3. Екологія мікроорганізмів.

Вивченням зв'язку організмів між собою і з навколишнім середовищем займається екологія. Екологія мікроорганізмів досліджує лише окремі частини цілісних екологічних систем. Основною одиницею в екології є екосистема. До її складу вхо­дять як біотичні, так і абіотичні компоненти. Біотичні компо­ненти становлять спільність організмів, або біоценоз. При цьо­му йдеться, як правило, про популяції мікроорганізмів, причо­му популяції можуть складатися з одного чи кількох видів. Абіо­тичні компоненти — це фізико-хімічні умови екосистеми, в якій живуть організми. Приклади екосистем: озеро, коренева систе­ма рослин, рубець жуйної тварини, ротова порожнина людини та ін. Весь життєвий простір нашої планети — біосферу — мож­на розглядати як гігантську екосистему. З тією чи іншою екосистемою часто пов'язують поняття "навколишнє середовище". Це середовище підтримує взаємозв'язок певного організму (або попу­ляції) з біотичними та абіотичними компонентами екосистеми, які його (її) оточують.

У межах екосистеми для кожного виду можна описати місце існування. Це та ділянка або життєвий простір, в якій (якому) живе даний організм (індивідуум або популяція). На відміну від терміну "місце існування" поняття "екологічна ніша" відобра­жає не місце у просторі, а функцію певного виду або популяції у спільності організмів.

Всі мікроорганізми екосистеми можна поділити на дві кате­горії: автохтонні та алохтонні. Автохтонні мікроорганізми є типовими мешканцями даної екосистеми; вони присутні в ній завжди. Наявність алохтонних (зимогенних) мікроорганізмів залежить від випадкового підвищення концентрації поживних речовин або добавлення певних сполук.

Мікрофлора ґрунту.

Серед природних середовищ ґрунт краще забезпечує розвиток і життєдіяльність мікроорганізмів, і, разом з тим, найбільше змінюється під їхнім впливом. Кількість мікроорганізмів у різних ґрунтах коливається в широких межах. Так, 1 г чорнозему містить до 3 млрд. клітин, підзолу - від 300 млн. до 2 млрд., піщаних ґрунтів - до 100 тис клітин.

Ґрунти містять достатню кількість води, повітря та поживних речовин. У складі ґрунтів виділяють три фази: тверду, рідку і газо­подібну.

Тверда фаза утворена мінеральними та органічними речови­нами. На твердих частинках ґрунту зосереджені основні поживні речовини: гумус, органо-мінеральні колоїди, іони Са²⁺, Mg²⁺ тощо. Більшість ґрунтових мікроорганізмів адсорбується на поверхні частинок ґрунту, на органічних залишках та живих коренях рослин. Проте вони при цьому не утворюють суцільної плівки, а розміщені у вигляді колоній в окремих зонах.

Рідка фаза - ґрунтовий розчин, що заповнює капіляри ґрунту і утворює навколо твердих частинок плівки різної товщини. Вміст води у ґрунті визначає його аерацію. Великі маси води знижують аерацію ґрунту, сприяють розвитку анаеробних процесів. У складі ґрунтових розчинів виявлено мінеральні, органо-мінеральні та органічні речовини в молекулярно-розчиненому або колоїдному станах. Вміст цих речовин неоднаковий в ґрунтах різних типів і залежить від горизонту ґрунту та сезону року. Так, найбільша кількість органічних речовин виявлена в підзолах та болотяних ґрунтах; у чорноземі спів­відношення органічних та мінеральних речовин приблизно однакове; в каштанових ґрунтах та сіроземах більше мінеральних речовин, ніж органічних. Верхні шари ґрунту містять більше органічних речовин, ніж нижні.

На розвиток мікрофлори ґрунту суттєво впливають активна кислотність, осмотичний тиск ґрунтового розчину тощо.

Газоподібна фаза - повітря ґрунту, що становить 25-70% його загального об'єму. Повітря ґрунту відрізняється від атмосферного значним зростанням вмісту СО₂ (1,5-3,0% і вище проти 0,03% в атмосферному повітрі) і зменшенням кисню, що відбувається за рахунок мінералізації органічних речовин. Повітря ґрунту збагачене метаном, воднем, азотом, оксидами азоту та вуглецю, леткими органічними сполуками.

