почву с выделениями человека и животных, сохраняются здесь в течение нескольких дней и месяцев. Это бактерии - возбудители брюшного тифа и дизентерии, палочки туберкулеза, лептоспиры, вирусы. Значение почвы как фактора передачи при этих инфекциях относительно невелико. Микробиологическое исследование почвы имеет значение при строительстве жилищ, детских учреждений, водохранилищ. Пробы почвы 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, простейших. В воде обитают также различные виды микробов, принимающих участие в круговороте веществ в природе и способствующих самоочищению воды благодаря разложению органических соединений. Характер 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 артезианских скважин и родников. Вода имеет эпидемиологическое значение как фактор передачи инфекций. Наблюдались водные эпидемии холеры, брюшного тифа, леп-тоспирозов и других инфекционных болезней. Санитарно-гюказательными микроорганизмами для воды являются бактерии группы кишечной палочки (БГКП), принадлежащие к разным 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, микробное 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 предприятий. В отличие от воды и почвы, где микробы могут размножаться, в воздухе они только сохраняются в течение некоторого времени, а затем гибнут вследствие высыхания и влияния солнечных лучей. Устойчивые к таким воздействиям микроорганизмы могут долго сохраняться в воздухе. Это споры грибов, споры бактерий, сарцины и другие кокки, образующие пигменты. Больше всего микробов в воздухе промышленных городов, меньше всего - в воздухе лесов и гор. В открытом воздухе количество микробов летом больше, чем зимой, в воздухе закрытых помещений - наоборот. Воздух может служить фактором передачи патогенных микробов: стафилококков, стрептококков, палочек дифтерии, коклюша, туберкулеза, 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 м 3 воздуха; - наличие санитарно-показательных бактерий: Streptococcus haeraolyticus и Staphylococcus aureus. Чистота воздуха зависит от своевременного проветривания помещения и влажной уборки. Применяется обработка воздуха бактерицидными УФ-лампами. Для уменьшения контаминации воздуха применяют марлевые и ватно-марлевые маски. Микроорганизмы пищевых продуктов Пищевые продукты и готовые блюда являются благоприятной средой 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 возбудителей кишечных инфекций: дизентерии, холеры, брюшного тифа, а также 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 определяют микробное число и санитарно-показательные микроорганизмы (БГКП), а также наличие патогенных микробов. Санитарно-микробиологические показатели некоторых молочных продуктов, колбасных, 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 медицинских учреждениях, кроме бытовых предметов, имеются специфические медицинские объекты. Это медицинские инструменты, оборудование, 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 возбудители инфекционных заболеваний (легионеллы, синегнойная палочка, протей, иерсинии) способны размножаться в ванных комнатах, душевых, раковинах, кондиционерах. Другие микроорганизмы, не размножаясь в объектах внешней среды, могут сохраняться здесь в течение 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 медицинских и детских учреждениях, предприятиях общественного питания и пищевой торговой сети. Определяют бактериологическую загрязненность рук работающего персонала и предметов окружающей обстановки путем исследования микрофлоры смывов. В смывах определяют: 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 превращения 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 строят органические соединения из минеральных веществ. Кроме того, разлагая диоксид углерода, они выделяют в окружающую среду свободный кислород. Животные и бесхлорофильные растения, лишенные способности строить белок из неорганических соединений, нуждаются в готовых органических веществах и питаются растениями или другими животными. Они постепенно разлагают органические вещества, накопленные зелеными растениями, до более простых соединений с освобождением большого количества энергии. При этом они используют кислород, который выделяют зеленые растения. Эта простая и стройная схема взаимоотношений зеленых растений, животных и неживой природы не может объяснить равновесия между живой и неживой природой. Остается неясной причина минерализации органических веществ с образованием таких окисленных неорганических соединений, как вода, углекислота, минеральные соли, вполне пригодные для питания растений. В организме животных и растений 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 веществ, 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 