uchebnik

11

2)Высокая интенсивность процессов метаболизма, обусловленная тем, что соотношение поверхности к единице массы больше, чем у многоклеточных; 3)Субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк - от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до органических соединений, включая антропогенные вещества - загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым ее самоочищение).

4)Бактерии имеют очень широкий набор ферментов - это также способствует высокой интенсивности метаболических процессов.

Ферменты бактерий делятся на 2 группы :

-Экзоферменты - ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (например, протеазы, полисахаридазы, олигосахаридазы) и

-Эндоферменты - ферменты бактерий, действующие на субстраты внутри клетки (например, ферменты, расщепляющие аминокислоты, моносахара, синтетазы).

Синтез ферментов генетически детерминирован, но регуляция их синтеза идет за счет прямой и обратной связи, т.е. для одних - репрессируется, а для других - инициируется субстратом. Ферменты, синтез которых зависит

от наличия соответствующего субстрата в среде (например, β-галактозидаза, β-лактамаза), называются индуцибельными. Другая группа ферментов, синтез которых не зависит от наличия субстрата в среде называется конститутивными (например, ферменты гликолиза). Их синтез имеет место всегда, и они всегда содержатся в микробных клетках в определенных концентрациях.

По химическому составу и характеру биополимеров (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды) прокариотические клетки не отличаются от эукариотических. Основными химическими компонентами бактериальной клетки являются органогены (кислород, водород, углерорд, азот, фосфор). Процесс, в ходе которого бактериальная клетка получает из окружающей среды компоненты, необходимые для построения ее биополимеров (органогенов), называется питанием.

По источникам углерода бактерии делятся на следующие группы. Автотрофы, которые используют как единственный источник углерода

углекислый газ.

Гетеротрофы, которые используют для этих целей разнообразные органические углеродсодержащие соединения (гексозы - глюкоза, многоатомные спирты, реже углеводороды, аминокислоты, органические кислоты) как биологического, так и не биологического происхождения.

Источники азота также могут быть разнообразны. Есть микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот атмосферы. Они называются азотфиксирующими. Другие - ассимилируют неорганический азот из солей аммония, нитратов или нитритов и, соответственно, называются, аммонифицирующими, нитрат- и нитрит-редуцирующими бактериями.

12

Однако патогенные для человека микроорганизмы способны ассимилировать только азот органических соединений.

Термины “гетеротрофный” и “автотрофный”, введенные для определения типов питания животных и растений, недостаточны для того, чтобы охарактеризовать все многообразие способов питания микроорганизмов. Поэтому, кроме источника углерода, для них были предложены новые термины, указывающие на источник энергии и донор водорода (электронов).

Взависимости от источников энергии микроорганизмы делятся на

фототрофные, способные использовать солнечную энергию, и хемотрофные, получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций.

Взависимости от природы доноров электронов фото- и хемотрофы подразделяются на фото-, или соответственно, хемолитотрофы, т.е. использующие в качестве доноров электронов неорганические соединения, и фото-, хемоорганотрофы, использующие только органические соединения.

Кхемоорганогетеротрофным (чаще пользуются термином “хемоорганотрофы”) принадлежит значительное большинство бактерий, в том числе и патогенные для человека виды.

Микроорганизмы, способные синтезировать все необходимые им органические соединения (углеводы, аминокислоты и др.) из указанных компонентов, называются прототрофами. Микроорганизмы, не способные синтезировать какое-либо из необходимых соединений, и ассимилирующие их в готовом виде из окружающей среды или организма хозяина (человека, животного), называются ауксотрофами. Чаще всего ими являются патогенные или условно-патогенные для человека микроорганизмы.

Механизм питания бактерий.

Бактериальные клетки не имеют специальных органов питания, т.е. являются голофитными.

Поступление питательных веществ в микробную клетку может происходить :

1)за счет осмоса и диффузии по градиенту концентрации без затрат энергии;

2)за счет пассивного транспорта, который также осуществляется по градиенту концентрации и отличается от диффузии большей скоростью;

3)за счет активного транспорта, который идет против градиента концентрации с затратой энергии и возможным частичным расщеплением субстрата.

