Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Патогенные анаэробы рода Clostridium в ветеринарной медицине. Учебное пособие для студентов ветеринарного факультета.pdf
11
oedematiens и Cl septicum,— строгие анаэробы; другие, как, например, Cl.
bifermentans, Cl. histolyticum и Cl. welchii, менее требовательны и могут расти
в присутствии следов кислорода, Clostridium tetani, возбудитель столбняка,
широко распространен в почвах, хотя и не изобилует в них; это строгий
анаэроб, но он нетребователен в отношении источников пищи. При
обследовании 25 почв из Ротамстеда, Суффолка и Оксфордшира
численность спор клостридий колебалась. Только в шести из исследованных
5
участков почв содержалось более 10
спор на 1 г. Их численность, как
правило, была низкой возможно потому, что пробы почвы отбирали во время
долгого периода сухой погоды. Clostridium botulinum токсинообразующий
микроорганизм, очень важный для пищевой промышленности и здоровья
людей, не был обнаружен в какой-либо из этих 25 почв, но он может в какойто степени размножаться, если его инокулировать во влажную богатую
почву. Исследователи Гарсия и Мак-Кей изучали рост и выживание С.
septicum в почве и установили лишь ограниченный рост в опытах с почвами,
которые при влажности 60% от полной влагоемкости выдерживали в
атмосфере азота при 37°С. В стерильной черноземной почве с добавлением и
без добавления 1% глюкозы или навоза численность Cl. septicum была
наивысшей через семь дней; после этого она снижалась, и спустя 4 недели
численность бактерий во всех вариантах приближалась к той, что была в
начале опыта. Увеличение численности к седьмому дню не было большим —
удвоение достигалось внесением навоза или глюкозы и сопровождалось
снижением доли жизнеспособных спор до примерно 30% от общей их
численности в почвах с добавками. Спорообразование снова усиливалось
через две недели, и к 30-му дню доля спор приближалась к их доле в начале
опыта — около 70% (в стерильной почве). Аналогичные результаты
отмечены для свежей, нестерильной почвы. Наличие такого большого числа
спор позволяет делать выводы об активности этих организмов и их
способности быстро размножаться, когда условия становятся анаэробными.
Многие виды клостридий встречаются в кишечнике и в кале человека и
12
животных; здесь изобилуют CI. welchii и CI. sporogenes. Кроме того,
большинство их хорошо или оптимально растет при 37°С — температуре,
редко наблюдаемой в почве, за исключением ее поверхности, где аэрация и
сухость исключают их рост. Возможно, они приспособлены в первую
очередь к среде кишечника, но могут хорошо выживать и в почве. С другой
стороны, клостридий обнаруживают в почвах, далеких от людских обитаний
или районов. Таким образом, можно утверждать, что клостридий — это
действительно почвенные организмы и что их оптимальная температура
роста 37°С случайна. К тому же наша осведомленность о столь многих
клостридиях, способных расти оптимально при температуре человеческого
тела, может отражать склонности микробиологов, которые часто
культивируют микроорганизмы при температурах намного выше вероятных
в природе и, тем самым, невольно отбирают организмы, растущие при
высоких температурах. Это мнение подкрепляется при сравнении с родом
Bacillus - аэробными спорообразующими бактериями. В этом роде из 16
установленных почвенных видов семь растет оптимально или хорошо при
37°С, девять растет аналогичным образом при 30°С и пять видов хорошо
растет при обеих температурах. Эти аэробные формы, не являющиеся
типичными кишечными организмами, тем не менее растут при температурах,
более высоких, чем обычно наблюдаются в почвах. Рассмотренные выше
виды клостридий представляют особый интерес для медицины или
здравоохранения, но некоторые из них выполняют полезные функции в
почве.
- Так, Cl. sporogenes, протеолитическая бактерия, вероятно,
ответственна за разложение животных тканей в анаэробных условиях.
