Основы микробиологии и иммунологии

Следовательно, главное значение иммунитета состоит в распознавании «своего» и «чужого», что жизненно важно, что обеспечивает постоянство внутренней среды организма - гомеостаз (Бернет - австралийский ученый,1964г). Иммунитет- одно из проявлений гомеостаза. В связи с этим иммунитет является свойством всего живого: человека, животных, растений и даже бактерий.

Система органов и клеток, осуществляющая реагирование на чужеродные вещества, называется иммунной системой организма. Иммунная система распределена по всему организму, ее клетки постоянно рециркулируют по всему телу через кровоток. Она обладает способностью вырабатывать специфические антитела, различные по своей специфике в отношении каждого антигена.

По происхождению различают два вида иммунитета: врожденный и приобретенный.

Врожденный (наследственный, видовой, генетический иммунитет - передается по наследству. Специфическое видовое свойство.

Приобретенный - возникает при жизни человека, животного. Приобретенный иммунитет подразделяется на естественный и искусственный.

Естественный иммунитет возникает в результате естественного заражения и переболевания. Он в свою очередь делиться на активный и пассивный.

Активный - постинфекционный, его продолжительность 1-2 года, иногда пожизненно.

Пассивный (колостральный, плацентарный, трансовариальный) - продолжительность от нескольких недель до нескольких месяцев.

Искусственный иммунитет возникает с помощью человека. Он подразделяется на активный и пассивный.

Активный искусственный иммунитет возникает после вакцинации через 7-14 дней и продолжается до 1 года и более.

Пассивный искусственный иммунитет возникает после введения сывороток содержащих защитные вещества - антитела. Такой иммунитет продолжается не более 15 дней.

Пассивный колостральный иммунитет возникает при иммунизации беременных матерей.

Иммунитет может быть стерильным и нестерильным . Стерильный иммунитет возникает, если организм освобождается от возбудителя. Сохраняя невосприимчивость.

Нестерильный иммунитет продолжается до тех пор пока в организме находится возбудитель.

В зависимости от механизмов защиты иммунитет может быть гуморальным и клеточным.

Гуморальный иммунитет обусловлен выработкой антител, а клеточный - образованием специфических (антигенреактивных) Т-лимфоцитов, реагирующих с возбудителем.

10.4 Неспецифические (физиологические, естественные) и специфические факторы защиты

Организм человека и животных обладает целым комплексом защитных приспособлений. Они препятствуют проникновению патогенных микробов и губительно действуют на них.

Эти приспособления называют неспецифическими (врожденные внутренние механизмы поддержания постоянства внутренней среды). Они появились, по-видимому, в результате постоянного контакта организма с микроорганизмами.

К ним относят кожу, слизистые оболочки, лимфатические узлы, фагоцитоз, нормальные антитела, лизоцим, секреторный иммуноглобулин А, пропердин, лизины, лактоферрин, комплемент, интерферон.

Кроме неспецифических факторов защиты выделяют специфические, т.е. под воздействием определенного микроорганизма (антигена) в организме могут вырабатываться специфические защитные вещества, называемые антителами.

Антигенами называют вещества, которые несут признаки генетической чужеродности и при введении в организм вызывают развитие специфических иммунологических реакций. Если говорить от иммунитете, то антигены это вещества стимулирующие образование антител и вступающие с ними в реакцию.

К антигенам относят микробы и их токсины, чужие эритроциты и сыворотки, вирусы, микроскопические грибы, яды животных (змей, скорпионов, пчел), яды растительного происхождения (рицин, кортин).Чаще антигены белковой природы. Но могут быть и сложные комплексы из полисахаридов, липидов, белков.

Антитела это белки, иммуноглобулины, которые вырабатываются иммунной системой организма при воздействии на него антигенов (микробов). Антитела строго специфичны. Антитела способны вступать в реакцию с антигенами и обезвреживать их действие.

10.5 Клонально-селекционная теория образования антител Ф. Бернета, 1964 г.

Сущность этой теории заключается в том, что вся популяция лимфоидных клеток (10-12_ состоит из клеточных клонов, которые продуцируют различные гамма-глобулины. Клон- популяция клеток, происходящая от одного предшественника путем размножения, исключающего обмен генетическим материалом.

