Химия воды и микробиология. Учебное пособие

61

6.2. Влияние внешних условий на развитие микроорганизмов

Микроорганизмы появляются всюду, где есть условия, способствующие их развитию, а именно: 1) наличие достаточной влажности; 2) питательные вещества и 3) определенная температура, допускающая проявление жизненной активности. Следовательно, существование микробов определяется внешними условиями, которые называются экологическими факторами. К ним относятся: температура, свет, элементы питания – органогены (С, N, P, S, H, O); солевой состав среды, осмотическое давление, поверхностное натяжение и активная реакция среды.

Микроорганизмы приспосабливаются к окружающей среде и всякое нарушение оптимальных условий приводит к подавлению их развития и даже к отмиранию. Губительно действуют на микробную клетку изменение рН среды, нарушение кислородного режима, резкое изменение температуры, истощение питательных веществ, действие прямых солнечных лучей, а также и биологические факторы. Например, они погибают вследствие лизиса (растворения их клеток бактериофагом) и вследствие антагонизма с другими бактериями.

Факторы роста. Некоторые микроорганизмы не могут синтезировать в достаточных количествах органические вещества (аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, витамины), необходимые для построения нового клеточного материал. Поэтому для обеспечения его роста в среду надо вводить недостающее вещество, которое называется фактором роста. Микроорганизм, нуждающийся в каком-то определенном факторе роста, называют ауксотрофным по этому соединению, а микроорганизм, не нуждающийся в данном веществе, называют прототрофным.

Потребность микроорганизмов в факторах роста не постоянна, она может изменяться в зависимости от условий их культивирования. Например, плесневый гриб Mucorrouxii нуждается в витаминах биотине и тиамине лишь при росте в анаэробных условиях, а в аэробных условиях он сам синтезирует эти витамины. Подобная изменчивость к факторам роста наблюдается у организмов, выращиваемых на средах с различными значениями рН. Увеличение температуры выше оптимальной изменяет отношение микроорганизма к факторам роста.

Микроорганизмы могут быть ауксотрофными по одной или более из 20 аминокислот, которые входят в состав белков. Часто аминокислоты заменяют пептидами с низкой молекулярной массой. Пептиды действуют как эффективный переносчик аминокислоты в клетку микроорганизма.

Некоторые микроорганизмы (бактерии и простейшие) нуждаются в пурине и пиримидине, входящих в состав нуклеиновых кислот. Микроорганизмы, не синтезирующие пурины и пиримидины и не способные включать их в состав нуклеотидов, нуждаются в готовых нуклеотидах.

62

Наиболее доступными источниками углерода, водорода и кислорода являются органические соединения: углеводы, аминокислоты, многоатомные спирты, липиды, соли жирных кислот. Углеводороды усваиваются ограниченным числом микроорганизмов.

Способность использовать ароматические соединения распространена лучше всего среди псевдомонад. Расщепление этих соединений происходит только в аэробных условиях. Для синтеза аминокислот (и белка), пуриновых и пиримидиновых оснований, а также некоторых витаминов микроорганизм должен получать в доступной для него форме азот.

Для многих водорослей, грибов и актиномицетов источником азота служит нитратный ион ( NO3− ) . Если среда обеднена азотосодержащими веществами, то

некоторые микроорганизмы фиксируют его из воздуха.

Органические соединения используются как источник азота теми микроорганизмами, которые могут разлагать их с выделением аммиака.

Для обеспечения роста микроорганизмов в среде должны быть неорганические фосфаты в виде кислых солей KH2PO4 и K2HPO4 . Они же

обеспечивают определенное значение рН среды (буферность раствора). В клетках живых организмов фосфор присутствует в форме фосфатов, главным образом фосфатов сахаров в нуклеиновых кислотах. Поскольку к этим соединениям относятся такие важные составные части клетки, как ДНК, РНК и АТФ, то очевидно, что фосфаты играют важную роль в жизнедеятельности клетки. Источником фосфатов в естественный средах (как питательный бульон) служат нуклеиновые кислоты.

