1. Строение и жизнедеятельность бактерий

Бактерии, обширная группа одноклеточных микроорганизмов, характеризующихся отсутствием окруженного оболочкой клеточного ядра. Вместе с тем генетический материал бактерии (дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК) занимает в клетке вполне определенное место - зону, называемую нуклеотидом. Организмы с таким строением клеток называются прокариотами («доядерными») в отличие от всех остальных - эукариот («истинно ядерных»), ДНК которых находится в окруженном оболочкой ядре.

Бактерии, ранее считавшиеся микроскопическими растениями, сейчас выделены в самостоятельное царство Monera - одно из пяти в нынешней системе классификации наряду с растениями, животными, грибами и протистами.

Бактерии гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных. Толщина их. обычно составляет 0,5-2,0 мкм, а длина - 1,0-8,0 мкм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов (примерно 0,3 мкм), но известны и виды длиной более 10 мкм и шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий может превышать в длину 50 мкм. На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.

По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну - спириллы.

Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хромосомы - очень длинной кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной в одной точке к клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез. У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь - клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм - заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры - рибосомы, необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами. За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы - важные компоненты мембран эукариотической клетки.

Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода. Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают.

Многие бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной потере чувствительности. Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды - на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка - Fe3O4). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды.

Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую интенсивность стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или изменяют его.

1.1 Размножение и генетика

 

Бактерии размножаются бесполым путем: ДНК в их клетке реплицируется (удваивается), клетка делится надвое, и каждая дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК. Бактериальная ДНК может передаваться и между неделящимися клетками. При этом их слияния (как у эукариот) не происходит, число особей не увеличивается, и обычно в другую клетку переносится лишь небольшая часть генома (полного набора генов). Такой перенос ДНК может осуществляться тремя путями: при трансформации бактерия поглощает из окружающей среды не окруженную мембраной ДНК, попавшую туда при разрушении других бактерий или искусственно внесенную. Процесс называется трансформацией, поскольку на ранних стадиях его изучения основное внимание уделялось превращению (трансформации) таким путем безвредных организмов в вирулентные. Фрагменты ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии вирусами бактериофагами (процесс трансдукции). Известен также процесс, напоминающий оплодотворение и называемый конъюгацией: бактерии соединяются друг с другом временными трубчатыми выростами (копуляционными фимбриями), через которые происходит обмен ДНК.

1.2 Метаболизм

Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20 мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой молекулы требуются считанные минуты, а бактерии - секунды. Однако в естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится «на голодном пайке», поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а раз в несколько дней.

Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы («сами себя питающие») не нуждаются в веществах, произведенных другими организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они используют его диоксид (CO₂). Включая CO₂ и другие неорганические вещества, в частности аммиак (NH₃), нитраты (NO-₃) и различные соединения серы, в сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им биохимические продукты.

Гетеротрофы используют в качестве основного источника углерода (некоторым видам нужен и CO₂) органические (углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы, необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. Подавляющее большинство прокариот являются гетеротрофными.

Фототрофные бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов, в зависимости от того, какие соединения - органические или неорганические - служат для них главным источником углерода. Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H₂O). При этом выделяется свободный кислород и образуется водород. У зеленых и пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H₂S). В результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным. Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют световую энергию для получения водорода из органических веществ, в частности изопропанола, но его источником у них может служить и газообразный H₂.

Бактерии, получающие энергию за счет окисления химических соединений имеют название «хемогетеротрофы» или «хемоавтотрофами», в зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода - органические или неорганические.

У первых органика дает как энергию, так и углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ, например водорода до воды, железа Fe²⁺+ до Fe³⁺ или серы (2S + 3O₂ + 2H2O 2SO4^2- + 4H⁺), а углерод - из СO₂. Эти организмы называют также хемолитотрофами.

1.3 Дыхание

 

Клеточное дыхание - процесс высвобождения химической энергии, запасенной в питательных молекулах, для ее дальнейшего использования в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным. В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н. электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к кислороду вместе с ионами водорода - образуется вода.

Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой группы он даже ядовит. Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны присоединяются к другим неорганическим акцепторам, например нитрату, сульфату или карбонату, или (при одной из форм такого дыхания - брожении) к определенной органической молекуле, в частности к глюкозе

 

2. Микроорганизмы как индикаторы загрязнения водоемов и водотоков

 

Микробные популяции могут рассматриваться как индикаторы физико-химических и биологических процессов, а группы микроорганизмов, откликающиеся на загрязнение изменением своих физиологических свойств и численности, называют индикаторными. Благодаря малым размерам бактерии имеют большую относительную поверхность контакта с водной средой и способны скорее реагировать на ее загрязнение, чем более высокоорганизованные организмы. Высокие скорости роста и размножения бактерий дают возможность в короткий срок проследить за действием любого экологического фактора на протяжении десятков и даже сотен поколений. В отличие от водных растений и животных микроорганизмы используют в качестве индикаторов не так давно.

В разложении (деструкции) того или иного субстрата принимают участие разные виды микроорганизмов, входящих в состав сообщества, объединенных только этой функцией и составляющих понятие эколого-трофической индикаторной группы. Биологическая целесообразность появления индикаторных видов определяется их особым назначением: они заполняют «бреши» в биоценозах, образовавшиеся в результате негативного антропогенного воздействия и помогают их восстановлению, участвуя, таким образом, в сохранении устойчивости водных экосистем. Исключительно важную роль в этом играют водные автохтонные микроорганизмы.