Каждый клон содержит иммунокомпетентные клетки, генотипом которых преопределен синтез специфических гамма-глобулинов.

Так, Бернет условно считал, что число возможных антигеном равняется 10000. значит в лимфоидной популяции должно быть 10000 клонов с генетически заложенной способностью вырабатывать соответствующие антитела к тому или иному антигену.

Антитела образуются В-лимфоцитами в лимфоидной ткани селезенки, лимфатических узлах.

В зависимости от характера реакции с антигенами антитела получили разные названия: агглютинины, преципитины, опсонины, бактериолизины, антитоксины.

Агглютинины вызывают склеивание микробов и дают реакцию агглютинации, так как антигеном в данном случае являются микробы имеющие корпускулярное строение.

Преципитины осаждают (преципитируют ) белок. Антигеном служит экстракт бактерийный клеток или тканей и представляет собой прозрачную жидкость.

Опсонины протравливают микробную клетку и облегчают ее фагоцитоз.

Бактериолизины в присутствии комплемента лизируют (растворяют) бактерии.

Антитоксины нейтрализуют действие токсинов.

Взаимодействие антител с антигеном происходит за счет наличия у антител активного центра, который соответствует пространственной конфигурации антигенной детерминанте.

Активный центр должен быть комплементарным (т.е. соответствовать как перчатка руке) детерминантной группе антигена, иначе не произойдет их сцепление, взаимодействие.

Учение об иммунитете имеет практическое значение. В иммунопрофилактике (вакцины, сыворотки), иммунотерапии (лечебно-профилактические сыворотки и иммуноглобулины) и диагностике (диагностические иммунные сыворотки и иммуноглобулины, диагностические антигены и аллергены, бактериофаги) инфекционных болезней.

Понятийный аппарат к теме 10

Инфекция

1. Типы биотических взаимоотношений между микро- и макроорганизмами (мутуализм, комменсализм, паразитизм)

2. Инфекция (инфекционная болезнь, микробоносительство, иммунизирующая субинфекция)

3. Инфекционный процесс

4. Патогенность

5. Вирулентность

6. Факторы вирулентности (инвазивные- капсула, ферменты, жгутики и токсигенные - токсины)

Иммунитет

1. Виды инфекций

2. Иммунитет

3. Виды иммунитета:

- активный и пассивный;

-врожденный и приобретенный;

- гуморальный и клеточный;

- естественный и искусственный;

- местный;

- стерильный и нестерильный

4. Неспецифические факторы защиты (кожа, слизистые оболочки, лимфатические узлы, фагоцитоз, нормальные антитела, лизоцим, секреторный иммуноглобулин А, пропердин, лизины, лактоферрин, комплемент, интерферон.)

5. Специфические факторы защиты (антитела и антигенреактивные Т-лимфоциты)

Антигены и антитела

1. Антигены (полноценные антигены, гаптены)

2. Антитела, иммуноглобулины (агглютинины, преципитины, гемолизины, опсонины, бактериолизины, антитоксины, комплементсвязывающие антитела)

3. Активный центр

4. Валентность

5. Антигенная детерминанта

6. Аффинитет

7. Авидность

ЛЕКЦИЯ 11. МИКРОБИОЛОГИЯ ВОДЫ И ВОЗДУХА

«Мириады микробов населяют стихии и повсюду окружают нас. Незримо они сопутствуют человеку на всем его жизненном пути, властно вторгаясь в его жизнь то в качестве врагов, то как друзья. В громадном количестве они встречаются в пище, которую мы принимает. В воде, которую пьем, и в воздухе, которым дышим.

Окружающие нас предметы, наша одежда, поверхность нашего тела, все это буквально кишит микробами, среди которых встречаются и болезнетворные виды» - так образно охарактеризовал микрофлору, которая нас окружает выдающийся русский микробиолог В.Л.Омелянский. По всей вероятности в природе нет среды, где бы ни встречались микроорганизмы. Везде где есть хотя бы какие-нибудь источники энергии, азота и углерода встречаются микроорганизмы. Они различаются по свойствам и физиологическим потребностям.