Способность к разложению белка обычна у упомянутых видов, но
имеются многие почвенные клостридий, у которых эта способность очень
ограниченна, зато они могут очень энергично сбраживать углеводы; эти виды
активно разлагают растительные остатки. Эти сахаролитические формы,
типичными представителями которых являются Cl. buiyricum и Cl.
13
раsteurianum, представляют особый интерес для почвенных микробиологов,
поскольку многие их штаммы способны фиксировать атмосферный азот.
- Клостридий, способные разлагать целлюлозу в анаэробных условиях,
широко распространены в почве, но они редко изобилуют, исключая случаи
со строгим и длительным анаэробиозом.
- Клостридий, разлагающие пектин, известны с давних времен по
процессу мочки льна. По данным Емцева и др., изучавших распределение
пектинолитических форм в различных почвенных типах СССР, некоторые из
этих форм фиксировали азот.
- Хитинолитические клостридии были выделены из прибрежной
морской тины , и они, вероятно, широко распространены в почвах, где хитин
встречается в остатках грибов и насекомых .
Азотофиксирующие клостридии.
Многие штаммы клостридий, разлагающие углеводы, особенно Cl.
pasteurianum, фиксируют атмосферный азот, если они обеспечены
сбраживаемыми источниками углерода и очень небольшим количеством
связанного азота. Хотя представители аэробного рода Azotobacter
эффективно фиксируют азот в культуре, они относительно редко
встречаются в почвах и таким образом не могут играть главной роли в
накоплении связанного азота. Азотфиксирующие клостридии более
распространены, и это обстоятельство и понимание, что фиксация азота —
это в сущности анаэробный процесс, оправдывает детальное рассмотрение
роли этих клостридий в почвенной экономике. Если раствор минеральных
солей с исключением азота (
MgS0
-7H20 в 1 л воды), содержащий немного мела, инокулировать свежей
4
например, 10 г глюкозы, 1 г К2НРО4, 0,2 г
почвой и поместить в термостат при 18—20°, пропуская через раствор
слабый поток азота, то через несколько дней начнется брожение. Из этой
накопительной культуры обычными методами, применяемыми при изучении
анаэробов, могут быть выделены азотфиксирующие клостридий, часто Сl.
pasteurianum. Эти клостридии нетрудно выращивать в таких накопительных
14
культурах, потому что богатый почвенный инокулят обеспечивает
важнейшие ростовые факторы и минералы, но при выделении чистых
культур эти незаменимые питательные вещества необходимо вносить
отдельно. Здесь требуются следовые количества железа и молибдена, потому
что это компоненты нитрогеназной системы (азотфиксирующего фермента).
Все клостридии нуждаются в органических факторах роста, которые для
азотфиксирующих форм легко обеспечиваются дрожжевой, почвенной или
картофельной вытяжкой. Виноградский в своем описании СL, pasteurianum
указывал на то обстоятельство, что клетки, в которых развиваются споры,
окрашиваются иодом в темно- бурый или фиолетово-бурый цвет. Это
свойство было использовано для микроскопической идентификации этого
организма, и оно служит основой для метода подсчета, разработанного
Дженсеном. Пользуясь этим методом, Мейклджон подсчитывал численность
азотфиксирующих клостридии в почвах делянок поля Бродбок на
Ротамстедской станции. Их численность колебалась от 10
3
клеток азотобактера было менее 10
(Однако этот метод, вероятно, завышает численность популяций азотфиксирующих
клостридии. Изучение пригодности различных жидких безазотистых сред для подсчета
этих анаэробов показал, что окрашивание иодом было ненадежной методикой. Больше
того, для почв Ротамстедской станции метод с картофелем обычно дает более
завышенные, иногда почти в 100 раз, оценки численности предполагаемых
азотфиксирующих анаэробов, чем параллельные оценки общей популяции клостридии,
включая все протеолитические типы, по методу Гиббса и Фриме - методу с известной
эффективностью для оценки численности клостридии в продуктах питания. Опыты с
чистыми культурами показали, что штаммы Сl, butyricum, часть которых фиксирует азот,
обычно затемняют среду Гиббса и Фриме , но что штаммы
Сl, pasteurianum осуществляют это далеко не всегда Несмотря на эти расхождения
в 1 г почвы.