Микроорганизмы, благодаря физиологическим и генетическим особенностям, быстро реагируют на изменение качества среды и действие стрессовых факторов [2]. На уровне организмов адаптация реализуется за счет включения одного или нескольких механизмов индивидуальной резистентности. Микроорганизмы - наиболее пластичный и реактивный компонент биоценозов. Они способны утилизировать все имеющиеся в природе органические вещества. Причем необходимые для этого ферменты являются индуцибельными, т.е. синтезируются в их клетках по мере необходимости (присутствие соответствующего субстрата в среде). Благодаря этому микроорганизмы быстро реагируют на появление в среде новых химических соединений природного либо антропогенного происхождения. В зависимости от загрязнения водной среды выделяют бактерии - индикаторы биологического, фекального и техногенного загрязнения (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема микробиологического исследования воды из природных источников

Численность бактерий может служить надежным индикатором органического загрязнения водных экосистем, а методы микробной индикации являются удобным инструментом для мониторинговых работ и позволяют оперативно охарактеризовать экологическую ситуацию в прибрежных водах. Микробиологические показатели позволяют охарактеризовать качество природных вод: уровень их трофности, состояние загрязнения и биодеграционный потенциал воды в отношении органических загрязняющих веществ.

Конкурентная активация сапрофитной микрофлоры приводит к быстрому разложению органических веществ, уменьшению численности бактерий различных видов, особенно фекального происхождения. Способность к самоочищению обусловлена присутствием в воде постоянных видов микроорганизмов, входящих в конкретный биоценоз. Однако количественные и качественные соотношения в биоценозах нестойки и изменяются под действием различных факторов, т.е. меняются по сапробности. Термин «сапробность» (греч. sapros - гнилой) обозначает комплекс особенностей водоёма, в том числе состав и количество микроорганизмов в воде, содержащей органические и неорганические вещества в определённых концентрациях. Процессы самоочищения воды в водоёмах происходят последовательно и непрерывно, с постепенной сменой биоценозов. Различают полисапробные, мезосапробные и олигосапробные зоны.

Полисапробные зоны (зоны сильного загрязнения). Содержат большое количество легко разлагающихся органических веществ и почти полностью лишены кислорода. Микробный биоценоз подобных зон особенно обилен, но видовой состав ограничен анаэробными бактериями, грибами, актиномицетами. Количество бактерий (ОМЧ) в 1 мл воды в полисапробной зоне достигает миллиона и более.

Мезосапробные зоны (зоны умеренного загрязнения). Характеризуются доминированием окислительных и нитрификационных процессов. Качественный состав разнообразен. В основном это нитрифицирующие, облигатно аэробные бактерии, также виды Clostridium, Pseudomonas, Mycobacterium, Flavobacterium, Streptomyces, Candida и др. Общее количество микроорганизмов сотни тысяч в 1 мл.

Олигосапробные зоны (зоны чистой воды). Характеризуются окончившимся процессом самоочищения, небольшим содержанием органических соединений и окончанием процесса минерализации. Вода отличается высокой степенью чистоты. Количество бактерий от 10 до 1000 в 1 мл воды.

Патогенные микроорганизмы, попадающие в водоёмы, достаточно обильны в полисапробных зонах, постепенно отмирают в мезосапробных и практически не обнаруживаются в олигосапробных зонах.

Характер микрофлоры водоемов определяет особенности конкретной водной среды. Микрофлору водоемов образуют 2 группы: автохтонные (или водные) и аллохтонные (попадающую извне при загрязнении различных источников) микроорганизмы.

Автохтонная микрофлора - совокупность микроорганизмов, постоянно живущих и размножающихся в воде. Как правило, микробный состав воды напоминает микрофлору почвы, с которой та соприкасается. То есть большинство водных микроорганизмов также является распространенными обитателями почв.

В состав специфической водной микрофлоры входят Micrococcuscandican, M. roseus, Sarcinalutea, Bacteriumaquatiliscommunis, Pseudomonasfluorescens, различные виды Proteus и Leptospira. Среди анаэробов в незагрязненных водоемах более или менее часто выделяют Bacilluscereus, B. mycoides, Chromobacteriumviolaceum, виды Clostridium.

Количественные соотношения микроорганизмов в открытых водоемах варьируют в широких пределах, что зависит от вида водоема, степени его загрязнения, смены метеорологических условий, сезона.

Микроорганизмы воды играют значительную роль в круговороте веществ, расщепляя органические отходы, клетчатку и обеспечивая питательными веществами другие организмы, живущие в воде.

Воды поверхностных водоёмов открыты для всех видов контаминации. Со сточными, ливневыми, талыми водами в водоёмы попадают многие виды микроорганизмов, резко изменяющих микробный биоценоз и санитарный режим. Основной путь микробного загрязнения - попадание неочищенных городских отходов и сточных вод.

2.1 Техногенное загрязнение

Нефтеокисляющие микроорганизмы. Частично появление нефтеуглеводородов (НУ) связано с природными процессами, но их концентрация увеличивается во многих береговых экосистемах, как прямое следствие деятельности человека. Микробные сообщества могут трансформировать НУ в промежуточные метаболиты или минерализовать в диоксид углерода и воду. Уровень и протяженность деградации зависит от физико-химических свойств индивидуальных составляющих НУ и их взаимодействия с живыми и неживыми компонентами береговой экосистемы.

