2. Бактериофаги.

Бактериофагами называют вирусы бактерий. Бактериофаг способен инфицировать бактериальную клетку, репродуцироваться в ней, образуя многочисленное потомство, и вызывать ее лизис, сопровождающийся выходом фаговых частиц в среду обитания бактерий.

Бактериофаги широко распространены в почве, воде, экскре­ментах больных и здоровых животных, человека и обнаружены более чем у 100 видов бактерий (С. Я. Гайдамович, 1982). Хозяевами бактериофагов являются эшерихии и сальмонеллы, стафилококки и стрептококки, микобактерии, листерии, Корине-бактерии и другие микроорганизмы.

Фаг состоит из головки и отростка — это основные части его. Белковая оболочка головки называется капси-дом. Капсид содержит молекулу ДНК или РНК.

По степени специфичности фаги раз­деляют на три группы: полифаги — лизируют родственные бактерии, моно­фаги — бактерии одного вида, а фаго- ) вары — только определенные варианты данного вида бактерий.

Процесс взаимодействия фага с клет­кой состоит из последовательной смены отдельных стадий.

Первая стадия — адсорбция фага и закрепление его на бактериальной клет­ке, клеточной стенке, в которой имеются специфические рецепторные участки (белковые и липидные). Фаг узнает их концевыми нитями своих отростков и прочно прикрепляется.

Вторая стадия — проникновение. По­сле адсорбции ДНК-фага через дисталь-ный конец отростка продвигается сквозь рыхлые слои клеточной стенки, которые разрушаются под дейст­вием фагового лизоцима.

Третья стадия — биосинтез фаговой нуклеиновой кислоты РНК и белков капсида, которые участвуют в биосинтезе фаговой ДНК. Латентный (скрытый) период продолжается в пределах 15 мин.

Четвертая стадия — морфогенез фага. Этот процесс заключается в заполнении фаговой нуклеиновой кислоты пустотелых фаговых капсид и формированием зрелых вирионов (частиц фага).

Пятая стадия — выход вирусных (фаговых) частиц из клетки. Он происходит путем лизиса зараженных бактерий, за счет фагового лизоцима, накапливающегося в процессе репродукции фага. Количество зрелых вирионов у разных клеток различно — от единиц до нескольких тысяч. Вирионы высвобождаются и вновь внедряются в еще не зараженные бактерии.

Таким образом, на жизнедеятельность микроорганизмов оказывают влияние физические, химические и биологические факторы внешней среды.

Лекция 4. Генетика микроорганизмов

1. Материальные основы наследственности

2. Формы изменчивости

3. Генная инженерия

1. Материальные основы наследственности

Генетика — наука о наследственности и изменчивости организ­мов. Целью генетики является изучение и анализ законов передачи наследственных признаков от поколения к поколению, а также выяснение механизмов, обеспечивающих наследование на всех уровнях организации живых существ (особь, клетка).

Наследственность - это свойство живых организ­мов воспроизводить одни и те же или сходные морфологические свойства в ряду поколений благодаря передаче материальных задатков (генов) от родителей потомкам.

Основной генетической структурой прокариотной клетки является хромосома. Хромосома - это молекула ДНК, представленная в виде двойной спирали, замкнутой в кольцо. Она является носите­лем генетической информации. Состоит из генов.

Ген – участок хромосомы, представляет собой определенную последовательность нуклеотидов, определяет возможность развития того или иного отдельного признака. ген — функциональная единица наследственно­сти. Все свойства организма однозначно определяются его гена­ми. Гены определяют особенности клеточных компо­нентов, их структуру и функцию. Бактерии, как и все прокариоты, гаплоидны, т. е. генетический материал у них представ­лен одним набором генов. Схема, отражающая расположение генов на хромосоме, называется генетической картой. Гены, отвечающие за развитие одного признака, называют аллельными.

Совокупность всех генов называют генотипом. Возможность проявления гена определяется внешними условиями. Результат проявления гена – это формирование какого-либо свойства или признака организма. Совокупность всех внешних и внутренних признаков организма называют фенотипом. Сюда относят форму, строение микроорганизма, все его свойства.

Механизм сохранения наследственной информации

Перед делением клетки, происходит идентичная репликация генов. На каждой цепи ДНК синтезируется новая цепь; при этом с каждым из оснований спаривается комплементарное ему основание, так что каждая из двух новых цепей опять-таки будет комплементарна родительской цепи. Эта точная репликация ДНК гарантирует сохранение генетической информа­ции.