3
до 105 в 1 г почвы;
в методах подсчета, мнение о том, что анаэробы — это активные фиксаторы азота в
почвах Бродбока и, вероятно, также и в других почвах, подкрепляется лабораторными
наблюдениями над фиксацией азота почвой из Бродбока, если ее инкубировать с соломой
в анаэробных условиях.)
Другие облигатные анаэробы (клостридии).
15
Две другие группы облигатных почвенных анаэробов —
сульфатредуцирующие и метанобразующие бактерии - заслуживают
особого упоминания в связи с их необычной физиологией и их
потенциальным значением при длительном анаэробиозе.
В отличие от факультативных анаэробов с нитратным дыханием
сульфатредуцирующие бактерии — это облигатные анаэробы и не имеют
никакого другого механизма обеспечения энергией. Эти организмы широко
распространены в природе и процветают в сырых или переувлажненных
почвах и в иле при отсутствии кислорода и при наличии сульфатов
(акцептора электронов) и органического вещества (источника или донора
электронов). Хотя сульфатредукторы изобилуют, когда условия для них
благоприятны, определены лишь немногие виды. Здесь имеется два рода:
бактерии, не образующие спор, отнесены к Desulfovibrio , а
спорообразующие — к Desulfotomaculum. Несмотря на полное сходство в
наличии сульфатного дыхания, между представителями этих родов имеются
большие различия; так, представители первого рода содержат цитохром с3 и
десульфовиридин в качестве компонентов дыхательной системы, тогда как
спорообразующие бактерии их не содержат, и между двумя этими группами
нет тесной антигенной связи.
Практическое значение сульфатредуцирующих бактерий заключается
в их способности продуцировать сульфиды, коррозирующие железные трубы
и другие структуры, находящиеся в анаэробной почве. Процесс коррозии
частично микробный и частично электролитический. Участки железных
предметов, где бактерии образуют сульфиды, становятся анодными по
отношению к частям структуры где нет сульфидов; тогда водород
накапливается на катодных участках, и, если он постоянно удаляется
микроорганизмами, способными окислять водород, будет происходить
коррозия железа. Бактериальное образование сульфидов может иметь также
и сельскохозяйственное значение, поскольку они могут быть токсичными для
корней растений.
16
Бактерии, образующие метан, требуют анаэробиоза по меньшей мере
столь же строгого, как и тот, в котором нуждаются организмы, разлагающие
целлюлозу В природных или окультуренных почвах могут образовываться
лишь небольшие количества метана. Выделение заметных количеств метана
возможно лишь при исключительных условиях, когда случайным образом
или вследствие неумелого обращения с почвой произошло накопление
слишком большого количества органического вещества в почве, склонной к
переувлажнению в результате замедленного дренирования. Метан может
также образовываться в почвах, покрытых толстым слоем жидкого навоза.
Практические выводы из этого тезиса:
а - производство газа метана в метанотенках (биореакторах) как
альтернативный источник альтернативного вида энергоносителя;
б - оттаиватие почв "вечной мерзлоты" способствует выделению
метана в больших количествах, чем его производят все технологии
придуманные человечеством.
Другие почвенные процессы.
Два других почвенных процесса, связанных с анаэробным
метаболизмом микроорганизмов, также заслуживают упоминания.
Первый касается образования этилена в концентрациях,
способных вызвать повреждения корней растений.