Нефтеокисляющая микрофлора разнообразна, представлена как бактериями, самой многочисленной по генофонду группой, так и грибами, и отличается по активности в разложении нефти и ее углеводородов. Среди нефтеокисляющих бактерий с высокой активностью можно выделить грамположительные коринеформные бактерии (Mycobacterium, Nocardia, Corynebacterium, Arthrobacter и др.), представителей рода Pseudomonas, Acinetobacter, Alcaligenes. Что касается нефтеокисляющих дрожжей, приуроченных, главным образом, к поверхностным слоям вод, то большинство их относится к родам Candida, Rhotorula и Trichosporon, реже активны представители родов Debaryomyces, Endomyces, Pichia, Torulopsis. Дрожжи окисляют в основном парафиновую фракцию нефти. В морских и пресноводных экосистемах встречаются практически одинаковые представители, разлагающие углеводороды нефти.

Окисление ароматических углеводородов не является свойством рода или вида микроорганизмов, это штаммовый признак. Так, на фоне общего угнетающего действия токсиканта появляются штаммы, способные его расщеплять, которые, вероятно, являются естественными мутантами. Если парафины - субстрат, легко окисляемый нормальными микроорганизмами биоценоза, то ароматические углеводороды окисляются, скорее всего, мутантами, а вовлечение их в круговорот является сложным и угнетающим для микробиоценоза процессом.

Высокая численность фенолокисляющих бактерий может быть связана с деятельностью расположенных на берегу промышленных и портовых комплексов, которые оказывают непосредственное влияние на загрязнение вод фенолами. В урбанизированных районах прибрежная морская среда почти повсеместно загрязнена разнообразными соединениями фенольной природы, такими как моно- и дифенилы, бифенилы, а также их галогенпроизводными, в том числе пестицидами.

Одним из главных источников фенольного загрязнения прибрежной зоны моря зачастую являются лесоперерабатывающие предприятия - фанерные, целлюлозно-бумажные, где основными компонентами сточных вод являются фенол, пирагаллол, ксиленолы, крезолы и т.д. Фенолы в значительном количестве содержатся в каменноугольной смоле и образуются при распаде нефтепродуктов. Фенолы широко используются в промышленности для получения смол, полиамидов, поверхностно-активных веществ, антиоксидантов. В связи с резко возрастающим влиянием бытовых стоков на качество прибрежной среды особое негативное влияние имеют фекальные стеролы. Эти соединения даже в незначительных концентрациях могут вызывать сильные токсические эффекты или гибель морских организмов.

Большое скопление водных растений также является источником естественного метаболитного фенола, поступающего в среду. Уровень чувствительности разных организмов к фенольным соединениям неодинаков. Даже близкородственные особи могут очень отличаться по своей реакции на один и тот же токсикант. Особенно чувствительны к фенольному загрязнению нейстонные организмы, к которым относятся многие популяции морских организмов на ранних стадиях онтогенеза, а также обильное микробное население, играющее важную роль в трансформации органических соединений. Известно, что морская среда самоочищается от фенольного загрязнения. Наиболее активными и часто единственными деструкторами фенола являются микроорганизмы, которые одновременно могут служить индикаторами присутствия данного поллютанта в море. Состав фенолустойчивых бактериальных сообществ морской воды и донных осадков близок к составу микрофлоры активных илов очистных сооружений, адаптированной к продукту дегродации фенола - пирокатехину.

Попадание фенола в водную среду ведет к быстрому формированию в местах сбросов высокоустойчивого бактериального сообщества в воде и донных осадках. В работах Л.М. Кондратьевой и Е.А. Каретниковой [3] показано, что численность фенолрезистентных бактерий является индикатором загрязнения водных экосистем фенольными соединениями различного происхождения, однако не может служить критерием самоочищающей способности водных экосистем.

Методы микробной индикации дают возможность выявить и контролировать появление фенолов в морской среде гораздо раньше, чем происходят необратимые токсические эффекты у гидробионтов.

В качестве микроорганизмов-индикаторов фенолсодержащих вод используются грибы Aspergillus, Penicillium .

Для микробиологических показателей не существует предельно допустимых концентраций, как в химических экологических методах. Но, для того, чтобы дать оценку полученному результату, необходимо сравнивать данные, полученные для исследуемого района, с данными контрольного район а (заранее выбранный фоновый, чистый район для сравнительного исследования). Как правило, если нет источника поступления нефти в среду, нет и микроорганизмов, расщепляющих этот субстрат.

Наличие фенол- и углеводородокисляющих бактерий в количествах, превышающих 102-103 клеток/мл, указывает на ту или иную степень загрязнения этими веществами.

2.2 Металлоустойчивые микроорганизмы

Извлечение металлов из окружающей среды осуществляется бактериями, плесенью, микроскопическими водорослями, обитающие в почве, пресноводных водоемах и морской воде. Плесневые грибы аспергиллы содержат до 0,3% меди - в 30 000 раз больше, чем в окружающей среде. Многие микроорганизмы в больших количествах накапливают уран: пресноводная микроводоросль хлорелла - до 0,4% сухой массы, актиномицеты - до 4,5%, денитрифицирующие бактерии - 14%, а специально отобранные культуры дрожжей или псевдомонад - до 50% [3].