Белковый обмен у бактерий - это с одной стороны - процесс синтеза собственных аминокислот и белков путем ассимиляции необходимых компонентов из внешней среды, а с другой стороны - внеклеточное расщепление белков под воздействием различных ферментов. Если расщепление белков происходит в анаэробных условиях, то этот процесс называется гниение, а если он идет в аэробных условиях, то тление. При наличии протеаз у бактерий белки расщепляются до промежуточных

13

продуктов распада - пептонов, а при наличии пептидаз пептоны расщепляются до аминокислот и продуктов их распада (аммиака, сероводорода, индола). Протеолитические (способность расщеплять белки) и пептолитические (способность расщеплять пептоны) свойства выражены далеко не у всех бактерий, поэтому изучение этих свойств в совокупности с другими также помогает идентифицировать бактерии.

Углеводный обмен у бактерий также носит двоякий характер - это процесс синтеза и распада углеводов. Расщепление углеводов в аэробных условиях с образованием углекислого газа и воды называется горение, а расщепление углеводов в анаэробных условиях - брожение. В зависимости от характера конечных продуктов разложения углеводов различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, муравьинокислое, маслянокислое и уксуснокислое брожение. Молекулярный кислород в процессах брожения не участвует. Большинство бактерий, осуществляющих брожение, - облигатные анаэробы. Однако некоторые из них - факультативные анаэробы, способные осуществлять процесс брожения в присутствии кислорода, но без его участия. Более того, этот кислород подавляет брожение и оно сменяется горением (дыханием - конечный акцептор водорода - кислород). Этот эффект был назван эффектом Пастера и является одним из классических примеров смены типов метаболизма в зависимости от условий среды.

Сахаролитические свойства также являются достаточно характерными, хотя и вариабельными свойствами бактерий, позволяющими проводить дифференцирование микроорганизмов. Например, способность ферментировать лактозу и маннит позволяет отличить виды шигелл - возбудителей дизентерии друг от друга.

Для микробиологической диагностики, изучения микроорганизмов, и в биотехнологических целях микроорганизмы культивируют на искусственных питательных средах.

Питательные среды должны содержать источники органогенов, неорганические соединения в виде различных солей, факторы роста, т.е. отвечать основному требованию к питательным средам - питательности. Кроме того, питательные среды, используемые в бактериологии, должны отвечать еще некоторым требованиям. Они должны быть изотоничны, стерильны и иметь определенную рН (кислотность) среды, определенный еН (электронный) потенциал и быть по возможности прозрачными.

Для выращивания и изучения различных микроорганизмов предложено большое количество питательных сред. В зависимости от их происхождения, состава, назначения и консистенции (плотности) все среды можно подразделить на несколько групп.

Классификация питательных сред по происхождению: 1)естественные - приготовленные из естественных продуктов (яично-

глицериновая, картофельно-глицериновая среда, молоко, мясная вода и пр.);

14

2)искусственные - приготовленные из веществ, искусственно полученных из естественных продуктов (пептон, аминопептид, дрожжевой экстракт, казаминокислоты и т.п.), например, пептонная вода для культивирования холерного вибриона

3)синтетические - среды известного состава, приготовленные из химически чистых неорганических и органических соединений;

Классификация питательных сред по составу:

1)простые - мясо-пептонный бульон (МПБ), мясо-пептонный агар (МПА), агар Хоттингера, бульон Хоттингера;

2)сложные - это простые среды с добавлением дополнительного питательного компонента.

Классификация питательных сред по назначению: 1)основные - пригодные для культивирования разных бактерий;

2)элективные (селективные) - пригодные для культивирования бактерий одного рода или вида;

3)дифференциально-диагностические - среды, на которых рост одних видов бактерий отличается от других;

4)специальные - для определения отдельных свойств разных бактерий.

Классификация питательных сред по плотности (консистенции):

1)жидкие; 2)полужидкие ( содержат 0,15 - 0,7% агар-агара);

3)плотные ( содержат 1,5 - 2% агар-агара).