Сера, как фосфор и азот, входит в состав белковых веществ живой клетки, поэтому совершенно необходима для синтеза органического вещества. Наиболее важным серусодержащим компонентом клетки является аминокислота цистин, которая входит в состав белка. Атомы серы в цистине находятся в виде тиоловой группы (-SH). К производным цистина относятся метионин, биотин, тиамин, глутатион и др. Источником серы для большинства микроорганизмов служит сульфатный ион ( −SO24− ), тиосульфатный ион ( −S2O32− ).

В процессе жизнедеятельности микроорганизмы восстанавливают серу до S2− . Некоторые микроорганизмы не восстанавливают сульфаты и нуждаются в восстановленной сере (как, например, сероводород и цистеин).

Влияние температуры. Проявление жизненной активности у микробов чаще всего протекает в интервалах температур от 0 до 80 0 С , а для огромного большинства бактерий – 3 до 45 0 С . (В последнее время открыты микробы, выдерживающие температуру выше 100 0 С .) По отношению к температуре микроорганизмы делятся на три группы:

1)психрофильные (холодолюбивые) бактерии, хорошо развивающиеся при температуре, близкой к нулю;

2)мезофильные, развивающиеся при средних температурах условиях от 5 до

40 0 С (оптимум 32 - 35 0 С );

63

3) термофильные бактерии (теплолюбивые) с минимумом около 40 0 С и оптимумом около 55 0 С (максимумом 8 0 С 0).

Напряженность биохимических процессов, как и химических, находится в прямой зависимости от температуры. При увеличении температуры 10 0 С скорость биохимических процессов увеличивается в 2 – 3 раза. Но отличие от химических процессов биологические требуют очень медленного изменения температуры, для того чтобы живые организмы моги «привыкнуть» (адаптироваться) к этим изменениям. Резкие изменения температуры могут вызвать гибель полезных микроорганизмов. При очень низких температурах многие микробы переходят в стадию скрытой жизненности (анабиоза), т.е. потенциально возможного возврата к активной жизни. Микробы выдерживают температуру -190 0 С , но перемежающиеся замораживание и оттаивание действуют на бактерии губительно. Как правило, высокая температура убивает большую часть микробов. Споры бактерий погибают при температуре 12 0 С 0 и давлении 1,5 атм в течение 20 – 40 мин.

Любое изменение температуры снижает активность микробов, которая лишь постепенно восстанавливается. Гибель микроорганизма при высокой температуре – результат тепловой инактивности РНК и повреждения цитоплазматической мембраны.

Отмирание микроорганизмов при замораживании с последующим оттаиванием объясняется превращением жидкой среды в лед и уходом воды из клетки, сто приводит к обезвоживанию организма, вызывающего его гибель.

Влияние света. Чувствительность микробов к свету различна. Для водорослей, пурпурных и зеленых бактерий, синтезирующих органическое вещество посредством ассимиляции углекислоты, свет – основное условие существования.

Известно, что в процессе фотосинтеза флора поверхностных слоев воды использует углерод из CO2 и выделяет в окружающую среду кислород. Поэтому

свет оказывает большое влияние на окислительные процессы.

На патогенную микрофлору свет действует губительно. Бактерицидное действие на нее оказывают ультрафиолетовые лучи. Причиной бактерицидности света является усилие окислительных процессов. Это явление сравнивают с выцветанием красок. Считают, что свет действует и на цитоплазму самих бактерий, вызывая в ней фотохимические процессы, приводящие к смерти.

По отношению к большинству сапрофитных бактерий рассеянный свет не оказывает отрицательного влияния.

Влияние активной реакции среды. Каждый микроорганизм может жить при определенной реакции среды. Влияние рН среды на активность микроорганизмов обусловлено взаимодействие ионов водорода с ферментами, находящимися в цитоплазматической мембране и в клеточной стенке. Изменение концентрации водородных ионов во внешней среде не сказывается

64

на концентрации их цитоплазма, так как цитоплазматическая мембрана непроницаема для ионов водорода и гидроксила.

Следовательно, изменение рН нарушает каталитическую деятельность эктоферментов и ферментов, находящихся в цитоплазматической мембране и в клеточной стенке.