Отже, ґрунт - це динамічна, гетерогенна система, яка забезпечує для розвитку мікроорганізмів різні умови аерації, вологості рН, різну концентрацію поживних речовин тощо.

Ґрунт - не тільки середовище для існування мікроорганізмів, але й продукт їхньої життєдіяльності. Всі ґрунти нашої планети утворилися з материнських гірських порід внаслідок взаємодій двох процесів - вивітрювання та ґрунтоутворення.

Вивітрювання - початковий етап руйнування гірських порід при одночасній дії фізичних, хімічних та біологічних факторів. Важливу роль в деструкції мінералів відіграють нітрифікуючі та тіонові бактерії, гриби, актиноміцети. Для руйнування кристалічної решітки мінералів і переходу хімічних елементів у рухомий стан важливе значення мають ферментні системи цих мікроорганізмів і продукти їхньої життєдіяльності (органічні і мінеральні кислоти, хелатуючі агенти, слизи). Під впливом мікроорганізмів, фізичних та хімічних факторів гірська порода перетворюється у дрібнозем.

Паралельно з вивітрюванням проходять процеси ґрунтоутво­рення, в результаті яких формуються різні типи ґрунтів. Найваж­ливішими серед них є мінералізація рослинних і тваринних рештків, утворення гумусу та його руйнування.

Різноманітний за хімічним складом опад рослин мінералізують численні неспорові і спорові бактерії родів (Pseudomonas, Arthrobacter, Cytophaga, Mycobacterium, Bacillus, Clostridium та ін.), гриби родів (Penicillium, Fusarium, Mucor, Aspergillus та ін.), актиноміцети.

Швидкість руйнування залежить від хімічної будови речовини. Деструкція простих вуглеводів, білків, крохмалю здійснюється за короткий час. Найповільніше за усіх мінералізуються клітковина і лігнін.

Продукти розпаду органічних речовин (феноли, хінони, аро­матичні альдегіди, пептиди, амінокислоти, уронові кислоти тощо) використовуються мікроорганізмами у процесах синтезу гумусу (перегною), який є комплексом складних високомолекулярних сполук (гумусові кислоти, гуміни та прогумінові речовини). Нагромадження гумусу - довготривалий процес, і саме гумус забезпечує особливу властивість ґрунтів - родючість.

Завдяки особливостям хімічної структури і здатності утворю­вати комплекси з мінеральною частиною ґрунту гумус забезпечує його гідрофільні та іонообмінні властивості, зокрема фіксацію та вивільнення кальцію, заліза, фосфору, алюмінію та інших елементів. Гумус впливає на структуру ґрунту, його повітряний, водний та тепловий режими. Він служить джерелом енергії та поживних речовин для мікроорганізм і в деструкторі в гумусу. Мінералізація гумусу мікроорганізмами збагачує ґрунти на вуглець та азотовмісні сполуки, які засвоюються рослинами.

Здійснюючи різноманітні процеси у ґрунті, мікроорганізми взаємодіють між собою та з іншими живими організмами. У при­родних угрупованнях при взаємодії з рослинами і тваринами виникають певні трофічні та метаболічні зв'язки (симбіоз, антагонізм, коменсалізм, аменсалізм, паразитизм та хижацтво). У зоні коренів рослин (ризосфера) розвиваються азотфіксатори, амоніфікатори, а також патогенні бактерії. Багато мікроорганізмів продукує фітогормони, ауксини, цитокініни, деякі синтезують інгібітори росту рослин.

Складні симбіотичні зв'язки виникають між мікроорганізмами та безхребетними тваринами ґрунтів. Мікроби служать їжею для мікрофауни ґрунту.

Мікрофлора води.

Вода є природним середовищем для багатьох мікроорганізмів. Велика кількість їх знаходиться в прибережній зоні та на поверхні, менша - у віддаленні від берегів та на глибині. Чисельність мікроор­ганізмів у воді залежить від багатьох факторів: вмісту органічних речовин, швидкості течії води, температури навколишнього середовища, пори року, розташування і забрудненості водойми.

Найменше мікроорганізмів (10 клітин в 1 мл) містять підземні води. Незначна кількість їх виявлена у дощовій та сніговій воді. Вміст мікроорганізмів у річковій воді значно вищий: на глибині від 10 до 100 см нараховується від 60 тис до 10 млн клітин в 1 мл води. Такий же численний світ мікроорганізмів у водах озер.

