Мистерии сибирской язвы (учебник)

Раздел I • 4. Штаммы из Кот-д’Ивуара и Камеруна

Для MLST-типирования предложены<1> гены glp, gmk, ilv, pta, pur, pyc и tpi, сравнение которых также разделило штаммы представителей B. cereus complex на первую кладу, включающую штаммы B. anthracis, многочисленные штаммы B. cereus ss и редкие штаммы B. thuringiensis; вторую кладу, включающую большинство штаммов B. thuringiensis вместе с некоторыми штаммами B. cereus ss; и третью кладу, к которой отнесли штаммы всех остальных представтелей группы.

Вместе с тем к полученным на основе SLST- и MLSTтипирования данным следует относиться с определённой долей скепсиса. Было показано< 2 >, что некоторые штаммы B. mucoides можно отнести к первой и второй кладам, а среди штаммов B. cereus ss и B. thuringiensis встречаются психрофилы, несущие гены glpF, gmk, purH и tpi, специфичные для B. weihenstephanensis (VI груп-

па).

Подводя итог сказанному, следует обозначить два важных момента. Первый. Выделенный ещё во времена Роберта Коха микроб, именуемый B. anthracis, хотя и занимает особенное положение в исторической памяти человечества ввиду способности вызывать особо опасное заболевание, de facto является членом сложной группы, в которую входят вполне безобидные виды и которая, с определённой долей допущения, является одним видом. Второй. Внутригрупповая таксономия настолько сложна и запутанна(3), что вызывает множественные споры, однако с точки зрения человеческого существования наиболее важными являются токсигенные B. anthracis и B. cereus ss как вызывающие заболевания человека и животных, B. mycoides как вызывающий некротические поражения у

1Priest F. G., Barker M., et al. Population structure and evolution of the Bacillus cereus group. J Bacteriol. 2004; 186(23):7959–7970; DOI: 10.1128/JB.186.23.7959–7970.2004.

2Soufiane B., Côté J.-C. Bacillus weihenstephanensis characteristics are present in Bacillus cereus and Bacillus mycoides strains. FEMS Microbiol Lett. 2013; 341(2):127–137; DOI: 10.1111/1574–6968.12106.

3При сравнении всё тех же генов домашнего хозяйства выясняется, что некоторые серовары B. thuringiensis имеют общую филогению с другими представителями

B. cereus complex, в частности, серовары navarrensis, bolivia и vazensis имеют общую

филогению с B. weihenstephanensis, который позже был отнесён к B. mycoides (см. Soufiane B., Baizet M., et al. Multilocus sequence analysis of Bacillus thuringiensis serovars navarrensis, bolivia and vazensis and Bacillus weihenstephanensis reveals a common phylogeny. Antonie Van Leeuwenhoek. 2013; 103(1):195–205; DOI: 10.1007/s10482–012–9800–5).

80

Мистерии сибирской язвы

некоторых рыб, а также токсигенный для насекомых B. thuringiensis, который на практике часто применяется в качестве биоинсектицида (и потенциально способен вызывать токсикоинфекции у человека, о чём подробнее поговорим в Главе 31).

Далее, говоря о членах группы B. cereus complex, мы будем использовать исторические названия, а также, где это необходимо, указывать предлагаемые новые.

81

Раздел I • 4. Штаммы из Кот-д’Ивуара и Камеруна

82

Раздел II

Bacillus anthracis

Раздел II • 5. Экология

84

Мистерии сибирской язвы

Говорят, что всё в мире пребывает в равновесии: горячее и холодное, добро и зло, инь и ян. Поэтому после сложных историй о генах, эволюции и таксономии поговорим о чём-то простом и приятном, например, о зебрах.