В связи с разнообразием питательных потребностей разных микроорганизмов создать универсальную питательную среду, пригодную для культивирования любых бактерий, практически невозможно.

Рост и размножение бактерий.

Под ростом бактерий понимают увеличение массы клеток без изменения их числа в популяции как результат скоординированного воспроизведения всех клеточных компонентов и структур.

Увеличение числа клеток в популяции микроорганизмов обозначают термином "размножение". Оно характеризуется временем генерации (интервал времени, за который число клеток удваивается) и таким понятием, как концентрация бактерий (число клеток в 1 мл).

Большинство прокариот размножаются бинарным делением, некоторые (актиномицеты) - почкованием. Грибы размножаются путем спорообразования или почкования.

Процесс размножения бактерий следует рассматривать с 2-х позиций. Размножение отдельной клетки описано выше. Однако бактерии всегда существуют в виде более или менее многочисленных популяций. В этой связи ниже рассматривается развитие бактериальной популяции.

15

Развитие популяции бактерий в жидкой питательной среде в периодической культуре можно рассматривать как замкнутую систему. В этом процессе выделяют 4 фазы:

1-ая - начальная, или лаг-фаза, или фаза задержки размножения; она характеризуется началом интенсивного роста клеток, но скорость их деления остается невысокой;

2-ая - логарифмическая, или лог-фаза, или экспоненциальная фаза; она характеризуется постоянной максимальной скоростью деления клеток и значительным увеличением числа клеток в популяции;

3-ая - стационарная фаза; она наступает тогда, когда число клеток в популяции перестает увеличиваться. Это связано с тем, что наступает равновесие между числом вновь образующихся и гибнущих клеток. Число живых бактеральных клеток в популяции на единицу объема питательной среды в стационарной фазе обозначается как М-концентрация. Этот показатель является характерным признаком для каждого вида бактерий. Прекращение роста численности популяции наступает в связи с истощением питательной cреды и накоплением в ней продуктов метаболизма. Переход популяции в стационарную фазу можно регулировать, удаляя продукты метаболизма и заменяя питательную cреду. Этот процесс называется проточным культивированием (непрерывная культура). Рост в непрерывной культуре представляет собой открытую систему, стремящуюся к установлению динамического равновесия. Это позволяет получать большие массы бактерий при проточном культивировании в специальных устройствах (хемостатах и турбидистатах) и используется при производстве вакцин, а также в биотехнологиях получения различных биологически активных веществ, продуцируемых микроорганизмами.

4-ая - фаза отмирания (логарифмической гибели), которая характеризуется преобладанием в популяции числа погибших клеток и прогрессивным снижением числа жизнеспособных клеток популяции.

Для изучения метаболических процессов на протяжении цикла клеточного деления возможно также использование синхронных культур. Синхронные культуры - культуры бактерий, все члены популяции которых находятся в одной фазе цикла. Это достигается с помощью специальных методов культивирования, однако через несколько одновременных делений синхронизированная клеточная суспензия постепенно снова переходит к асинхронному делению, так что число клеток увеличивается в дальнейшем уже не ступенчато, а непрерывно.

16

Глава 2. Санитарная микробиология. Микробиологический режим лечебно-профилактических учреждений.

Санитарная бактериология - раздел микробиологии, изучающий распространение микроорганизмов в окружающей среде и разрабатывающий методы санитарно-гигиенического контроля состояния окружающей среды.

Атмосфера, гидросфера и литосфера заселены свободноживущими микроорганизмами, которые живут в виде сообществ, образуя экологические связи как между собой, так и с растениями, животными и человеком, а также с абиогенными факторами окружающей среды. Циклы превращений (круговорот) азота, углерода, серы, фосфора и других важных элементов (и отсюда - вся жизнь на Земле) полностью зависят от метаболической активности микроорганизмов. При этом она в десятки и даже сотни раз превышает таковую животных и растений. Велика роль микроорганизмов в синтезе “парниковых элементов”, т.е. химических соединений, которые определяют климат атмосферы. Два из них - метан и оксиды азота - синтезируются только бактериями. Определяющий среди них - двуокись углерода - поступает в атмосферу в результате разложения органических веществ грибами (около 50-70% всей массы) и бактериями (около 30-50% массы) - это без учета искусственного сжигания топлива и других видов человеческой деятельности.