Тяжелые металлы даже в ничтожных концентрациях ядовиты. Проникая в живые клетки, они нарушают их жизнедеятельность, но свое токсическое действие тяжелые металлы проявляют только в виде ионов. Если же их тем или иным способом перевести в связанную форму, то они лишаются токсических свойств. Установлено, что недиссоциированные соли и ионы, образующие комплексы, обычно менее токсичны, чем свободные ионы в тех же концентрациях. Таким образом, металл, отложенный в клеточной стенке в кристаллическом виде или в виде плохо растворимых соединений, оказывается безвредным для микроба.

Тяжелые металлы играют двоякую роль в процессах жизнедеятельности организмов. Mg, Cu, Ni, Zn - важные микроэлементы. Cd, Pb, Sn, Ag, Hg - токсичны. При высокой концентрации все металлы вредны для организма, так как они способны:

. Изменять конформацию и структуру нуклеиновых кислот, белка,

. Ингибировать активность ферментов;

. Влиять на осмотический баланс клетки;

. Влиять на энергетический баланс клетки.

Известны два пути поступления тяжелых металлов в клетку микроорганизма: неспецифический транспорт по градиенту концентрации и специфический транспорт белка с АТФ. У микроорганизмов существуют специальные механизмы для предотвращения токсического воздействия металлов:

. Активное выведение или выброс металла из клетки.

. Снижение поступления металла за счет изменения проницаемости клеточной мембраны. Нарушение синтеза белка порина.

. Внутриклеточное связывание токсичных металлов, их детоксикация.

. Внутриклеточная изоляция металлов за счет капсулы.

Для выделения металлоустойчивых микроорганизмов определяют спектр металлов необходимых для эксперимента : Cd, Pb и Ni маркеры техногенного воздействия; Cu и Zn - комплексного антропогенного действия; Fe - терригенного влияния; Co и Cs - как маркеры возможного радиоактивного загрязнения. В качестве селективных добавок, ингибирующих рост чувствительных форм бактерий, используются растворимые соли металлов - хлориды Cu, Cd, Co, Cs, Ni, Zn, Fe и нитрат Pb.

Уровень индивидуальной устойчивости бактериальных штаммов к ионам тяжелых металлов оценивают на основе определения минимальной ингибирующей концентрации (МИК) соли каждого металла. МИК определяют как наименьшую концентрацию токсиканта в среде, которая при определенных условиях полностью ингибирует рост бактерий [4]

2.3 Коммунально-бытовое загрязнение

 

Санитарно-показательные микроорганизмы (СПМ) - такие микроорганизмы, которые постоянно обитают в организме человека (животных) и постоянно выделяются во внешнюю среду.

Санитарно-показательные микроорганизмы:

. Бактерии группы кишечных палочек (БГКП);

. Энтерококки;

. Протей;

. Сульфитредуцирующие клостридии;

Наиболее важными показателями фекального загрязнения во всем мире признаются бактерии группы кишечной палочки (БГКП). Под этим общим понятием объединяют бактерии семейства Enterobacteriaceae, родов Citrobacter, Enterobacter, Serratia, Klebsiella. Следует отметить, что понятие БГКП - утилитарное (санитарно-бактериологическое и экологическое), но не таксономическое. К категории БГКП относят грамотрицательные, не образующие спор и не обладающие оксидазной активностью палочки, ферментирующие лактозу и глюкозу до кислоты и газа при температуре   в течение 24 ч. Эти бактерии выделяются в окружающую среду только с испражнениями человека и теплокровных животных.

По способности расщеплять лактозу при температуре  С БГКП делят на лактозоотрицателъные и лактозоположительные кишечные палочки (ЛКП), или колиформные. Из группы ЛКП выделяются фекальные кишечные палочки (ФКП), способные ферментировать лактозу при температуре 44,50C. К ним относится Е. coli, не растущая на цитратной среде. Эти бактерии являются показателями свежего фекального загрязнения.

Род Escherichia, включающий типовой вид Е. coli, показатель хронического фекального загрязнения. Для идентификации используют биохимические тесты, учитывая способность к ферментации лактозы при температуре 44,50C и отсутствие роста на цитратсодержащих средах. Представителей рода, находящихся в воде, трактуют как термотолерантные колиформные бактерии, в лечебных грязях - как фекальные колиформные бактерии. На среде Эндо образуют, как правило, колонии с металлическим блеском.

ЛКП термотолерантные колиформные бактерии входят в группу колиформных организмов, обладают всеми признаками бактерий семейства Enterobacteriaceae, но они способны ферментировать лактозу до кислоты и газа при температуре 44° C в течение 24 ч. и оказывают существенное влияние на качество воды. Они содержат также род Escherichia (E.сoli), Klebsiella, Enterobacter и Citrobacter. Общее количество термотолерантных колиформ обычно прямо пропорционально концентрации E.сoli, но полное обнаружение E.сoli слишком сложный и рутинный процесс. Таким образом, термотолерантные бактерии являются хорошим индикатором загрязнения воды.

Энтерококки. К показателям фекального загрязнения относят, помимо БГКП, энтерококки (разновидность S.faecalis), клостридии (С. perfringens), бактерии Рода Proteus и колифаги. Поскольку энтерококки выживают во внешней среде относительно недолго, их обнаружение, как и обнаружение Е. coli, служит показателем свежего фекального загрязнения.

В настоящее время энтерококкометрия узаконена в международном стандарте на воду, как показатель свежего фекального загрязнения. При обнаружении в воде атипичных кишечных палочек присутствие энтерококков становится главным показателем свежего фекального загрязнения.