Феномен частичной миграции, при котором мигрирует не вся популяция, а только её часть, широко распространён у птиц и значительно реже – у млекопитающих. В Намибии, в Национальном парке Этоша (Etosha National Park), он зафиксирован у саванных зебр (Equus burchelli), являющихся наиболее распространённым видом зебр в мире. Во время сезона дождей эти зебры обитают на западной стороне центрального сектора парка, а во время сухих и полусухих сезонов, когда многие источники пересыхают, большинство (около 70 %) мигрирует в восточную часть этого сектора. Всё логично: когда источники воды высыхают в западной части, животные устремляются туда, где вода есть, – в восточную часть. Однако не всё так просто, поскольку миграционное поведение животных является балансом между затрачиваемой энергией и получаемой выгодой. И в этом смысле питьевой фактор действительно является доминирующим. Мигрирующая зебра хотя и должна преодолеть большое расстояние во время миграции, после её завершения может проходить в день намного меньше, чем немигрирующая, вынужденная искать новые (не высохшие) водные источники. Таким образом, в среднем мигрирующая зебра (с учетом миграции и возвращения) пройдёт вдвое меньше, чем немигрирующая.

Важно понимать, что в иерархических животных сообществах чаще всего мигрирующими являются подчинённые особи, не способные выжить в конкурентной борьбе за ограниченные ресурсы. Однако в нашем случае мигрирующими являются именно доминантные особи(1). При этом нападение хищников, по-видимому, не

1 Иерархия среди зебр выражена слабо, поэтому для понимания этого явления исследуется положение зебр в стаде, для чего часть из них снабжается радиоошейниками с GPS. Полученные данные свидетельствуют, что немигрирующие зебры во время сезона дождей занимают более бедную пищей территорию вдоль границы

85

Раздел II • 5. Экология

является определяющим фактором, поскольку риск быть съеденным во время миграции противопоставляется риску быть съеденным у дальнего водопоя, к которому, в отсутствие альтернативы, стремится бо́льшая часть животных.

В чём же тогда дело? Важную роль в этом процессе, вероятно, играет сибирская язва, вспышки которой наиболее характерны для сезона дождей. В частности, почти половина годовой смертности приходится на последние два месяца сезона дождей. После его окончания большая часть стада мигрирует, оставляя слабых, подчинённых, особей на эндемичной территории, где они заражаются и умирают (хотя и не все). Более того, поскольку путь до восточной части длится около трёх недель, а заражённые особи умирают в среднем за неделю, миграция позволяет предотвратить эпидемию. При этом стоит оговориться, что передачи возбудителя воздушнокапельным путём не происходит: после смерти животного бактерии из его трупа попадают в почву, откуда с травой поступают в желудочно-кишечный тракт новой жертвы. И поскольку животные перемещаются, вероятность того, что пища будет обсеменена возбудителем, стремится к нулю (важно помнить, что во время болезни возбудитель попадает в почву с различными выделениями, такими как слюна, моча и кал).

С наступлением сезона дождей в игру вступает фактор пищевого поведения. Дело в том, что зебры предпочитают открытые луга, которых на западе больше. Ценность их в сухой сезон ниже из-за увядания травы, но с наступлением сезона дождей стадо устремляется назад, чтобы насладиться обновлённой сочной травой на большом пространстве лугов, при том, что численность немигрирующих особей успела значительно поредеть под действием сибирской язвы, а значит, и конкуренция за пищевые ресурсы снизилась.

Сложно сказать, существовала бы частичная миграция в отсутствие сибирской язвы, но следует констатировать, что она органично «встроилась» в сложный эволюционный процесс регулировки численности.

западной части центрального сектора (см. Zidon R., Garti S., et al. Zebra migration strategies and anthrax in Etosha National Park, Namibia. Ecosphere. 2017; 8(8):e01925; DOI: 10.1002/ecs2.1925).