Типовими представниками водної мікрофлори є зелені і пурпурні бактерії, залізобактерії, а також бактерії родів Pseudoraonas, Bacillus, Chromobacterium, Flavobacterium, Caulobacter, Spirillum та ін.

У прісноводних водоймах інтенсивно розвиваються ціанобак­терії родів Spirulina, Anabaean, Synechcystis та ін.

Масовий розвиток ціанобактерій у природних умовах викликає біологічне забруднення води, яке згубно впливає на екосистему водойм: змінюються колір, рН, в'язкість води, запах і прозорість, з'яв­ляються токсини і алергени. Зокрема, токсичні властивості виявлені у Microcybtis aeruginosa, Anabaena flosaquae, Oscillatoria aquardhii.

За рахунок інтенсивного росту ціанобактерій, біомаса яких в місцях "цвітіння" сягає 40-50 кг/м³, у воді значно зменшується вміст кисню. Це веде до загибелі риби та інших гідробіонтів.

У мікробоценозах прісноводних водойм, крім бактерій, виявлені водорості, дріжджі, плісеневі гриби, найпростіші.

За вмістом мікроорганізмів у водоймах виділяють три зони: полісапробну, мезосапробну та олігосапробну.

Полісапробна зона містить до кількох мільйонів мікробів в 1 м³, м води і велику кількість легкозасвоюваних органічних сполук. Мікробіологічні процеси в цій зоні відбуваються майже в анаеробних умовах і супроводжуються виділенням метану, меркаптанів, аміаку, сірководню.

У мезосапробній зоні менший вміст органічних речовин. В ній відбуваються процеси мінералізації, а також окиснення та нітри­фікації. Загальна чисельність мікроорганізмів в 1 мл води цієї зони не перевищує 1 млн. клітин.

Олігосапробну зону характеризують відсутність кишкової па­лички і зниження загальної кількості мікроорганізмів до декількох десятків чи сотень мікробних клітин в 1 мл води. У воді олігосапробної зони відбуваються процеси окиснення нітритів та заліза.

Мікроорганізми водойм беруть участь у формуванні мулу. Серед мікробного населення мулів переважають гетеротрофні орга­нізми, які акумулюють залізо та марганець, мікоплазми, стебельцеві та інші бактерії. У цій зоні виявлені пурпурні та зелені фототрофні бактерії, що утворюють над поверхнею мулу і гниючих рослинних решток рожеві або темне червоні плівки. Ріст пурпурних фотобак­терій тісно пов'язаний з розвитком сульфатредукуючих бактерій, які є основними продуцентами сірководню. Окиснення сірководню пур­пурними бактеріями сприяє очищенню водойм від цієї токсичної для багатьох гідробіонтів сполуки.

Більше як 70% поверхні нашої планети покриті водами Світового океану, в яких поширені бактерії родів Pseudomonas, Bacte­rium, Vibrio, Micrococcus, Sarcina, Mycobacterium, Actinomyces, Proactinomyces та дріжджі родів Torulopsis, Rhodotorula, Sporobolomyces і Debaryomyces.

Загальна чисельність мікроорганізмів в них змінюється в ши­роких межах, однак в її розподілі простежується чітка географічна зо­нальність, Найменша кількість бактерій виявлена в субарктичній об­ласті, найбільша - в екваторіально-тропічні й та субтропічній областях.

У морських та океанічних водоймах помірної зони бактерії є ос­новним джерелом живлення мікрозоопланктона. У забруднених во­доймах можуть існувати мікроби-антагоністи, фати, які сприяють біологічному очищенню води, а також патогенні бактерії - збудники лептоспірозу, сальмонельозу, туляремії, бруцельозу, дизентерії, холери та інших захворювань.

Для оцінки санітарно-гігієнічного стану водойм застосовують ряд показників, зокрема мікробне число, колі-титр та колі-індекс.

Мікробне число - кількість колоній, які виростають на чашці Петрі з м'ясо-пептонним агаром із 1 мл води при температурі 27°С впродовж 24 годин.

Колі-титр - найменший об'єм води в мілілітрах, в якому виявляється кишкова паличка.

Колі-індекс - кількість клітин кишкової палички в 1 л води.