органических соединений осуществляют микробы. Они постепенно разлагают сложные органические соединения на простые, доступные для питания растений, и таким образом обеспечивают завершение круговорота 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 Николаевича Виноградского и Мартинуса Виллема Бейеринка. Круговорот азота (рис. 10). С остатками растений, с трупами животных в почву попадают сложные азотсодержащие соединения, главным образом, белки. Эти вещества подвергаются гниению (аммонификации) с участием гнилостных микроорганизмов. Аэробные гнилостные бактерии (В. subtilis, В. niesentericus, Proteus vulgaris) осуществляют гидролиз белков до аминокислот, затем до конечных продуктов: сероводорода, аммиака и др. При действии анаэробных гнилостных микробов преобладают восстановительные процессы, и распад белков идет не до конечных продуктов. Разложение мочевины осуществляют уробактерии, с образованием аммиака и углекислоты. Аммонийные 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 микроба. Азотнокислые соли наилучшим образом усваиваются растениями, поэтому образование нитратов повышает плодородие почвы. В почве происходит обратный процесс денитрификации - разложение нитритов и нитратов денитрифицирующими бактериями с выделением свободного азота, что приводит к снижению плодородия почвы. В то же время имеются микроорганизмы, которые усваивают атмосферный азот и синтезируют азотсодержащие органические соединения. Это две группы микробов: свободноживущие почвенные азот-фиксирующие бактерии и клубеньковые бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями, образуя клубеньки на корнях. Азотфиксиру-ющие бактерии обогащают почву азотом, повышая ее плодородие. Круговорот углерода. Зеленые растения и фотосинтезирующие бактерии усваивают диоксид углерода (СО 2 ) атмосферного воздуха, синтезируя углеводы (глюкозу, фруктозу), полимерные соединения: целлюлозу, крахмал, пектин. Образовавшиеся органические соединения используются человеком и животными для питания. После гибели растений и животных органические вещества попадают в почву. Возвращение диоксида углерода в атмосферу происходит в процессе окисления аэробными микроорганизмами углеводов с образованием СО 2 , в процессе брожения. Микробная природа брожений была впервые установлена Пастером. В зависимости от образующихся про- дуктов различают следующие виды брожения: спиртовое, уксуснокислое, молочнокислое, маслянокислое, а также разложение целлюлозы (клетчатки). Микроорганизмы, вызывающие брожение, имеют промышленное значение. Спиртовое брожение - распад углеводов с образованием этилового спирта и диоксида углерода - вызывают дрожжевые грибы. Этот вид брожения известен давно и используется при изготовлении спиртных напитков. Уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт в аэробных условиях 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 бактерии применяют для изготовления кисломолочных продуктов: простокваши, йогурта, ацидофилина. Препарат лактобактерии, применяемый для устранения дисбактериоза, содержит культуру живых молочнокислых бактерий. Маслянокислое брожение осуществляют анаэробные бактерии. Конечным продуктом брожения является масляная кислота, образование которой вызывает порчу консервированных продуктов. Процессы разложения клетчатки, составляющей оболочку растительных клеток, и брожение пектина - межклеточного вещества растений - имеют большое значение в круговороте углерода в природе. Круговорот серы, фосфора, железа Круговорот серы совершается в результате жизнедеятельности бактерий, 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, окисляя их до окисных соединений, нерастворимых в воде. Образующийся осадок откладывается в оболочке бактерий. Иногда большое количество железобактерий, накапливаясь в просветах водопроводных труб, вызывает их сужение и закупорку. Микробиологические аспекты охраны окружающей среды Задачей охраны окружающей среды является сохранение экологического равновесия в биосфере. Микробиологические аспекты состоят в следующем: 1) охрана микроорганизмов, участвующих в круговороте веществ в природе. Сброс в почву и воду промышленных и автомобильных отходов приводит к гибели почвенных микробов, осуществляющих процессы минерализации органических веществ, а это в свою очередь, ведет к накоплению неразложившихся органических веществ, к уменьшению 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 микроорганизмов, 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 генетической инженерии возникла проблема защиты природы от искусственно полученных рекомбинантов, а с освоением космоса - защита от заноса на нашу планету внеземных и попадания в космос земных микроорганизмов. |