Установлено, что при инкубации почвы, увлажненной до полевой
влагоемкости, при комнатной температуре в герметически закрытых сосудах
в почвенном воздухе можно обнаружить этилен. Концентрация этилена
возрастала в течение трех дней и затем оставалась довольно постоянной на
уровне 1 мкл/л в одной почве и 10 мкл/л в двух других. Были обнаружены
следы других углеводородов, таких, как этан и пропан. Ряд
микроорганизмов, способных образовывать этилен в лабораторных
культурах, был указан Линчем; два изолята дрожжей и гриб Mucor hiemalis
образовывали большое количество этилена в чистых культурах.
17
Второй касается возможности разложение пестицидов связанные с
биологическим свойствами анаэробов.
Как правило, органические соединения быстрее и полнее разлагаются в
аэробных условиях, чем в анаэробных, но известен один случай, когда
пестицид, устойчивый к разложению в аэробных условиях, подвергается по
меньшей мере частичному разложению при недостатке кислорода. Гуэнзи и
Бирд установили, что после 12 недель инкубации почвы в анаэробных
условиях в ней удавалось обнаружить менее 1% дозы ДДТ, внесенной в эту
почву; в аналогичным образом обработанной аэробной почве после такого же
периода инкубации было обнаружено примерно 75% первоначальной дозы
ДДТ. Бердж установил, что ДДТ в анаэробных условиях в некоторой
степени превращался в ДДД. Этот процесс подавлялся автоклавированием,
но возобновлялся, после того как почву инокулировали небольшим
количеством нестерильной почвы. Анаэробное разложение ДДТ ускорялось
при добавлении глюкозы или растительных остатков. Процесс разложения
был крайне чувствителен к присутствию кислорода. Единственным
обнаруживаемым остаточным продуктом во всех случаях был ДДД, в
количествах, эквивалентных примерно 26% от первоначально внесенного
ДДТ. Никаких других продуктов разложения ДДТ не было обнаружено, что
могло бы объяснить отсутствие остальных 74% ДДТ .
Выводы раздела.
В данном разделе учебного пособия мы хотели продемонстрировать
взаимосвязь микроорганизмов различных областей научных исследований.
Вы нацелены на изучение патогенных бактерий вызывающих патологические
изменения в макроорганизме зачастую с летальным исходом. В тоже время
должны понять, что никто не берётся из ничего, у каждого патогенного
микроорганизмы есть предтеча существующая во внешнем мире и в условиях
биологической конкуренции за пищевые субстраты и адаптирующая к
изменяемым условия ареала своего существования. Выше приведённые
картинки по биологии анаэробов в почвенных условиях развития
18
иллюстрирует указанный тезис. Изучение анаэробных микроорганизмов в
почве выявляет большое разнообразие их типов и функций. Возможно,
некоторые из протеолитических клостридий вовсе не должны
рассматриваться как истинные почвенные формы. Они безусловно хорошо
развиваются в кишечном тракте, где удовлетворяются их требования к
оптимальной высокой температуре. Тем не менее они в какой-то степени
могут размножаться и в почве. Почвенная микробиология это огромный
раздел биологии нашей планеты. значительно боле обширный (по
показателям исследования) чем патологическая (клиническая)
микробиология. Эволюция бактерий к сожалению неизвестна. Попытки её
изучить опираясь на морфологию микроорганизмов, биологические свойства,
включая разделы по обмену веществ, структуру и функции генома и
нуклеиновых кислот не дала пока хорошо понятных и отвечающих на все
вопросы результатов.
Однако прейдем в основной теме нашего учебного пособия - часто
встречаемые патогенные анаэробы.
2. Клетка прокариот и её механизмы дыхания.
Как известно, атмосферный воздух содержит приблизительно 78 %
азота, 20 % кислорода и 0,03—0,09 % углекислого газа. Газообразный азот
используется только азотфиксирующими бактериями, СО2— единственный
источник углерода — утилизируется литотрофными бактериями. Кислород
играет очень важную роль в метаболизме большинства видов бактерий.