86

Мистерии сибирской язвы

Ранее мы уже говорили, что наибольшая смертность от сибирской язвы у зебр регистрируется во время сезона дождей, что наиболее вероятно связано с потреблением обсеменённой возбудителем пищи, то есть имеет место алиментарный путь распространения инфекции. Более того, крупные вспышки заболевания приходятся на годы с бо́льшим количеством осадков. Исследования<1> показывают, что во время сезона дождей зебры потребляют с пищей значительно больше земли, чем в сухие сезоны, поэтому вероятность попадания возбудителя выше. Такая же модель пищевого поведения характерна для спрингбоков (Antidorcas marsupialis) и саванных слонов (Loxodonta africana), однако смертность от сибирской язвы у последних приходится не на влажные, а, наоборот, на сухие сезоны! Можно предположить, что в первую очередь это связано с тем, что в рацион слонов также входят содержащие высокий процент влаги листья деревьев, поэтому количества потребляемых с землёй спор недостаточно для развития инфекционного процесса(2). Соответственно, с наступлением сухого сезона в рационе слонов становится больше травы, а вода из водоёмов содержит больше возбудителя, чем во влажные сезоны ввиду сокращения её объёмов. Кроме того, жара подвергает животных стрессу, снижающему врождённую устойчивость к инфекциям, ввиду чего сравнительно низкая доза становится заражающей. Таким образом, можно видеть, что пищевое поведение конкретного вида является важным фактором, обуславливающим возможность заражения.

Вместе с тем во время влажного сезона споры возбудителя не только набухают, что облегчает их переход в вегетативную форму, также способную вызывать инфекционный процесс3, но и размы-

1Turner W. C., Imologhome P., et al. Soil ingestion, nutrition and the seasonality of anthrax in herbivores of Etosha National Park. Ecosphere. 2013; 4(1):1–19; DOI: 10.1890/ES12–00245.1.

2Хотя минимальная инфицирующая доза для большинства диких животных не установлена, известно, что летальной для куду является 15 миллионов спор при пероральном введении, для овец, лошадей и крупного рогатого скота – 1,5–5 х 108 спор, для обезьян – 4000–750000 спор, для кроликов – 105 спор, для собак – 1,8 х 107 спор, а для свиней – 2,7 х 107 спор. С другой стороны, при парентеральном введении летальный исход у куду обеспечивает 100–250 спор, у макак-резусов – 3000 спор,

укроликов – 5000 спор, у свиней – 109 спор, у овец – 75–100 спор, а у собак – 5 х 1010 спор.

3Ранее считалось, что заражение животных вегетативной формой сибиреязвенного микроба невозможно, однако крупная вспышка, произошедшая в 2016 году в

87

Раздел II • 5. Экология

ваются (уносятся водой) на значительные расстояния. При этом их глобальное распространение преимущественно ограничено почвами с высоким содержанием кальция и рН выше 6,1. Ещё Чарльз́ Хи́ггинс1 в 1916 году писал<2 >, что «подходящая почва должна быть слегка щелочной». Дело в том, что при таком рН почвы поверхность влажного экзоспория споры несёт на себе отрицательный заряд, что способствует притягиванию положительно заряженных катионов и, в частности, Ca2+, который через поры диффундирует к ядру и сохраняется в нём (напомним, что двухвалентный кальций необходим споре для прорастания)3. Кроме того, положительно заряженные частицы гумуса4, содержащие питательные элементы, как магнит, притягивают споры, закрепляющиеся на их поверхности с помощью ворсинок. В кислых почвах, напротив, на поверхности экзоспория образуется положительный заряд, который не позволяет прикрепиться к гумусу и способствует выщелачиванию кальция из ядра, что в конечном счёте приводит к гибели споры. Именно поэтому вспышки сибирской язвы как бы «привязаны» к влажным сезонам и почвам, что заметил, но не мог в своё время объяснить Казимир Давен.

Несложно догадаться, что слабощелочные почвы с высоким содержанием гумуса являются благоприятной средой для роста растений, которые будут привлекать большое количество травоядных животных. Последние, в свою очередь, в процессе питания будут поглощать частицы земли (гумуса), аккумулирующие значительное

Ямало-Ненецком автономном округе (Россия), показала возможность реализации данного механизма (см. Опыт ликвидации вспышки сибирской язвы на Ямале в 2016 году. Под редакцией А. Ю. Поповой, А. Н. Куличенко, Ижевск: ООО «Принт-2», 2017, 313 с.).