Кроме хромосомы, у некоторых бактерий, имеются дополнительные внехромосомные генетические детерминанты, получившие на звание плазмиды. Плазмиды расположены в цитоплазме, и способны к саморепликации. Плазмида несет в себе генетический материал. Общим для всех плазмид свойством является то, что они придают клетке дополнительные, не обяза­тельные для нее функции, но чаще всего выгодные. Например, фактор множественной лекарственной устойчивосп (R), фактор контролирующий синтез энтеротоксина (Н1у). Потеря плазмиды не влияет на основные свойства клетки. Плазмиды передаются при обычном делении клетки и при конъюгации.

2. Формы изменчивости

У бактерий различают фенотипическую и генотипическую изменчи­вости.

Фенотипическая изменчивость или модификационная (ненаследственная). Сходные по генотипу, микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, т. е. по способу проявления наследст­венных признаков. Фенотипические различия между микроорганиз­мами, одинаковыми по генотипу, называются модификациями (фенотипическими адаптациями). Модификации, как правило, су­ществуют до тех пор, пока действует вызвавший их специфический фактор внешней среды; они не передаются потомкам и не наследуются ими. Это адаптивная реакция на внешние раздражи­тели. Следовательно, роль фенотипических изменений сводится к обеспечению выживаемости микробных популяций в изменившихся условиях среды. Фенотипические изменения выражаются в изме­нении формы и размера бактерий, биохимической активности и ряда других свойств.

Генотипическая изменчивость (наследственная). Генотипическая изменчивость играет большую роль в эволюции организмов: если бы клетки не обладали способностью к изменению генотипа, то любое неблагоприятное изменение условий среды привело бы к вымиранию вида. Главное отличие от фенотипической изменчивости – это передача изменений по наследству. Они происходят в структуре ДНК — генетическом аппарате клетки — и проявляются в стабильности изменений каких-либо свойств.

В основе генотипической изменчивости лежат мутации и ре­комбинации.

1. Мутации. Под мутацией (от mutatio — изменение) понимают внезапные, скачкообразные изменения наследственных свойств. Основу этого явления составляют качественные или количественные изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, которые могут возникать при жизнедеятельности бактерий под влиянием внешних и внутренних факторов. Бактерии с измененными признаками называются мутанта­ми.

В результате бактериальных мутаций могут отмечаться:

а) изменение морфологических свойств;

б) возникновение устойчиво­сти к лекарственным препаратам;

в) потеря способности синтези­ровать аминокислоты, утилизировать углеводы и другие питатель­ные вещества;

г) ослабление патогенных свойств и т. д.

Различают спонтанные и индуцированные мутации.

А. Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают под влиянием неизвестных причин. Частота спонтанных мутаций мала. Спонтанные мутации служат основным источником естественной изменчивости микроорганизмов и лежат в основе эволюции.

Б. Индуцированные (направленные) мутации проявляются в результате обработки микроорганизмов специальными мутагенами (физическими факторами и химическими веществами) . В основе механизма лежит прямое или косвенной влияние на ДНК бактерий.

2. Генетические рекомбинации, т.е. обмен генами. Бактерия, которая передает генетическую информацию, называется донором. Бактерия, которая принимает информацию, называется рецепиентом. В результате генетического обмена между бактериями образуются бактерии-рекомбинанты. Клетки-рекомбинанты в основном сохраняют генотип бактерии-реципиента, приобретая отдельные свойства бактерии-донора. Это связано с тем, что рекомбинант несет целую хромосому реципиента, в которую включаются только отдельные фрагменты ДНК донора.

У бактерий известны три способа передача генетической информации. Это трансформация, трансдукция и конъюгация.

1. Трансформация (преобразование, перест­ройка) — изменение генома бактерии-реципиента в результате поглощенной из среды свободного фрагмента ДНК клетки-донора.

В процессе трансформации различают пять стадий: первая — адсорбция трансформирующей ДНК на поверхность микробной клетки; вторая — проникновение ДНК в клетку-реципиент; третья — спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными струк­турами клетки; четвертая — включение участка ДНК клетки-до­нора в хромосомные структуры реципиента; пятая — дальнейшее изменение нуклеотида в ходе последующих делений.

2. Трансдукция. Трансдукцией называют передачу ДНК от клетки-донора клетке-реципиенту при участии бактериофагов. Трансдуцирующими свойствами обладают умеренные фаги. Размножаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав своей ДНК часть бактериальной ДНК и передают ее после проникновения клетке-реципиенту.

3. Конъюгация (спаривание) — это передача генети­ческого материала донорской клеткой клетке-реципиенту при непосредственном контакте. Способность бактериальной клетки конъюгировать связана с наличием в ней полового фактора F (от fertility — плодовитость) — внехромосомной автономной де­терминанты. Конъюгирующие клетки соединяются через конъюгационный мостик, образованный половой ворсинкой F-пили донорской клетки. Перенос генетического материала происходит в одном направлении — от донорской (мужской F⁺) клетки к реципиентной (женской F").