Именно это разнообразие, в основе которого лежит способность использовать даже самые маленькие возможности для своего существования, исторически обусловило вездесущность микроорганизмов.

С другой стороны, активное участие миллиардов микробов в круговороте веществ в природе имеет исключительно важное значение для поддержания динамического равновесия всей биосферы, нарушение которого привело бы к катастрофическим последствиям.

Естественной средой обитания микроорганизмов служат почва, вода и воздух. Они также заселяют кожные покровы и слизистые оболочки, кишечник человека и животных.

11.1 Микрофлора воды

Вода является вторым резервуаром микроорганизмов в природе. Микроорганизмы обитают как в открытых водоемах, так и в грунтовых водах. В воде обитают палочки, кокки, вибрионы, спириллы, спирохеты, грибы, простейшие.

Численность микробов зависит от содержания органических веществ в воде, которые подвергаются таким же превращениям, как и в почве.

Численность микробов в открытых водоемах колеблется и зависит от климатических условий, времени года, от степени загрянения рек, озер и морей сточными и канализационными водами и отходами промышленных и др. предприятий. При сильном загрязнении вода не успевает самоочищаться, В результате возникла и сохраняется глобальная экологическая проблема.

По степени микробного загрянения различают три категории воды (или зоны водоема).

1. Полисапробная зона - наиболее сильно загрязненная вода, бедная кислородом, богатая органическими кислотами. В 1мл воды содержание микробов достигает 1 млн. более, преобладают кишечные палочки и анаэробные бактерии, вызывающие процессы гниения и брожения.

2. Мезосапробная зона - вода загрязнена умеренно, в ней активно происходит минерализация органических веществ с интенсивными процессами окисления и нитрификации.

Содержание микробов в 1 мл - сотни тысяч бактерий, количество кишечных палочек значительно меньше.

3. Олигосапробная зона - зона чистой воды, количество микробов в 1 мл воды десятки или сотни, не более. Кишечные палочки отсутствуют или встречаются в количестве нескольких клеток на 1 мл воды.

Видовой состав микробов в воде зависит от вида водоема (речная вода - серо-железобактерии, гнилостные, нитрифицирующие, азотфиксирующие; морская вода - галлофилы, психрофилы, хромогенные).

В воде также как и в почве могут обитать патогенные микроорганизмы. которые попадают туда от больных людей и животных. Это возбудители кишечных инфекций (холерный вибрион, дизентерийная палочка и палочка брюшного тифа, сальмонеллы, патогенные эшерихии), возбудители зооантропонозных заболеваний (бациллы сибирской язвы, бактерии туберкулеза , бруцеллеза, туляремии, сапная, рожистая палочка, листерии, лептоспиры).

Возможно загрязнение пастереллами, мытным стрептококком, патогенными анаэробами, вирусом полиомиелита, гепатита, ящура.

Вода не является благоприятной средой для размножения, но тем не менее они могут долго там сохраняться. На выживаемость микробов влияют различные факторы: загрязненность микробами - антагонистами, наличие бактериофагов, рН, температура, солнечная радиация и др.

О безопасности воды в эпидемиологическом отношении судят по результатам санитарно-бактериологических исследований воды (ОМЧ, коли-титр, коли-индекс). Существуют стандарты по этим показателям.

Очистку и обеззараживание воды можно проводить путем отстаивания, коагуляции, фильтрации, хлораммониации, озонирования, УФЛ.

11.2 Микрофлора воздуха

Воздух является неблагоприятной средой для развития микроорганизмов. В воздухе мало органических веществ, влаги. Солнечные лучи оказывают бактерицидное действие на микроорганизмы. Поэтому микрофлора воздуха непостоянная.

Микроорганизмы в воздухе находятся непродолжительное время, попадая в основном из почвы, воды, с поверхности растений, с выдыхаемым воздухом больных людей и животных.

Более 100 сапрофитов встречается в воздухе. Это микрококки, стафилококки, гнилостные бациллы, мукор, торула.

Вместе с тем в воздух могут попадать патогенные микроорганизмы во время чихания, кашля - возбудители вирусных болезней, туберкулеза, сибирской язвы, столбняка.