Дыхание бактерий — это сложный процесс, который сопровождается
выделением энергии, нужной микроорганизмам для синтеза разных
органических соединений
Процессы дыхания у бактерий являются длинной цепью
последовательных окислительно - восстановительных реакций с участием
многих ферментативних систем, которые осуществляют перенесение
электрона от системы с наибольшим негативным потенциалом к системе с
наибольшим позитивным потенциалом. При постепенном и дробному
19
высвобождении энергии дыхания и при промежуточном перенесении
водорода повышается активность реакции клетки. Биохимические
механизмы дыхание более подробное описано в учебниках биологической
химии.
Представление о дыхании как процесс биологического окисления
органических веществ кислородом испытало значительных изменений в
связи с открытием анаэробных бактерий, которые не могут существовать в
присутствии кислорода. Л. Пастер доказал, что энергия, нужная для
жизнедеятельности некоторых видов бактерий, образуется в процессе
брожения.
Все бактерии по типу дыхания разделяются на облигатные аэробы,
микроаэрофилы, факультативные анаэробы и облигатные анаэробы.
Аэробное дыхание микроорганизмов — это процесс, при котором
акцептором водорода (протонов и электронов) является молекулярный
кислород. В результате окисления, главным образом сложных органических
соединений, образуется энергия, которая выделяется во внешнию среду или
накапливается в макроэргических фосфатных связях АТФ.
Облигатные аэробы (возбудители туберкулеза, чумы, холеры) –
микроорганизмы, для оптимального роста которых необходимо 21 %
кислорода. В процессе дыхания аэробные бактерии окисляют разные
органические вещества (углеводы, белки, жиры, спирты, органические
кислоты и другие соединения). При полном окислении граммолекулы
глюкозы высвобождается определенное количество тепла, которое отвечает
запасу потенциальной энергии, которая была аккумулирована в молекуле
углевода при фотосинтезе его в зеленых растениях из углекислого газа и
воды. При неполном (частичному) аэробному окислении выделяется в
соответствии со степенью окисления меньше энергии. Наличие
облигатных анаэробов объясняет значительную приспосабливаемую живых
организов и полноту круговорота веществ в природе.
20
Анаэробное дыхание (возбудители столбняка, ботулизма, газовой
анаэробной инфекции, фузобактерии) осуществляется без участия
молекулярного кислорода. Как уже выше указывалось различают анаэробное
нитратное дыхание, анаэробное сульфатное дыхание и брожение. При
анаэробном дыхании акцептором водорода являются окисленные
неорганические соединения, которые легко отдают кислород и превращаются
в более восстановленные формы, что сопровождается выделением энергии.
1. Анаэробное нитратное дыхание — восстановление нитратов до
молекулярного азота
2. Анаэробное сульфатное дыхание — восстановление сульфатов до
сероводорода.
3. Брожение — расщепление органических углеродсодержащих
соединений в анаэробных условиях. Оно характеризуется тем, что последним
акцептором водорода служит молекула органического вещества с
ненасыщенными связями. Вещество при этом разлагается только до
промежуточных продуктов, представляющих собой сложные органические
соединения (спирты, органические кислоты). Заключенная в них энергия в
небольших количествах выделяется в окружающую среду. При брожении
энергии освобождается меньше. Например, при брожении глюкозы
освобождается в 24,5 раза меньше энергии, чем при ее аэробном окислении.
Все виды брожений до образования пировиноградной кислоты протекают
одинаково. Дальнейшее изменение пировиноградной кислоты зависит от
свойств микроба. Гомоферментативные молочнокислые бактерии
превращают ее в молочную кислоту, дрожжи — в этиловый спирт и т. д.
Анаэробные микроорганизмы находятся повсеместно там, где
происходит разложение органических веществ без доступа О
: в разных
2
слоях почвы, в прибрежном иле, в кучах навоза, в созревающем сыре и т. д.
Патогенные анаэробы относят преимущественно к клостридиям – это
многочисленная группа почвенных анаэробных бацилл, включающая 61 вид,
однако, только 12 из них патогенные.