Таким образом, все три процесса генетической рекомбинации у бактерий — трансформация, трансдукция и конъюгация — различны по форме, но одинаковы по существу; в результате каждого процесса происходит перенос фрагмента ДНК от одной клетки к другой. Таким образом, могут быть перенесены различные признаки: синтез капсулы, устойчивость к антибиотикам, синтез ферментов, вирулентность и т. п.

3. Генная инженерия

Возможность введения генетической информации от одного вида бактерий другому различными методами привела к созданию нового направления в генетике — генной инженерии. Генная инженерия разрабатывает методы получения новых рекомбинантных молекул ДНК с заданной генетической информацией, способов их переноса в клетки прокариотов и эукариотов и изучает поведение их в реципиентной клетке. Основной целью геннолй инженерии является создание новых штаммов и видов в целях микробного синтеза ферментов, гормонов, антибиотиков, витаминов, аминокислот, спиртов и других продук­тов и веществ на основе мутаций, межвидовой и межродовой рекомбинации микроорганизмов. В настоящее время из организма человека выделены гены, синтезирующие инсулин и интерферон, и перенесены в геном Е. coli. Эти штаммы стали вырабатывать белковые вещества инсулин и интерферон.

Проводятся большие работы в воссоздании молекул участков ДНК, включающих гены, которые кодируют соответствующие антигенные детерминанты, с последующей встройкой этих генов в векторные молекулы ДНК. В результате осуществляется синтез необходимого антигена, на основе которого может быть изготовлена вакцина.

Лекция 5. Роль микроорганизмов в превращении веществ в природе

1. Круговорот азота

2. Круговорот углерода

3. Круговорот фосфора, железа, серы

1. Круговорот азота

Микроорганизмам принадлежит исключительно важная роль в круговороте веществ в природе. Наиболее отчетливо биогеохими­ческая деятельность микроорганизмов проявляется в реакциях разложения органических веществ, в окислении водорода, метана, серы, в восстановлении сульфатов и во многих других процессах, обеспечивающих круговорот биогенных элементов.

Азот (N) — важнейший биогенный элемент, входящий в состав белковой молекулы каждого живого существа. Запасы газообразного азота в атмосфере огромны. Столб воздуха над гектаром почвы содержит до 80 тыс. тонн азота. Однако ни растениям, ни животным он не доступен, так как растения могут использовать для питания азот минеральных соединений, а животные потребляют азот в форме органических соединений. Только специфическая группа микроорганизмов обладает способностью фиксировать и строит из него все разнообразие азотсодержащих органических соединений своей клетки.

Цикл превращений азота в природе с участием микроорганизмов состоит из четырех этапов: фиксации атмосферного азота, аммо­нификации, нитрификации и денитрификации.

1. Фиксация атмосферного азота. Способностью фиксировать ат­мосферный азот и строить из него тело своей клетки обладают микроорганизмы, получившие название азотфиксирующих. Они обусловливают значительное повышение плодородия почвы.

Биологическая фиксация азота в природе осуществляется двумя группами микроорганизмов: свободноживущими (несимбиотическими) и микроорганизмами, существующими в сообществе с растениями (симбиотическими или клубеньковыми).

К наиболее важным свободноживущим азотфиксаторам относятся Azotobacter chroococcum, Clostridium pasteurianum, Pseudomonas fluorescens. Азотобактерии в течение года на площади 1 га фиксируют от 20 до 50 кг газообразного азота, особенно интенсивно процесс фиксации происходит при хорошей аэрации почвы. Рисовые поля обогащаются азотом в основном за счет Cl. pasteurianum.

К симбиотическим азотфиксаторам относятся цианобактерии (сине-зе­леные водоросли), и . бактерии рода Rhisobium (клубеньковые бактерии). Клубеньковые бактерии способны внедряться в корневые волоски бобовых растений и развиваться в них с образованием на корнях клубеньков, где и происходит фиксация азота. Таким образом, между бактериями и растениями устанавливаются симбиотические отношения. Бактерии питаются органическими соединениями, синтезированными растениями, а растения получают из клубеньков связанные соединения азота. При достаточной аэрации почвы, влажности и температуре клубеньковые бактерии в течение года на 1 га могут зафиксировать до 200 кг атмосферного азота, что значительно повышает плодородие почвы.