При этом микрофлора объектов окружающей среды всегда делится на собственную (аутохтонную) и транзиторную (заносную), т.е. поступающую из других частей биосферы, от (из) живых организмов.

Почва является важнейшей средой обитания микроорганизмов. Вместе с растениями и животными они составляют сложные и многообразные биогеоценозы; состав которых, плотность, функциональная активность и прочие характеристики зависят в первую очередь от типа и структуры почвы, а также от ее физико-химического состояния, влажности, интенсивности инсоляции. Плотность микрофлоры особенно высока в черноземных, каштановых почвах, хорошо удобряемых сероземах. Наибольшее количество микроорганизмов отмечается в верхнем слое почвы на глубине 5-15 см, затем их число снижается. На глубине 1,5 м и более встречаются лишь единичные особи.

Почвенные микроорганизмы участвуют практически во всех процессах трансформации веществ и энергии: осуществляют синтез биомассы и аккумуляцию энергии, биологическую фиксацию азота, брожение, гниение (аммонификацию), нитрификацию и т.д.. Все эти процессы протекают достаточно интенсивно, в результате чего органические вещества относительно быстро перерабатываются в гумус, определяющий в конечном счете плодородие почвы.

17

Грамм плодородной почвы содержит несколько миллионов бактерий, миллион спор грибов, 50 000 водорослей и 25 000 простейших. Верхний слой такой почвы глубиной 15 см может содержать более 2 тонн микроорганизмов на 1 акр (0,4 га).

Через почву могут передаваться возбудители многих инфекционных заболеваний, в том числе столбняк, газовая гангрена, ботулизм.

Аспорогенные патогенные и условно-патогенные бактерии, многие вирусы выживают в почве в течение нескольких дней, недель или месяцев; споры возбудителей столбняка, сибирской язвы, анаэробной раневой инфекции (в первую очередь, газовой гангрены) могут сохраняться много лет. Для возбудителей ботулизма, актиномикоза, глубоких микозов, микотоксикозов почва вообще является естественной средой обитания.

Очевидно, что раны, загрязненные землей, должны быть объектом первоочередного пристального внимания медицинских работников и возможно требовать мер экстренной профилактики, т.к. они могут служить воротами анаэробной раневой инфекции (газовой гангрены, столбняка), если с землей в рану попали споры соответствующих возбудителей.

Вода открытых морских и пресноводных водоемов, так же как и почва, является естественной средой обитания разнообразнейших бактерий, грибов, вирусов, микроскопических водорослей, простейших, также участвующих в циклах превращений соединений азота, углерода, серы, фосфора и других важных элементов. В то же время грунтовые воды бедны микрофлорой, в них содержатся только единичные микроорганизмы.

Состав микроорганизмов и их функции различны на поверхности воды

ина дне водоемов ( в иле). На поверхности воды микроорганизмы образуют пленку, в которой энергично протекают процессы фотосинтеза. В иле, поскольку там больше анаэробные условия, активно протекают процессы гниения и брожения, хемоаутотрофного, метилтрофного и гетеротрофного синтеза.

Количественный и качественный состав микрофлоры воды, как впрочем

ипочвы, зависит от состава и концентрации минеральных и органических веществ, физико-химического состояния, температуры, рН среды, концентрации кислорода и углекислого газа. В водоемах, богатых сероводородом, встречаются фотосинтезирующие бактерии. В сравнительно чистых водоемах, при низком содержании органических соединений чаще встречаются сапрофитные микроорганизмы, не требовательные к питательным субстратам. В то же время при поступлении в водоем в силу тех или иных причин (чаще во время весенних паводков) большого количества органических веществ в воде обнаруживаются совсем другие микроорганизмы - более требовательные к питательным веществам. В воде, загрязненной органическими соединениями, начинается бурный рост популяции микроорганизмов, что стимулирует их потребление простейшими.