Оптимум рН для большинства бактерий лежит около 7,0. Но некоторые микробы способны переносить отклонения от оптимума:

Оптимальные значения рН для

различных бактерий

Кишечная палочка . . . . 4,4 - 7,8 Нитритные бактерии . . . . 4,8 – 8,8 Нитратные бактерии . . . . 6,5 – 9,3 Серные бактерии . . . . . 1,0 – 4,0

Для патогенных форм, паразитирующих на животных, благоприятна среда с рН 7,2 – 7,4. Грибы и дрожжи лучшие растут в кислой среде при рН 4 – 6. Актиномицеты в целом предпочитают слабощелочные среды.

Значение рН среды влияет на рост и даже на морфологию микроорганизмов. Следовательно, при выращивании соответствующей микрофлоры следует учитывать активную реакцию среды.

6.3. Основные пути распространения инфекции

Инфекцией называется взаимодействие патогенных микробов с макроорганизмом в определенных условиях внешней среды, в результате которого может возникнуть инфекционная болезнь. (Патогенность – это потенциальная способность некоторых видов микроорганизмов вызывать инфекционный процесс.) Патогенные микробы характеризуются специфичность, т.е. каждый микроб способен вызвать определенный инфекционный процесс. Однако возможность возникновения и характер развития процесса, его тяжесть, продолжительность, исход в значительной мере зависят не столько от микроба, сколько от степени реактивности и сопротивляемости организма человека или животного. Патогенные микробы могут находиться в организме здорового человека, не вызывая развития заболевания. Доказано, что недоедание, действие холода, алкоголя, физическое переутомление и т.д. способствует возникновению инфекционного заболевания.

Многие патогенные микроорганизмы вырабатывают ферменты, способные разрушать ткани и клетки организма. В результате этого увеличивается проницаемость микроорганизмов в атакуемый организм.

Важнейшей особенностью патогенных микробов являются их токсичностью различают экзотоксины и эндотоксины. Экзотоксины – яды, которые легко диффундируют в окружающую среду. Эндотоксины прочно связаны с телом

65

микробной клетки и освобождаются только после ее отмирания. Действие экзотоксинов специфично, т.е. они поражают определенные органы тканей. Так, например, столбнячный экзотоксин вызывает поражение нервной системы, вследствие чего у больного наступает спазм мускулатуры, дифтерийный – поражение сердечнососудистой системы, надпочечников и т.д. Если микробные экзотоксины, являясь очень сильными ядами, губительно действуют на организм уже в очень малых дозах, то эндотоксины менее токсичны, не обладают строгой специфичностью, вызывают а организме общие признаки отравления: головную боль, слабость, одышку и т.д. Эндотоксины состоят из полисахаридов и липопротеидов, а экзотоксины имеют белковую природу.

Эпидемия (массовое заболевание людей) возникает при наличии эпидемической цепи, состоящей из трех звеньев: источника инфекции, путей передачи инфекции и восприимчивости населения к данному заболеванию. Источником инфекции может быть больной человек или животное и бациллоносители. Бациллоносителем является здоровый организм, которому микробы не причиняют вреда, но, развиваясь в нем, выделяются во внешнюю среду. Следовательно, бациллоноситель – это постоянный источник распространения инфекции.

Инфекционное заболевание передается через: 1) воду (при питье, купании, мытье посуды, мытье овощей, фруктов и т.п.); 2) пищевые продукты (колбаса, рыба, пирожные и др.), в которых микробы развиваются, усиливая свою токсичность; 3) при контакте здорового человека с больным (прямой – непосредственное соприкосновение с больным и непрямой контакт – через одежду, посуду, книги и т.д.); 4) воздух и 5) насекомых (вши, мухи, комары, клещи и т.д.)

Развитие эпидемии зависит от восприимчивости населения и животных к данному виду заболеваний. Условия жизни людей, их аккуратность, выполнение профилактических мер, выявление бациллоносителей – все это ограничивает распространения заболеваний.

Источники водоснабжения заряжаются патогенными микроорганизмами, как правило, в результате попадания в них бытовых сточных вод. Причиной этого заражения могут быть неисправность канализационных сооружений, расположенных вблизи источников водоснабжения.