2. Аммонификация белков. Значительные запасы органического азота сохраняются в растительных и животных тканях. Когда гибнут растения и животные, компоненты их тела подвергаются действию микроорганизмов, и азотистые соединения разрушаются с образованием аммиака. Этот процесс называют аммонификацией или минерализацией азота. Процесс аммонификации может про­исходить как в аэробных, так и анаэробных условиях при участии разнообразных микроорганизмов: бактерий-, бацилл, клостридий, актиномицетов, плесневых грибов.

Расщепление белковых веществ происходит за счет протео-литических ферментов, выделяемых микроорганизмами, получив­ших название гнилостных. Глубина расщепления белковых веществ зависит от вида микробов и условий их жизнедеятель­ности.

• Аэробная гнилостная микрофлора • совершает глубокий распад белка, конечными продуктами которого являются: аммиак, СОг, сульфаты и вода.

• При распаде белка в анаэробных условиях образуется аммиак, СО?., органические кислоты, меркаптаны, а также индол, скатол, обладающие неприятным запахом.

К аэробным аммонификаторам относятся: Вас. mycoides — широко распространенная в природе, подвижная палочка, грампо-ложительная, образует споры; Вас. subtilis — палочка, подвижная, образует споры, грамположительная; Вас. megaterium — палочка, подвижная, грамположительная. Из анаэробных микроорганизмов наиболее активны: Cl. putrificum — подвижная палочка, грампо­ложительная, обнаруживается в кишечнике, почве, навозе; О. sporogenes — палочка, подвижная, грамположительная, обнаружи­вается в почве, кишечнике.

Аммо­нификация остатков растений, трупов, других органических субстратов ведет к обогащению почвы азотистыми продуктами. Одновременно гнилостные микробы выполняют огромную сани­тарную роль, очищая почву и гидросферу от разлагающего органического субстрата.

Бактерии, разлагающие мочевину, называются уробактериями (urea — моча). Под действием фермента уреазы, вырабатываемого уро­бактериями, мочевина превращается в аммиак и углекислый газ. К уробактериям относят: Вас. probatus — крупная палочка, подвижная, грамположительная, образует споры; Sporasarcina — образует крупные шарообразные клетки, соединенные в пакеты, имеет жгутики.

3. Нитрификация. Это следующий за аммонификацией этап пре­вращения азота микроорганизмами. Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется сначала в азотистую, а затем в азотную кислоту. Протекает процесс нитрификации в две фазы.

Первую фазу — окисление солей аммония до нитритов — осуществляют микроорганизмы родов Nitrosomonas, Nitrococcus, Nitrospira, Nitrosovibrio.

Вторую фазу — окисление азотистой кислоты до нитратов — осуще­ствляют бактерии из родов Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus.

Образовавшаяся азотная кислота в почве вступает в соединение с щелочами, в результате чего образуется селитра. Селитра хоро­шо растворяется в воде и усваивается растениями, в результате чего повышается плодородие почвы.

4. Денитрификация. Это процесс, обратный нитрификации. Раз­личают прямую и косвенную денитрификацию.

Прямая денитри­фикация вызывается бактериями, широко распространенными в почве, навозе, водоемах. Среди них наибольшее значение имеют: Thiobacillus denitrificans — палочка, не образующая спор, факуль­тативный анаэроб; Pseudomonas fluorescens — подвижная палочка, грамотрицательная, образует зеленоватый пигмент; Ps. stutzeri — палочка, образующая цепочки; Paracoccus denitrificans — имеет форму кокков. Денитрифицирующие бактерии восстанавливают нитраты до молекулярного азота. В почве развиваются без доступа воздуха и в щелочной среде.

Косвенная денитрификация осуществляется чисто химическим путем при взаимодействии азотистой кислоты с аминными соединениями. Роль микробов в этих процессах косвенная и сводится к образованию нитритов, главным образом из нитратов. Косвенной денитрификации способствуют самые раз­нообразные виды микробов, которые не только восстанавливают нитраты, но и разлагают белковые вещества с образованием аминокислот.

2. круговорот углерода

Спиртовое брожение. При спиртовом брожении микроорга­низмы превращают углеводы (сахара) с образованием этилового спирта как основного продукта и углекислоты: К возбудителям спиртового брожения относятся некоторые дрожжи, главным образом из рода Saccharomyces (S. cerevisiae, S. globosus, S. vini и др.). В промышленности используются культуральные дрожжи. В зависимости от того, в каких условиях происходит процесс (аэробный или анаэробный), дрожжи делят на дрожжи верхового и низового брожения. Дрожжи верхового брожения (S. cerevisiae) находятся в верхних слоях сусла, куда они поднимаются образующейся углекислотой и пеной. Брожение идет с незначительным повы­шением температуры (20—28 °С). Через 5—7 дней верховое брожение заканчивается, а дрожжи за 1—2 дня до окончания брожения образуют хлопья и оседают на дно бродильных емкостей. Дрожжи низового брожения (S. vini) развиваются в анаэробных условиях и при более низкой температуре (6—12 °С), поэтому процесс протекает медленно (8—10 дней). Дрожжи также оседают на дно и образуют хлопьевидный осадок. Значение спиртового брожения очень велико. Этот процесс лежит в основе виноделия, пивоварения, производства спирта, хлебо-■ печения. Дрожжи используют и для приготовления кормового белка.