1Charles Herbert Higgins, 1875–1954; канадский и американский ветеринарный врач, патолог. Глава отделения патологии Канадского департамента сельского хозяйства (1903–1917). Автор работ по экологии B. anthracis.

2Higgins C. H. Anthrax. Health of animals branch. Bulletin No.23, Ottawa: Department of Agriculture, 1916, 8 p.

3С другой стороны, чрезмерно высокое содержание кальция в почве может привести к повышению пористости споры и отвержению плазмид, приводящему к потере последних. Так, штаммы, извлекаемые из богатых кальцием доломитовых почв плато Гаап (Национальный парк Крюгер, ЮАР), как правило, не имеют плазмиду рХО2.

4От лат. humus – «земля, почва»; основное органическое вещество почвы (перегной), содержащее большое количество питательных веществ, необходимых для жизни растений.

88

Мистерии сибирской язвы

количество спор. Далее больные животные будут искать тень у ближайших кустарников, охлаждаться в воде и умирать, «выпуская» в землю и воду значительное количество бактерий, большая часть которых образует споры, формируя так называемые зоны хра-

нения спор.

При этом необходимо понимать, что данный процесс глобально не является экологически цикличным во времени, поскольку споры чаще всего сохраняются в почве десятилетиями. Так, если для уже упомянутого Национального парка Этоша ежегодные эпидемии сибирской язвы во влажные сезоны стали частью естественной экосистемы (гиперэндемия), то, например, для юго-западной части штата Монтана (США) эпизоотии на степных бизонах (Bison bison bison) не регистрировались с 1950-х годов по 2008 год. Эту же мысль подтверждает и генетика: как мы помним, геном B. anthracis является суперконсервативным.

Ещё одним фактором является возможность существования возбудителя в богатых питательными элементами почвах в вегетативной форме(1), о чём упоминалось ранее, однако такие формы значи-

1 Существование этой формы возможно в виде эндосимбиоза с почвенными амёбами (например, Acanthamoeba castellanii), внутри которых возможно размножение, а также в ризосфере травянистых растений. Более того, в тканях сахарного тростника часто обнаруживают B. cereus ss и, крайне редко, B. thuringiensis, которые оттуда попадают в пищеварительный тракт личинок бананового стержневого свер-

лильщика (Telchin licus licus) (см. Rocha F. Y. O., Júnior A. S. N., et al. Endophytic Bacillus bacteria living in sugarcane plant tissues and Telchin licus licus Larvae (Drury) (Lepidoptera: Castniidae): the symbiosis that may open new paths in the biological control. Front Microbiol. 2021; 12:659965; DOI:

10.3389/fmicb.2021.659965).

Также важный вклад вносит взаимодействие с бактериофагами, вызывающими фенотипические изменения и появление псевдолизогенных вариантов, что способствует блокированию или стимулированию спорообразования, индуцированию образования биоплёнок и способности к колонизации кишечника навозных червей (Eisenia fetida). Отдельного внимания заслуживает бактериофаг Crookii, выделенный из крови трупа молодого голубого гну (Connochaetes taurinus) в Национальном парке Крюгер (ЮАР). Он проявляет активность в отношении всех представителей B. cereus complex, но не к инкапсулированному сибиреязвенному микробу при низких концентрациях, что даже затруднило первоначальную изоляцию возбудителя, который, как и B. cereus ss, не удалось выделить из образцов почвы, хотя труп животного был значительно истерзан африканскими грифами (Gyps africanus). Бактериофаги не способны инфицировать бактериальные споры, но они способны укрываться внутри спор после заражения вегетативной клетки и тем самым контролировать популя-

цию возбудителя (см. Hassim A., Lekota K. E., et al. A unique isolation of a lytic bacteriophage infected

89