18

В свою очередь это приводит к разрастанию водорослей - следующего звена в пищевой цепи. В результате увеличения их количества в воде мы и видим процесс так называемого “цветения” воды в водоемах, сильно загрязненных органикой.

В отличие от тех возбудителей, которые могут находиться в почве, для водных источников более характерна другая группа условно-патогенных и патогенных микроорганизмов. Это возбудители заболеваний, имеющих водный путь передачи - лептоспирозов, туляремии, гепатита А, острых кишечных инфекций (ОКИ) - дизентерии, брюшного тифа, и наконец, самого известного заболевания, иногда принимающего характер водных эпидемий - холеры.

Загрязнение ими водоемов происходит в результате поступления в них фекально-бытовых сточных вод из прибрежных населенных пунктов, сточных вод животноводческих и птицеводческих комплексов, попадания в воду трупов животных, погибших от различных инфекций.

При массивном поступлении ливневых, фекально-бытовых, промышленных сточных вод и в водоемах, и в почве начинает увеличиваться количество заносных микробов, в том числе условно-патогенных и патогенных, т.е. болезнетворных, для человека. Хотя и вода, и почва, достаточно неблагоприятны для существования такого рода микроорганизмов, многие из них определенное время способны переживать эти неблагоприятные условия. При этом сроки выживания в значительной степени определяются интенсивностью процессов самоочищения воды и почвы, а также таксономической принадлежностью самого микроорганизма, т.е. его биологическими свойствами: это, в первую очередь, способность к спорообразованию, устойчивость к высушиванию или солнечной радиации.

Воздух является средой, самой непригодной для размножения микроорганизмов, т.к. отсутствие питательных веществ, влаги, высушивание и солнечные лучи обусловливают быструю гибель микробов в воздухе.

По этим же причинам видовой и численный состав микрофлоры атмосферного воздуха малочислен, вариабелен и динамичен. Чаще всего в нем находятся споровые формы бактерий, грибов, аспорогенные бактерии представлены в основном пигментообразующими видами. Он очень сильно зависит от микрофлоры почвы, воды, от времени года, климатических и метеорологических условий. Например, при достаточно высокой температуре и влажности воздуха микроорганизмов в нем находится гораздо больше, чем в сухом холодном воздухе.

В отличие от атмосферного воздуха воздух закрытых помещений в качестве транзиторной может содержать еще и микрофлору верхних дыхательных путей и кожи человека. Кроме того, обсемененность воздуха закрытых помещений очень сильно зависит от их объема, т.е. размеров

19

помещения, частоты проветривания, качества уборки, степени освещенности и посещаемости и т.д.

Патогенные и условно-патогенные бактерии - представители нормальной микрофлоры верхних дыхательных путей, вирусы и грибы попадают в воздух в основном транзиторно в процессе жизнедеятельности человека (например, чихание, кашель, разговор) и могут переживать в воздухе в течение времени, достаточного для инфицирования находящихся в помещении людей. Таким образом они становятся причиной заболеваний с воздушно-капельным путем передачи, например, таких бактериальных инфекций, как туберкулез, коклюш, скарлатина, дифтерия, стафилококковые инфекции, и вирусных, таких как грипп, парагрипп, корь и другие.

Исходя из вышеизложенного, становится очевидно, что загрязнение объектов окружающей среды условно-патогенными и патогенными микроорганизмами (эшерихии, сальмонеллы, шигеллы, стрептококки, стафилококки, бациллы сибирской язвы, клостридии столбняка и т.д.) представляет серьезную эпидемиологическую опасность. В этой связи большое практическое значение приобретают санитарно-бактериологические исследования, позволяющие оценить санитарно-гигиеническое состояние почвы, воды, и воздуха. Они осуществляются службой санитарнопротивоэпидемического надзора (СЭС) по следующим критериям: Общее Микробное Число (ОМЧ), и наличие санитарно-показательных микроорганизмов. Использование последнего позволяет не заниматься выделением каждой из патогенных бактерий, а пользоваться общим индикатором загрязнения объекта окружающей среды определенной группой возбудителей.