Молочнокислое брожение. При молочнокислом брожении про­исходит распад углеводов, а также многоатомных спиртов и белков до молочной кислоты. В зависимости от того, какие продукты образуются при сбраживании глюкозы молочнокислые бактерии принято подразделять на гомоферментативные и гетеро-ферментативные.

Гомоферментативное молочнокислое бро­жение. Гомоферментативные молочнокислые бактерии обра­зуют практически только одну молочную кислоту, что обусловлено кокковыми и палочковыми молочнокислыми бак­териями. Кокковые формы включены в род Streptococcus, к кото­рому отнесены виды Str. lactis, Str. cremoris, Str. diacetilactis, Str. thermophilus.

Палочковые бактерии включены в род Lactobacillus, которые характеризуются значительным разнообразием форм — от короткой кокковидной до длинной нитевидной. Располагаются в виде еди­ничных клеток, парами или цепочками. К ним относятся виды Lact. delbrueckii, Lact. lactis, Lact. bulgaricus, Lact. ascidophilus и др.

Гетероферментативное молочнокислое бро­жение. Его осуществляют представители родов Leuconostoc, Lactobacillus, Bifidobacterium. Антагонизм молочнокислых бактерий по отношению к услов­но-патогенным и патогенным микробам обусловливается дейст­вием молочной кислоты, которую они продуцируют, а также образованием антибиотиков.

Пропионово-кислое брожение. Пропионово-кислое брожение осуществляется бактериями рода Propionibacterium. Эти бактерии встречаются на растениях, почве, в желудочно-кишечном тракте жвачных животных. Источниками энергии для них служат углеводы, органические кислоты, спирты и другие вещества. Пропионовокислые бактерии способны сбраживать молочную кислоту, обра­зовавшуюся в результате брожения, вызванного молочнокислыми бактериями. Конечные продукты пропионово-кислого брожения — пропио-новая и уксусная кислоты, СО2 и вода. Пропионово-кислые бактерии используют для получения вита­мина В12, который они образуют в значительных количествах.

Маслянокислое брожение. Маслянокислое брожение обусловли­вают некоторые бактерии из рода Clostridium.. В качестве источника углерода используют моно- и дисахариды, некоторые полисахариды (декстрин, крахмал), молочную, пировиноградную кислоты, маннит, глицерин и др. соединения. Источником азота служат разнообразные вещества — аминокислоты, аммиачные соединения и др. Маслянокислые бациллы развивается в анаэробных условиях.

Маслянокислое брожение ухудшает качество корма, происходит его прогоркание. Животные плохо поедают такой корм. Маслянокислое брожение часто является причиной прогор-кания растительных масел и жиров животного происхождения, а также семян сои и подсолнечника.

Уксуснокислое окисление. Уксуснокислое окисление — микро­биологический процесс, при котором этиловый спирт окисляется до уксусной кислоты под влиянием уксуснокислых бактерий.

Уксуснокислые бактерии объединены в род Acetobacter. На поверхно­сти среды (пива, не крепленных спиртом сухих вин) образует пленку. Оптимальная температура роста 34 °С. Окрашивается йодом в желтый цвет. A. pasteurianum no форме напоминает Acetobacter aceti. На поверхности среды образует сухую склад­чатую пленку. При соединении с йодом приобретает синюю окраску.

Уксуснокислые бактерии используют для производства пищевого уксуса из вина и спирта в промышленных условиях. Уксуснокислое брожение имеет важное значение при силосовании кормов

Роль микробов в разложении клетчатки. В состав клетчатки (целлюлозы) входит более 50 % всего органического углерода биосферы. Клетчатка — наиболее распространенный полисахарид растительного мира; высшие растения на 15—50 % состоят из целлюлозы. После гибели растений она подвергается разложению, в результате чего освобождается углерод. Разложение клетчатки происходит в аэробных и анаэробных условиях. В природе распад клетчатки происходит повседневно в почве, водоемах, навозе, пищеварительном тракте травоядных благодаря ферментам, ко­торые выделяют различные микроорганизмы.