В открытых водоёмах определяют соотношение ФКП/ФЭ, где ФКП - фекальная кишечная палочка, а ФЭ - фекальные энтерококки. При значении ФКП/ФЭ = 5-10 подозревают сброс в водоём нехлорированных сточных вод. Если показатель находится в пределах 0,1-1, хлорирование сточных вод достаточное, так как ФЭ в 4 раза устойчивее к хлору, чем кишечная палочка.

Протей. В настоящее время показано, что бактерии рода Proteus встречаются в 98% случаев в выделениях кишечника человека и животных, из них в 82% случаев - P. mirabilis. Обнаружение протея в воде и продуктах указывает на загрязнение объектов разлагающимися субстратами и свидетельствует о крайнем санитарном неблагополучии. Протеометрия воды официально признана в США.

Клостридии. Clostridiumperfringens длительно сохраняется во внешней среде за счёт спорообразования, поэтому не свидетельствует о свежем фекальном загрязнении; С. Perfringens может служить косвенным показателем наличия в воде энтеровирусов. Для прорастания спор клостридий необходим температурный шок (прогревание при температуре +750С в течение 15-20 мин).

Определение титра этого СПМ рекомендовано при текущем санитарном надзоре за состоянием территории. Тесты на обнаружение сульфитредуцирующих клостридий в воде предусматривают стандарты России, США и других стран.

Биогенное загрязнение. Основная масса организмов Мирового океана сосредоточена у берегов, преимущественно в зоне морских побережий - прибрежное «сгущение жизни», по В.И. Вернадскому. В водной среде содержится большое количество мелких частиц органического вещества - детрита (от лат. detritus - истертый), образованного из отмирающих растений и животных. Массы этих частиц оседают на бактериях и благодаря выделяющемуся в результате бактериального разложения газу постоянно находятся в толще воды во взвешенном состоянии.

Известно, что из сбрасываемых загрязняющих веществ наибольший суммарный ущерб биоресурсам наносят соединения, не обладающие специфическими токсическими свойствами, - органические вещества, неорганические биогенные компоненты (соединения фосфора и азота) и жиры [5]. На минерализацию органических веществ, особенно жиров, требуется большое количество кислорода. Обилие биогенных элементов вызывает эвтрофикацию и также потребление кислорода на разложение отмирающего фитопланктона.

С использованием синтетических моющих средств, а также с применением эмульгаторов и пестицидов связано поступление полифосфатов в среду. Полифосфаты легко разлагаются и их концентрации в воде быстро снижаются. Появление органических фосфатов в природных водах обусловлено процессами жизнедеятельности и посмертного распада водных организмов, а также хозяйственно-бытовыми стоками и стоками от животноводческих ферм. Избыточное поступление фосфатов в прибрежные воды сопровождается «цветением» планктонных водорослей, в том числе сине-зеленых, на разложение которых расходуется растворенный кислород. Кроме того, прижизненные и посмертные выделения сине-зеленых водорослей загрязняют воду токсичными веществами, что угнетающе действует на экосистемы, вызывает гибель многих гидробионтов и, в конце концов, пагубно влияет на здоровье человека. Обычно максимальные концентрации органических и минеральных веществ в водоемах наблюдаются ранней весной, что связано с поверхностным смывом с суши и поступлением их из донных отложений. С повышением температуры воды и развитием продукционных процессов наблюдается увеличение концентраций органического вещества.

Известно, что чрезвычайно важную роль в начальных этапах расщепления органических субстратов, в круговороте биогенных элементов играют микроорганизмы, выделяющие в среду гидролитические ферменты (Заварзин, Колотилова, 2001). В средах, загрязненных органическими веществами, возрастает количество микрофлоры, утилизирующей соответствующие субстраты, и численность этих микроорганизмов может быть показателем степени органического загрязнения среды (Исследования экосистем, 1992).

Амилолитические бактерии являются индикаторами присутствия в водной среде полисахаридов. Способность к расщеплению крахмала при помощи амилолитических экзоферментов распространена у многих микроорганизмов очень широко. Многие почвенные грибы - активные продуценты амилазы. Среди бактерий к активным продуцентам амилаз относят некоторые бациллы (Bacillusmacerans, B. subtilis), псевдомонады и различные виды стрептомицетов [5].

Микроорганизмы протеолитики являются индикаторами присутствия в водной среде веществ белковой природы: казеина, желатина, коллагена и т.д. Способностью расщеплять пептиды и белки обладают ряд микроорганизмов: Протеолитические бактерии (бактероиды, протей, эшерихии, клостридии и др.) используют в качестве питательного субстрата белок и продукты его гидролиза, вызывая гнилостные процессы, конечными метаболитами которых являются аммиак, ароматические аминокислоты, эндогенные канцерогены, сульфиды и др.

Микроорганизмы, обладающие высокой гидролитической активностью в отношении разрушения органических веществ природного и антропогенного характера, играют важную роль в самоочищении среды[4]. Высокой гидролитической активностью при биогенном загрязнении обладают цианобактерии.

бактерия индикация почва микроорганизм

3. Микробиологическое исследование почвы

Почва представляет собой наиболее насыщенный микроорганизмами биотоп, отличающийся стабильностью состава микрофлоры. На формирование микробных почвенных биоценозов, имеющих в том числе и санитарное значение, на их качественный и количественный состав влияет множество факторов:

. Тип почвы и степень её окультуренности. Чем она выше, тем больше общая микробная обсеменённость. Соответственно, исходный «нормальный» показатель ОМЧ для разных почв различен.