ОБЩЕЕ МИКРОБНОЕ ЧИСЛО - это общее количество микроорганизмов в определенном объеме воздуха или воды, или массе почвы.

Общее Микробное Число почвы - общее количество микроорганизмов в 1 г почвы - очень важно знать для оценки пригодности земли для хозяйственных застроек, организации зон отдыха, охранных зон источников водоснабжения.

По ОМЧ почвы делятся на:

- чистые (до 10 000), - слабо загрязненные (до 100 000 микроорганизмов на г), - умеренно загрязненные (до 1 000 000) и - сильно загрязненные ( более 1 000 000 миллиона микроорганизмов на г).

Для питьевой воды (и это оговорено ГОСТом на питьевую воду) нормой считается, когда общее число бактериальных клеток в 1 мл, т.е. общее микробное число воды не превышает 100. Для источников непитьевого водоснабжения, бассейнов и для открытых водоемов значение этого показателя значительно выше.

ОМЧ воздуха - общее количество микроорганизмов в 1 кубическом метре воздуха. Этот показатель оценивается только в воздухе закрытых

20

помещений, а его максимально допустимый предел нормируется только в воздухе медицинских учреждений и спецпроизводств, для остальных - уровень поддержания обсемененности воздуха по ОМЧ только рекомендуется. Позднее мы рассмотрим конкретные вопросы, связанные с микробиологическим режимом лечебно-профилактических учреждений, более подробно.

Санитарно-показательными называют условнопатогенные микроорганизмы, наличие которых свидетельствует о возможном загрязнении того или иного объекта (почва, вода, воздух, больничное оборудование) патогенными бактериями, поражающими те же органы и ткани или полости организма человека и животных, в которых обитают и эти условнопатогенные микроорганизмы. Обнаружение этих санитарно-показательных микроорганизмов в объектах внешней среды свидетельствует о загрязнении их экскретами человека или животных. Количественный учет санитарнопоказательных микроорганизмов во внешней среде позволяет определить массивность загрязнения и степень эпидемической опасности объекта.

Санитарно-показательными микроорганизмами почвы и воды являются представители нормальной микрофлоры кишечника. Это связано с тем, что бактерии, обитающие в кишечнике человека, так же как и патогенные энтеробактерии - возбудители острых кишечных инфекций, имеющих фекально-оральный путь передачи, не приспособлены к аутохтонному (самостоятельному, независимому) существованию. Они обычно не размножаются в почве и воде и не могут сохраняться там достаточно длительный срок. Разные сроки выживаемости этих бактерий в окружающей среде позволяют определить давность фекального загрязнения. Например, наличие кишечная палочка (E. coli), и энтерококк (Str. faecalis) сохраняются днями и их обнаружение свидетельствует о свежем фекальном загрязнении почвы; а обнаружение бактерий родов Citrobacter, Enterobacter, сохраняющихся неделями/месяцами, расценивается как несвежее фекальное загрязнение, а бактерий вида Clostridium perfringens (в почве) - как давнее загрязнение почвы.

Кроме того, для оценки санитарно-гигиенического состояния почвы введен отдельный показатель - перфрингенс-титр - это масса почвы в граммах, в которой обнаруживается 1 особь вида Clostridium perfringens. Этот показатель позволяет судить о содержании в почве споровых бактерий - в первую очередь представителей рода Clostridium, в число которых входят широко известные возбудители газовой гангрены, столбняка, ботулизма.

Тем не менее необходимо отметить, что решающую роль в оценке санитарно-гигиенического состояния и почвы, и, особенно, воды играет наличие кишечной палочки - E. coli. Этот микроорганизм (E. coli) - обычный представитель нормальной микрофлоры кишечника человека и многих теплокровных животных, и его присутствие в почве или питьевой воде само по себе неопасно. Однако в кишечнике может находиться и ряд патогенных