Аэробное разложение (брожение) клетчатки наиболее интен­сивно происходит под влиянием следующих трех широко рас пространенных в природе родов микроорганизмов: Cytophaga — подвижные с заостренными концами палочки; Cefacicula — короткие с заостренными концами палочки; Ceivirio — длинные палочки, слегка изогнутые. Кроме того, в аэробных условиях клетчатку разлагают актиномицеты и грибы родов Aspergillus и Penicillum.

Анаэробное брожение клетчатки происходит в два этапа. На первом этапе клетчатка осахаривается, а затем сахар разлагается в зависимости от типа брожения на спирты, молочную, масляную кислоты, углекислоту, водород, метан и др. Известно, что в природе имеется два типа анаэробного брожения клетчатки — водородное и метановое, которые осуществляются двумя анаэ­робными бактериями-целлюлозоразрушителями: Cl. omelianskii и Cl. celiobioparum. Оба микроба образуют споры, оби­тают в почве и навозе. Водородное и метановое брожение клетчатки происходит в преджелудках крупного рогатого скота при поедании большого количества зеленой массы бобовых, особенно влажной от дождя или утренней росы, что обуслов­ливает развитие острой тимпании рубца.

Следует особо отметить, что в рубце жвачных животных имеются специфические облигатные целлюлозоразлагающие бакте­рии. Они разлагают целлюлозу кормов до глюкозы, которая затем сбраживается с образованием органических кислот (уксусной, пропионовой, масляной, молочной, муравьиной, янтарной и др.), спиртов и газов (СОг и Н2). Разложение целлюлозы в рубце животных осуществляют кокковидные и палочковидные бактерии: Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus, Bacteroides succinogenes, Butyrovibrio fibrisolvens, Ruminobacter parvum. Ука­занные бактерии имеют большое значение в питании жвачных животных.

3. превращение микроорганизмами фосфора, железа и серы

Фосфор. Имеет большое значение в жизнедеятельности орга­низма. Без него не могут синтезироваться белки, входит в состав ядерного вещества и многих ферментов. В почве содержится в основном в органической, не усвояемой растением форме и в виде трудноусвояемых минеральных соединений. Органические соедине­ния фосфора попадают в почву вместе с растительными остатками, трупами животных и отмершими микроорганизмами. Они пред­ставлены нуклеопротеидами, нуклеиновыми кислотами и др. Роль микробов в превращении фосфора сводится к двум процессам: минерализации фосфора, входящего в состав органических веществ, и превращению фосфорнокислых солей из слаборастворимых в хорошо растворимые, доступные для растений.

Органические и неорганические соединения фосфора разлагают­ся бактериями родов Pseudomanas, Bacillus (Вас. megaterium), грибами из родов Penicillium, Aspergillus, Rhizopus и др.

Железо. Широко распространено в природе, встречается в виде ор­ганических и минеральных соединений, входит в состав животных и растительных организмов. Содержится в гемоглобине крови и дыха­тельных ферментах-цитохромах. При недостатке железа у животных развивается анемия, растения теряют зеленую окраску. Железо быва­ет в форме нерастворимого окисного Fe ^T и растворимого закисного Fe"¹". Перевод органического железа из окисного в закисное, и наобо­рот, осуществляется в основном микроорганизмами, получившими название железобактерий. К ним относятся нитчатые бактерии (Leptothix, Crenothrix), бактерии рода Gallionella и др.

Железобактерии — аэробы, встречаются в болотах, прудах, железистых источниках. В таких водоемах они окисляют закиси железа. В процессе деятельности железобактерий образуется окись железа. Скопление отмерших железобактерий (гидрат окиси железа) образует на дне стоящих водоемов залежи болотной руды.

Сера. Содержится в организме животных и растений, входит в состав» серосодержащих аминокислот (цистеин, цистин, метионин), витаминов группы В (биотин, тиамин), много ее в волосах и перьях. Органические соединения серы в почве представлены остатками животных и растений. При разложении в почве органических серосодержащих веществ, а также при восстановлени солей серной, сернистой и серноватистой кислот образуется сероводород, ядовитый для растений и животных. Сероводород окисляется серобактериями в безвредные, доступные для растений соединения. Серобактерии представлены несколькими различными группами: нитчатые, тионо-вые и фотосинтезирующие пурпурные и зеленые серобактерии.

Нитчатые серобактерии представлены несколькими родами: Beggiatoa, Thiothix и др. Представляют собой длинные нити, которые состоят из множества клеток, аэробы, подвижные и неподвижные, окисляют сероводород до серной кислоты.