Реки и озера заряжаются бытовыми сточными водами при непосредственном их спуске при просачивании через почву вместе с грунтовыми водами.

Колодезная вода может заряжаться через поверхностные стоки при обильных осадках.

Возникновение эпидемий необходимо предупреждать очисткой и обеззараживанием воды.

В борьбе с инфекциями большое значение имеет личная гигиена человека, особенно чистота рук, санитарное состояние жилищ, дворов и окружающей обстановки. Организм человека обладает рядом защитных свойств от попадания в него патогенных микробов.

67

Факельное загрязнение воды устанавливается по наличию в ней бактерий группы кишечной палочки с входящими в нее подгруппами Dacterium paracoli и Bacterium aerogenes. Показательные для фекального загрязнения организмы характеризуются следующими признаками: это аэробные, слабо подвижные, грамотрицательные, неспороносные палочки, не разжижающие желатину, образующие индол, свертывающие молоко, сбраживающие с образованием газов ( Н2 и CO2 ) глюкозу, лактозу, мальтозу, левулозу, арабинозу и манит и не

сбраживающие сахарозу. На среде Эндо эти бактерии образуют красные с золотистым металлическим блеском колонии, темно-красные и розовые с темным с темным центром.

В настоящее время санитарно-показательными бактериями свежего фекального загрязнения считаются все разновидности кишечных палочек, способные ферментировать с кислотой и сбраживать жидкую среду, содержащую глюкозу или манит, с выделением газов при t=43 0 С в течение 18 – 24 ч. Обязательному учету подлежат E. paracoli ввиду того, что они обнаруживаются обычно в испражнениях людей с кишечными инфекциями.

6.5. Распространение микробов в природе

Микрофлора воздуха. Воздух является плохой средой для развития организмов: в нем мало влаги, нет питательных веществ и губительно действуют на микробы прямые солнечные лучи. Микробы попадают в воздух вместо с пылью или с капельками жидкости (при чихании). Если оседает пыль, то ней оседают и микробы.

Микрофлора воздуха немногочисленная и случайна. Она зависит от микрофлоры почвы, над которой расположен исследуемый слой воздух.

Наибольшее количество микробов содержится в воздухе над городами, содержащем много пыли.

Наименьшее число бактерий приходится на зиму, а наибольшее – на лето. Зимой почва ограждена от воздуха снегом, а летом ветер, поднимая пыль, увлекает с ней в воздух и микробы.

Воздух закрытых помещений всегда богаче бактериями зимой, чем летом. Объясняется это тем, что человек зимой проводит большую часть времени в помещении.

Микрофлора почвы. Почва – самая подходящая среда для развития микроорганизмов. В ней они защищены от действия прямых солнечных лучей, обеспечены питательными веществами и достаточной влажностью. Поэтому все почвы Земного шара заселены микробами. Но заселенность их не везде одинакова: 1 г одних почв содержит до нескольких сот миллионов бактерий, а других – несколько десятков.

Заселенность микробами зависит от температуры, физико-химического состава почвы и ее влажности.

68

Самый населенный микробами слой почвы – около поверхности, в более глубоких слоях количество микробов сокращается, а также на самой поверхности почвы микробов меньше из-за действия прямых солнечных лучей.

По типу питания микробы, населяющие почву, относятся к автотрофным и гетеротрофным.

Микробы активно меняют состав почвы, изменяясь в то же время и сами. О количественной стороне этих изменений можно судить по тому, что только одна из групп почвенных бактерий (выделяющая двуокись углерода при разложении органического вещества) способна с поверхности одного гектара выделить в атмосферу 7500 м3 СО2 за год.

Микрофлора воды. Вода различных водоемов содержит достаточное количество питательных веществ, что является главным фактором, способствующим развитию микроорганизмов. Чем богаче она органическими веществами, тем большее количество микробов содержится в ней. Воды рек по течению выше городов всегда беднее бактериями, чем в самом городе и ниже его.