. Физико-химические свойства почвы: структурированность, аэрация, влажность, водопроницаемость, наличие свободного и связанного кислорода.

. Возраст, географическое расположение почвы. В направлении с юга на север содержание органических веществ в ней, а соответственно, и микроорганизмов уменьшается.

. Климатические условия и сезонность. Весной в почве преобладают анаэробные, летом - спорообразующие бактерии. К концу лета увеличивается содержание актиномицетов, усваивающих органические вещества, не утилизированные бактериями. Биологическая активность всех почвенных микроорганизмов увеличивается осенью и заметно снижается в зимний период.

. Глубина почвенного слоя. В толще почвы выделяют три основных горизонта: А (0-10 см), В (10-20 см) и С (20-30 см). На поверхности и в горизонте А микроорганизмов мало вследствие низкой влажности и микробицидного действия прямого солнечного света. В необработанной почве горизонта А их содержание наиболее велико на глубине 5-10 см (то есть в зоне, пограничной с горизонтом В). В обработанной почве микроорганизмов особенно много на границе горизонтов В и С. На глубине 1 м выделяют единичные микроорганизмы. Виды, выделяемые на глубине 4 м и более, рассматривают не как почвенные, а как имеющие геологическое значение.

3.1 Цели микробиологического исследования почвы. Анализ почвы

 

Цели микробиологического исследования почвы следующие.

. Санитарная оценка почвы населённых пунктов и новых участков дли заселения, размещения санаториев, детских лагерей, дошкольных детских учреждений, водохранилищ и т.д.

. Решение вопросов водоснабжения, канализации и очистки населённых пунктов.

. Санитарная оценка почвы, загрязнённой химическими веществами.

.Контроль процессов самоочищения почвы, подвергшейся биологическому загрязнению.

. Эпидемиологическое обследование почвы для выяснения путей её заражения. Проводят индикацию и идентификацию патогенных микроорганизмов, в распространении которых почва играет значительную роль - сальмонелл, шигелл, патогенных клостридий и палочек сибирской язвы. Исследование также включает проведение санитарно-вирусологического исследования почвы. Санитарно-микробиологическое исследование почвы в зависимости от целей исследования предполагает краткий и полный анализ. Отбор проб производят с квадратного участка (не менее 5x5 м). Образцы забирают с глубины 20-30 см из каждого угла и центра квадрата. Объём образцов 1 кг. Краткий санитарно-микробиологический анализ предусматривает определение ОМЧ, титров БГКП, энтерококков, Clostridium perfringens, термофильных бактерий, нитрифицирующих бактерий. Полученные показатели указывают на наличие и степень фекального загрязнения. По ним можно определить также и состояние процессов самоочищения почвы от патогенных энтеробактерий и органического загрязнения. Краткий анализ почвы осуществляют при проведении текущего санитарного надзора за состоянием почвы. Полный санитарно-микробиологический анализ включает определение всех показателей краткого анализа, а также общей численности сапрофитов; ОМЧ и процентного содержания споровых микроорганизмов; аэробных бактерий, разрушающих клетчатку; бактерий-аммонификаторов. Кроме того, исследуют токсичность почв для микроорганизмов. Полный анализ проводят при осуществлении предупредительного санитарного надзора, первичном обследовании при выборе территории для размещения отдельных объектов.

Периодичность контроля загрязнения почвы детских садов, ЛПУ, зон отдыха отбор проб проводят не менее двух раз в год - весной и осенью. На других контролируемых объектах анализ почвы проводят с периодичностью, регламентированной нормативами, но не реже одного раза в год. При изучении динамики самоочищения почвы на загрязнённых территориях пробы берут в течение первого месяца после предшествующего загрязнения - еженедельно, в последующие месяцы - один раз в месяц в течение вегетационного периода до завершения активной фазы самоочищения.

3.2 Почвенные микроорганизмы. Группы почвенных микроорганизмов

 

Почвенные микроорганизмы оказывают непосредственное влияние на собственно образование и формирование почвы, на минерализацию (разложение) органических остатков и образование гумуса. Поэтому, не имея представления об основных экологических, физиологических, морфологических группах почвенной микрофлоры невозможно объективно оценить санитарное состояние почвы, активность процессов её самоочищения от патогенных микроорганизмов. При проведении микробиологических исследований особое внимание уделяют физиологическим группам почвенных микроорганизмов. Физиологические группы почвенных микроорганизмов включают виды, участвующие в круговороте азота, углерода, серы и фосфора. Однако для полномасштабной оценки санитарного состояния почвы и процессов её самоочищения необходимо определять наличие не только видов, участвующих в круговороте веществ, но и отдельных групп микроорганизмов, способствующих быстрому разложению органических веществ: спорообразующих бактерий (прежде всего бацилл), актиномицетов, грибов (в первую очередь пенициллов и кандид).

Как правило, в почве патогенные микроорганизмы длительно не выживают. Однако некоторые виды включаются в почвенные биоценозы, становясь её постоянными обитателями. Подобные микроорганизмы разделяют на три группы.

. Микроорганизмы, для которых почва служит природным биотоном - возбудитель ботулизма, актиномицеты, возбудители глубоких микозов, образующие микотоксины аспергиллы.

. Микроорганизмы, попадающие в почву с выделениями человека, животных и сохраняющиеся там длительное время (годами и десятилетиями) - сибиреязвенная палочка, возбудитель столбняка, газовой гангрены.