Тионовые бактерии относятся к роду Thiobaccilus. Это грамот-рицательные палочки, подвижные, спор не образуют, окисляют серу и ее соединения,

Фотосинтезирующие зеленые и пурпурные серобактерии пред­ставляют собой различные морфологические формы — кокки, палочки, спириллы, живут в строго анаэробных условиях и развиваются на свету при наличии в среде сероводорода или тиосульфита натрия.

Лекция 5. Экология микроорганизмов

1. Микрофлора почвы

2. Микрофлора воды

3. Микрофлора воздуха

1. Микрофлора почвы

Поч­ва — среда обитания многочисленных видов микроорганизмов и крупнейший резервуар их в природе.

Численность и видовой состав в почве зависят от структуры почвы, климатических условий, характера растительного покро­ва, степени загрязнения.

В 1 г глинистой почвы содержится 200 млн микробов, в 1 г черноземной почвы - 5 млрд, в песках до 100 тыс в 1 г.

Микробы в почве распределены неравномерно. Их больше в вер­хних слоях и вблизи растений. На глубине 5...6 м почва почти не содержит микробов.

В начале лета и осенью численность микроорганизмов возрастает, в другое время года уменьшается.

К типичным почвен­ным бактериям относятся Вас. subtilis, Cl.tetani, Cl.perfringens, Cl.botulinum, Cl.chauvoei, а также другие микроорганиз­мы. Сюда входят автотрофы и гетеротрофы, возбу­дители многих процессов: аммонификации, нитрификации, де-нитрификации, фиксации азота, превращения серы, железа и ряда других элементов, что повышает биологическую активность и пло­дородие почвы.

Пато­генные микроорганизмы попадают в почву с испражнениями, мочой, гноем, мокротой, слюной и другими выделениями, с трупами людей и животных, погибших от инфекционных забо­леваний.

Попадая в почву, значительная часть патогенных микроорга­низмов, не образующих спор, погибает. Сроки выживания в почве возбудителей кишечных инфекций (дизентерии, брюшного тифа, холеры, чумы, бруцеллеза, туляремии, туберкулеза) составляют от нескольких часов до нескольких меся­цев. Значительно дольше сохраняются в почве спорообразующие бактерии, например, споры возбудителя ботулизма Cl. Botulinum сохраняются в почве около 10 лет, споры возбудителя сибирской язвы Вас. Anthracis - свыше 15 лет. Такие споры при благоприятных условиях начинают прорастать, в результате чего почва является ос­новным источником этих заболеваний.

Микробиологический анализ. При микробиологическом исследовании почвы применяют краткий или полный санитарно-бактериологический анализ.

Краткий анализ почвы предус­матривает определение двух микробиологических показателей:

• общего количества бактерий,

• коли-титра.

Пол­ный анализ включает в себя определение

• общего количества бактерий,

• коли-тит­ра,

• титра анаэробов (БГКП и С/, perfringens),

• протеев,

• термофилов.

Показатель общего количества бактерий чистой почвы не превышает 100 тыс КОЕ/г, в загрязненной почве он в несколько раз больше. Нали­чие в почве БГКП и С/, perfringens свидетельствует о ее фекаль­ном загрязнении. Выявление в почве протеев свидетельствует о загрязнении ее органическими веществами животного происхож­дения или фекалиями людей. Термофильные микроорганизмы являются показателями загрязнения почвы навозом, компостами. В чистых почвах термофилы не обнаруживаются.

2. микрофлора воды

Вода, как и почва, является естественной средой обитания для многих видов микроорганизмов. Численность микроорганизмов в воде определяется главным образом содержанием в ней органических веществ. В 1 мл воды число клеток микроорганизмов может превышать несколько миллионов.

В состав микроорганизмов воды входят различные водоросли, простейшие, плесневые грибы, фаги и другие микроорганизмы. Качественный состав обитающих в воде микроорганизмов зави­сит в основном от самой воды, поступления в нее сточных и промышленных отходов. К постоянно живущим в воде микроорга­низмам относятся Azotobacter, Nitrobacter, Micrococcus, Pseudomonas, Proteus и др. В воде могут быть возбудители инфекционных болезней животных и человека.

По своему происхождению вода подразделяется на

1. атмосферную,

2. поверхностную

3. подземную.

Атмосферная вода (дождевая, снеговая) содержит мало минеральных веществ, поэтому она мягкая, безвкусная. Микробы попадают из воздуха вместе с пылью: в 1 мл 300...400 клеток. Однако после длительного нахождения атмосферных осадков на поверхности земли число клеток микробов быстро возрастает.