Відповідно до цих показників підвищені вимоги ставляться до питної води. Мікробне число водопровідної води повинно бути не більше 100, колі-титр - не менше 300, колі-індекс – не більше 3. У зв'язку з цим в системах водопостачання передбачається обробка води хлором, озонуванням та інші способи зниження мікробної забрудненості.

Мікрофлора повітря.

Мікроорганізми повітря дуже різноманітні.

Загальна чисельність мікроорганізмів у повітрі коливається в широкому діапазоні - від декількох до багатьох десятків тисяч клітин в 1 м³. Так, у повітрі Арктики виявлено 2-3 клітини мікроорганізмів на 20 м³, тоді як у повітрі промислових центрів нараховують до де­кількох десятків тисяч мікробів у 1м³.

Основними джерелами надходження мікроорганізмів у повітря є ґрунти, водойми, поверхня рослин та інших живих істот. З висхідними течіями повітря на частинках пилу мікроорганізми можуть переноситись на великі відстані.

Склад мікроорганізмів повітря залежить від ступеня забруднення його мінеральними і органічними частинками, від температури, опадів, рельєфу місцевості, вологості та багатьох інших факторів.

У залежності від пори року кількість мікроорганізмів у повітрі змінюється. Якщо взяти її взимку за 1, то навесні вона складатиме 1,7, влітку - 2, а восени - 1,2.

У забрудненому повітрі вміст мікроорганізмів значно збільшу­ється, що обумовлено їх адсорбцією на поверхні частинок пилу: в 1 г пилу може бути до 1 млн. бактерій. Тому у повітрі над великими містами мікроорганізмів більше, ніж у сільській місцевості.

У повітрі лісів, особливо хвойних, мікроорганізмів дуже мало, на них згубно діють леткі речовини - фітонциди.

Надзвичайно чисте повітря над морями, у горах. Проте бактерії і гриби були знайдені навіть на висоті 70 км.

Численні аналізи зразків атмосферного повітря дозволили ідентифікувати у ньому до 1200 різних видів мікроорганізмів. Найпоширенішими є спорові бактерії роду Bacillus (B.subtilis, B.megaterium, B.cereus), пігментовані сапрофітні бактерії роду Micrococcns, сарцини, дріжджі, актиноміцети, плісеневі гриби, тобто мікроорганізми, стійкі до дії світла і висихання.

Мікроорганізмів, які б постійно жили у повітрі, не існує. Це обумовлено відсутністю у повітрі поживних речовин, мікробоцидною дією сонячних променів, високою або низькою температурою та іншими факторами.

У приміщеннях, у присутності хворих людей і тварин, у повітрі можуть знаходитися патогенні види мікроорганізмів: стафілококи, мікобактерії туберкульозу, бактерії туляремії, сальмонели, збудники дифтерії, сибірки, стрептококових, менінгококових та вірусних інфекцій.

Оскільки людина в середньому вдихає за добу 12-14 тис л по­вітря і при цьому майже 99% атмосферних мікроорганізмів затримується в дихальних шляхах, присутність патогенних форм у повітрі є небезпечною для здоров'я людей.

Для оцінки санітарно-гігієнічного стану повітря закритих примі­щень використовують мікробне число та число санітарно-показових бактерій.

Мікробне число - загальна кількість мікроорганізмів в 1 м³ по­вітря; число санітарно-показових бактерій - кількість гемолітичних стафілококів і стрептококів в 1 м³ повітря.

Для деяких приміщень (операційні, пологові будинки, дитячі установи та ін.) мікробне забруднення повітря має бути обмеженим. Так, загальна кількість мікроорганізмів в операційному відділенні перед початком операції не повинна перевищувати 500 в 1 м³ повітря, а після операції - 1000, патогенні ж стафілококи і стрептококи не повинні виявлятися в об'ємі 250 л повітря.

Для зниження кількості мікроорганізмів повітря обробляють ультрафіолетовими променями (довжина хвилі 2537), які виявляють сильну мікробоцидну дію. Цей метод широко використовується для стерилізації повітря в лікарнях, на заводах і в лабораторіях. Летальну дію на мікроорганізми повітря виявляють формалін, окис етилену, пропіленгліколь і триетиленгліколь. їх використовують для стерилі­зації повітря дуже забруднених приміщень, обладнання в мікробіо­логічній промисловості, космічних апаратів тощо.