. Микроорганизмы, попадающие в почву с выделениями человека, животных, но сохраняющиеся в ней сравнительно недолго (недели и месяцы) - кишечная палочка (до 8 мес), сальмонеллы (до года при минусовой температуре), шигеллы (до 100 дней), холерный вибрион (2 мес).

3.3 Индикаторные микроорганизмы для оценки санитарного состояния почвы

 

Осуществление санитарного надзора за состоянием почвы населённых мест имеет важное значение в профилактике кишечных инфекций и других заболеваний. Поэтому для адекватной оценки почвы особую значимость имеет выбор индикаторных микроорганизмов. К СПМ, указывающим на фекальное загрязнение почвы относят: БГКП, Clostridium perfringens, термофильные бактерии и нитрифицирующие бактерии. Из всех энтеробакте-рий наиболее долго сохраняется в почве кишечная палочка, поэтому по её содержанию судят о наличии в почве прочих энтеробактерий. Термофильные бактерии попадают в почву с перепревшим навозом или компостом, поэтому их целесообразно выявлять для выяснения характера и давности органического загрязнения почвы. Свежий навоз, сточные воды обычно содержат много БГКП, но мало термофильных бактерий. По мере разложения органических веществ количество термофилов увеличивается. Появление нитрифицирующих бактерий (нитрификаторов) указывает на развитие процесса самоочищения, так как они завершают цикл разложения азотсодержащих соединений, превращая аммиак в азот.

При свежем фекальном загрязнении нитрификаторов не будет, поскольку субстрат для их развития отсутствует. В ходе жизнедеятельности микроорганизмов, разлагающих органические вещества, образуется аммиак, что приведёт к развитию нитрификаторов. На свежее фекальное загрязнение почвы указывают высокие титры БГКП при низких титрах нитрификаторов, термофилов, а также относительно высокое содержание вегетативных форм С. perfringens. Обнаружение энтерококков всегда свидетельствует о свежем фекальном загрязнении, каковы бы ни были другие показатели. Большое содержание всех санитарно-показательных микроорганизмов свидетельствует об окончании самоочищения почвы и её освобождении от патогенных энтеробактерий и органических веществ.

3.4 Влияние пестицидов на почвенные микроорганизмы и обеззараживание почвы

 

Пестициды - химические препараты, используемые для борьбы с вредителями и возбудителями болезней растений, сорняками, вредителями древесины и другого растительного сырья, пищевых продуктов и т.п. Пестициды относятся к разным классам органических и неорганических соединений.

По целевому назначению пестициды подразделяются на следующие основные группы: инсектициды - для уничтожения насекомых, акарициды - клещей, фунгициды - возбудителей грибных болезней сельскохозяйственных культур и древесных пород, бактерициды - возбудителей бактериальных болезней, нематоциды - возбудителей нематодных болезней, моллюскициды слизней, зооциды - вредных позвоночных, гербициды - сорняков. К пестицидам относиться также репелленты - средства, отпугивающие вредных насекомых, клещей и др.; аттрактанты - вещества, привлекающие насекомых, которых затем они уничтожают; хемостерилянты - препараты, вызывающие бесплодие у насекомых, клещей, грызунов.

Кроме своего непосредственного целевого воздействия пестициды оказывают многостороннее побочное влияние на биосферу, масштабы которого сравнимы с глобальными экологическими факторами.

Основная опасность пестицидов заключается во включении их в биологический круговорот. По токсичности для человека и теплокровных животных пестициды делят на 4 группы: сильнодействующие препараты, высокотоксичные, среднетоксичные, малотоксичные. Наиболее выраженным токсическим действием обладают пестициды хлорорганической и фосфорорганической групп, органические соединения меди, ртутьорганические соединения и производные фенола.

Почвенные микроорганизмы как компонент биогеоценозов испытывают разноплановое воздействие со стороны пестицидов, а как звено пищевых цепей участвуют в их передаче к высшим организмам и человеку. Так же почвенные микроорганизмы могут осуществлять трансформацию и минерализацию пестицидов. Они используют пестициды в качестве источника углерода и энергии. С этими процессами связана проблема детоксикации пестицидов в окружающей среде.

Численность чувствительных организмов сильно сокращается, или же они вообще исчезают из почвенных проб, загрязненных пестицидами. Сильнее всего снижается численность нитрификаторов от фунгицидов, значительно уменьшается количество почвенных грибов; бактерии и актиномицеты подавляются ими меньшей степени.

При внесении в почву некоторых пестицидов отмечена стимуляция роста микроорганизмов. Например, при внесении капана и паратионметила увеличивается численность многих групп бактерий, актиномицетов и сапротрофных грибов. В повышенных дозах паратионметил стимулирует целлюлозоразрушающие и нитрифицирующие бактерии. Линдан и дильдрин увеличивают численность аммонифицирующих, а атразин - нитрифицирующих бактерий. Многолетнее применение триазиновых гербицидов увеличивало число выделяемых из почвы видов грибов.

Отмечается также индифферентное отношение микроорганизмов к пестицидам. Например, установлено, что в производственных и даже повышенных дозах триазиновые гербициды не влияют на численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов. В обычно применяемых дозах гербициды, как правило не токсичны или слабо токсичны для большинства микроорганизмов.