Определенная закономерность в распределении бактерий наблюдается в водоемах со стоячей водой (пруды, озера). В прибрежной зоне, непосредственно соприкасающейся с почвой, количество микробов всегда больше, чем в удаленных от берега местах. Наибольшее количество микробов приходится на глубину от 5 до 20 м.

Исследования показали, что в глубинных слоях воды не наблюдается прямой зависимости количества бактерий от наличия питательных веществ. Запасы пищи в воде значительно превышают фактически развивающуюся микрофлору.

Наибольшее количество бактерий приходится на период с мая по июль, хотя содержание питательных веществ в эти месяцы не является максимальным. Очевидно, это связано с температурными изменениями воды. Количество бактерий в воде резко возрастает в дождливую погоду и уменьшается в солнечную. Ил гораздо богаче бактериями, чем сама вода. Причем наиболее богат бактериями самый поверхностный слой ила, на нем образуется как бы пленка из бактерий, по-видимому, выполняющая весьма существенную функцию в жизни водоема. Особенно большую роль играют нитчатые серобактерии и железобактерии. Серобактерии окисляют сероводород в соли серной кислоты и этим предохраняют рыбу от гибели. Разрушение пленки при сильных волнениях приводит к массовому отравлению рыб.

На дне водоема происходят процессы брожения с образованием СН4 и СО2 .

В каждом грамме ила примерно содержится: а) от 100 тыс. до 1 млн. бактерий, восстанавливающих сульфаты; б) от 10 до 100 тыс. тионовых бактерий; в) около 1000 инфицирующих бактерий; г) от 10 до 100 тыс. денитрифицирующих бактерий; д) примерно по 100 анаэробных и аэробных разрушителей клетчатки.

69

Встречаются в иле бактерии, окисляющие метан и водород, возбудители брожения, анаэробный фиксатор атмосферного азота и др.

В воде представлены преимущественно бесспоровые виды бактерий (около 97%), а в иле главным образом спороносные (около 75%). Чем глубже залегает ил, тем больше в нем спороносных бактерий.

Широко распространены бактерии в водах морей и океанов. В 1 мл воды неглубогих озер содержится примерно 250000 бактерий. При толщине в 10 м на площади в 1км содержится более 1 т бактерий (при весе 1 млрд. бактерий 0,5

– 0,7 мг).

Микробное население воды играет важную роль при минерализации органического вещества в водоеме, кроме того, оно служит важным звеном в пищевой цепи населяющих водоем рыб.

Весьма богат микробами морской ил: 1г его содержит, по данным Буткевича, 367,4 × 106 бактерий, которые весят около 0,3 мг.

Бактерии встречаются даже в самых отдаленных от берега местах Ледовитого океана.

Подземные воды – воды артезианских колодцев и ключевые – содержат в 1 мл около десятка бактерий. Малое содержание микробов можно объяснить адсорбцией их на частицах почвы при прохождении воды через грунт.

Мало содержится бактерий в дождевой воде и в выпавшем снеге, особенно если в воздухе нет пыли (в 1 мл воды не более 10 бактерий). Но если осадки выпадают над пыльным городом, то в такой воде содержится до нескольких сотен бактерий в 1 мл.

6.6. Классификация водоемов по экологическому признаку

Экология – наука о взаимном отношении организма (животного или растительного) и окружающей среды.

В любом водоеме имеются весьма сложные биологические сообщества микроорганизмов. Каждой степени загрязненности воды органическими веществами соответствует определенная микрофлора и микрофауна. Отсюда возникает возможность для каждой степени загрязнения водоема (или зоны сапробности) установить показательные организмы, наличие которых в водоеме свидетельствует об определенном качестве воды, или по количеству микроорганизмов в водоеме можно установить степень загрязненности воды.

1. Зона сильнейшего загрязнения (полисапробная). В этой зоне протекают гнилостные процессы анаэробного типа, так как здесь вода богата остатками погибших растений и животных – белками, жирами, клетчаткой и продуктами их разложения. Здесь развиваются организмы, стойкие к повышенным дозам органического вещества, сероводорода, углекислоты и метана. Число бактерий – до миллиона в 1 мл.

2. Зона средней загрязненности (мезосапробная). В этой зоне наблюдается минерализация органического вещества с преобладанием