Поверхностная вода (речная, озерная, морская), например речная, содержит разное число клеток микроорганизмов в зависимости от времени года, территории, по которой течет река. Весной и осе­нью численность микроорганизмов резко возрастает. Речная вода, протекающая через населенные пункты, сильно загрязняется, поэтому ниже по течению в ней содержится гораз­до больше микробов, чем выше по течению. Загрязнение рек происходит в результате сброса сточных вод промышленных предприятий. Число клеток мик­роорганизмов в озерной воде увеличивается после дождей.

Подземные воды (грунтовая, колодезная, ключевая) содержат меньше микроорганизмов, так как большинство из них фильтруется почвой. В колодезной, артезиан­ской и ключевой водах содержится много солей, вода более жест­кая. Микробы попадают в такую воду по пути ее следования на поверхность и из воздуха.

По степени микробного загрязнения различают три зоны во­доема:

1. полисапробная зона — наиболее сильно загрязненная вода, бедная кислородом, богатая органическими веществами. В 1 млводы содержится 1 млн клеток микробов и более. Преобладают клетки кишечной палочки и анаэробные бактерии, вызывающие процессы брожения и гниения;

2. мезосапробная зона — умеренно загрязненная вода, в кото­рой активно идет процесс минерализации органических веществс интенсивными процессами окисления и нитрификации. Содер­жание микроорганизмов в 1 мл воды составляет сотни тысяч кле­ток бактерий, кишечных палочек значительно меньше;

3. олигосапробная зона — зона чистой воды, содержащей в 1 мл десятки или сотни клеток, не более. В 1 л этой воды кишечная палочка отсутствует или выделяется несколько ее клеток. Это ука­зывает на то, что самоочищение воды закончилось.

Микробиологический анализ.

Санитар­ную оценку воды дают по следующим показателям:

• наличие кишечной палочки (E.coli).

• бродильный титр, - наименьший объем воды, при посеве которой на глюкозную среду обнаруживается газообразование.

• Общее микробное число устанавливают по количеству микро­организмов, содержащихся в 1 мл воды. Водопроводная вода считается хорошей, если общее число микробов в 1 мл равно 100, сомнительной — 100—150, загрязненной — 500 микробов и более. В воде колодцев и открытых водоемов в 1 мл не должно быть более 1 тыс. микробов.

• Коли-титром называется наименьший объем воды в миллилитрах или сухого вещества в граммах, в котором обнаруживается хотя бы одна E.coli.

• коли-индекс воды, (количе­ство кишечных палочек в 1 л воды) в водопроводной воде должен быть не более 3, в колодцах — не более 10

• титр фекального стрепто­кокка - наименьший объем воды в миллилитрах , в котором обнаруживается хотя бы одна клетка Str. faecalis.

3. микробиология воздуха

Воздух как среда обитания для микроорганизмов менее благо­приятен, чем почва и вода, так как в нем содержится очень мало или не содержится совсем питательных веществ, необходимых для размножения микроорганизмов.

В пыльном и грязном воздухе микробов больше, чем в чистом, так как они адсорбируются на поверхности твердых частиц. В воздухе центра города микроорганизмов боль­ше, а на окраинах меньше. Летом микробов в воздухе содержится больше, зимой меньше. Выше 84 км над уровнем моря микробы не обнаруживаются. Человек в среднем вдыхает за сутки 12 000... 14 000 л воздуха. При этом в дыхательных путях задерживаются 99,8 % микроорга­низмов, содержащихся в воздухе.

В воз­духе обнаруживаются микроорганизмы, представленные кокками (энтерококки, стрептококки), споровыми бактериями (клостридии, бациллы) и грибами (Aspergillus, Pemcillium).

Патогенные микроорганизмы попадают в воздух из мокроты и слюны при кашле, разговоре, чихании. Даже здоровый человек при чихании и кашле выделяет в воздух 10... 20 тыс. клеток микроорганизмов, а больной человек — во много раз больше. Эти капельки могут часами удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии, т. е. образуют стойкие аэрозоли. Таким воздушно-капельным путем происходит заражение многими острыми респираторными заболеваниями (грипп, корь, коклюш, дифтерия, легочная чума и др.).

Микробиологический анализ.

Санитарное состояние воздуха оценивается по следующим показателям:

• Общее микробное число устанавливают по количеству микро­организмов, содержащихся в 1 м³ атмосферного воздуха,

• наличию Staph. avreus, Str. haemoliticus, E. coli.

Допустимые санитарно-бактериологические показатели для воз­духа помещений не должны превышать 1500 бак в 1 м3 (зимой в 2,5 раза больше).

В молочной и мясной промышленности при оценке воздуха так же учитывают число плесневых грибов и дрожжей,

Лекция 6. Микробиология молока и мяса

1. Микробиология молока

2. Микробиология мяса