Для примера рассмотрим влияние пестицидов на взаимоотношения бобовых растений с клубеньковыми бактериями. Гербициды, ингибирующие фотосинтез (симазин, атразин), не действуют на образование клубеньков, но процесс азотфиксации подавляется ими вследствие недостатка ассимилятов для клубеньковых бактерий. Отдельные гербициды депрессируют активность находящихся в клубеньках бактерий и снижают азотфиксацию. Таким образом, для бобовых культур следует особенно тщательно подбирать гербициды и желательно употреблять их в сниженных дозах.

В целом, один и тот же пестицид может вызывать угнетение, стимуляцию и проявлять индифферентное отношение, даже если судить по одному и тому же показателю микробиологической активности.

Для тестирования остатков пестицидов, ТМ в почве и воде используется стандартный микробиотест. Он позволяет определить эффект суммарного присутствия всех токсикантов и токсическое действие широкого круга загрязнителей. Метод основан на получении водной почвенной вытяжки и количественной оценки в ней токсикантов по степени ингибирования одной из ключевых ферментных систем - люцеферазой, что количественно регистрируется биолюминаметром типа БЛМ 8101. В питательную среду на основе водной вытяжки (почва/вода - 1/10) высевают культуру Photobacrterium phosphoreum. Этим способом анализируются остатки пестицидов (ФОС, ХОП), нитриты и ТМ. В санитарно-эпидемиологических исследованиях наряду с прямым определением содержания патогенных микроорганизмов, также применяются методы индикаторных штаммов (или "почвенной закладки") и определения "токсикоза" почв. При этом в качестве тест-объектов используют Clostridium tetani,Cl.perfringens, Bacillus anthracis, Escherichia coli и др. Сущность метода "почвенной закладки" заключается в оценке соотношения вегетативных и споровых форм биоиндикаторов в стерильной и нативной почве. Степень токсичности ("токсикоза") почв определяют по проценту пророста индикаторных бактериальных штаммов, т.е. по отношеннию образовавшихся колоний к количеству посевов. Показатель токсичности рассчитывается как величина обратная проросту. Токсичность почвы ранжируется по восьми классам опасности.

3.5 Загрязнение почв тяжелыми металлами

 

Тяжелые металлы могут сильно понижать биологическую активность почв. Прежде всего, они понижают ферментативную активность почв, снижают уровень азотфиксации и дыхания почв, а так же ведут к перестройкам в микробных сообществах, приводят к доминированию резистентных видов. Попытки найти виды, индикаторные на загрязнения тяжелыми металлами не увенчались успехом.

С помощью микроорганизмов можно перевести ионы тяжелых металлов в металлорганические соединения, где они не будут проявлять свою токсичность. Таким образом, очищается природная вода от металлов, которые оседают вместе с илом на дно водоема. С помощью органоминеральных соединений возможно опустить металлы в нижние горизонты почвы, но ими можно загрязнить грунтовые воды. Некоторые металлы, например, ртуть, подвергаются метилированию и поступают в атмосферу, но при этом загрязняется атмосфера.

Значение биодиагностики в данном случае обусловлено высокой чувствительностью биологических систем к повышенному содержанию тяжелых металлов.

Ранняя индикация на уровне биохимических и физиологических реакций. Основана на изменении активности ферментов при загрязнении субстратов тяжелыми металлами. Например, свинец оказывает сильное воздействие на активность таких ферментов как пероксидаза, кислая фосфотаза, малатдегидрогеназа.

Методы микробиологической и биохимической диагностики применимы при оценке загрязнения почв тяжелыми металлами. Хорошим индикатором является уровень азотфиксирующей активности. Продуктивность и микробная биомасса, таксономическая структура микробоценозов являются индикационными признаками длительного загрязнения почв.

Заключение

 

Микроорганизмы, благодаря физиологическим и генетическим особенностям, быстро реагируют на изменение качества среды и действие стрессовых факторов. В связи с этим, они могут быть использованы для оценки степени и характера загрязнения окружающей среды.

В зависимости от характера реакции микроорганизмов на факторы среды, исследования могут проводится как биоиндикационным методом, так и методом биотестирования.

Наиболее информативными являются результаты исследования почвенных и водных бактерий. Индикация состояния атмосферного воздуха по микробиологическим показателям не имеет широкой практики.

При проведении тестирования учитываются как биохимические факторы, так и общие характеристики сообщества либо отдельных организмов.

Список литературы

 

1. Чебышев Н.В. Биология, М.: ВУНМЦ, 2000.

. Израэль. Ю.А, Цыбань А.В., Дж. Гребмайер, Динамика экосистем Берингова и Чукотского морей. - М. : Наука, 2000.

. Кондратьева Л.М., Каретникова Е.А. Микробиологическая индикация фенольного загрязнения водных экосистем // Экология пойм сибирских рек и Арктики: Материалы II совещания. - Томск, 2000.

. Lambert R. J. W., Pearson J. Susceptibility testing: accurate and reproducible minimum inhibitory concentration (MIC) and non-inhibitory concentration (NIC) values // J. of Appl. Microbiol. - 2000.

. Христофорова Н.К., Соломай М.С. Химико-экологичекая оценка качества прибрежных вод города Владивосток//Электронный журнал «Исследовано в России», 2006

. Иванова Е.П.,Михайлов В.В. Микроорганизмы - ассоцианты мидии Crenomytilusgrayanus и их гидролитическая активность // Микробиология. - 1992. - Т.

. Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов. - М.: Мир, 1980. - С. 373-388.

. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв/отв. ред. Д.Г. Звягинцев. - М.: Наука, 2003