Для обеззараживания воздуха производственных цехов, холодильных камер на предприятиях мясной, молочной, бродильной промышленности широко используют УФО. Обеззараживать воздух можно и химическим путем - триэтиленгликолем, молочной кислотой, хлорсодержащими препаратами. В сочетании с влажной уборкой эффективность обеззараживания воздуха повышается.

11.3 Санитарно-микробиологическая оценка почвы, воды и воздуха (общее микробное число, коли-титр, коли-индекс)

Санитарно - микробиологическую оценку почвы, воды и воздуха проводят, главным образом, по двум показателям: общему микробному числу и по санитарно-показательному микроорганизму. Санитарно-показательным микроорганизмом для почвы и воды является кишечная палочка (коли-титр, коли-индекс), а для воздуха - гемолитический стрептококк.

Обще микробное число - это количество микроорганизмов в единице объема (1 г, 1 мл, 1 м3).

Коли-титр - это наименьшее количество субстрата (почвы, воды) в котором обнаруживается хотя бы одна кишечная палочка.

Коли-индекс - количество кишечных палочек в 1л воды.

По всем показателям существуют стандарты (посмотреть в литературе).

Таким образом, почва, вода и воздух являются естественными резервуарами микроорганизмов в природе, из которых почва является самой благоприятной средой для существования микроорганизмов. Поэтому микробный пейзаж почвы более разнообразен.

В почве, воде и воздухе обитают и встречаются как безобидные сапрофиты, так и патогенные микроорганизмы, поэтому они могут служить факторами передачи возбудителей инфекционных заболеваний.

Микробиологический контроль почвы, воды и воздуха проводят по ОМЧ и санитарно-показательному микроорганизму (кишечной палочке - почва и вода; гемолитическому стрептококку - воздух).

Понятийный аппарат к теме 11 (Тезаурус)

1. Полисапробная зона

2. Мезосапробная зона

3. Олигосапробная зона

4. Общее микробное число

5. Коли-титр

6. Коли-индекс

7. Санитарно-показательные микроорганизмы (кишечная палочка, гемолитический стрептококк)

ЛЕКЦИЯ 12. МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ

12.1 Микрофлора почвы

Почва - среда обитания и крупнейший резервуар микроорганизмов в природе. В 1г почвы количество микробов составляет сотни и тысячи млн клеток.

Количество микроорганизмов зависит от вида почвы, от глубины, от содержания в ней органических веществ и влаги, структуры почвы, климатических условий, характера растительного покрова, степени заселения и хозяйственной деятельности людей и др. факторов.

В почве могут обитать полезные микроорганизмы - сапрофиты (их большинство) и патогенные - паразиты.

Полезные микроорганизмы принимают участие в круговороте веществ в природе и в процессах самоочищения почвы (нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие, гнилостные микроорганизмы).

Патогенные микроорганизмы могут стать причиной заражения животных и человека.

Это такие микроорганизмы как: возбудители кишечных инфекций (дизентерии, брюшного тифа, холеры), чумы, бруцеллеза, туляремии, туберкулеза. Возбудители перечисленных заболеваний сохраняются в почве от нескольких часов до нескольких месяцев. Есть возбудители которые сохраняются в почве годами, десятками лет.

Такие микроорганизмы имеют спору (возбудитель сибирской язвы, столбняка, ботулизма, газовой гангрены). Отдельные патогенные микроорганизмы могут даже размножаться в почве - листерии, возбудитель рожи свиней, сибирской язвы.

Попадают патогенные микробы в почву с испражнениями, мочой, гноем, мокротой, слюной, с трупами людей и животных, погибших от инфекционных заболеваний.

В почве кроме бактерий обитает много плесневых грибов (Fusarium) , которые, попадая на злаковые растения, в процессе развития вырабатывают токсические вещества.

При употреблении хлеба, выпеченного из такого зерна у человека, возникает токсикоз, известный под названием «пьяный хлеб».

Санитарную оценку почвы проводят по результатам химического, микробиологического и гельминтологического исследований.

Микробиологическое исследование почвы проводят для санитарной оценки почвы, характеристики процессов самоочищения, оценки почвенного и биотермического методов обезвреживания отбросов, при определении пригодности участков для строительства и т.д.

Применяют краткий и полный анализ почвы.

Краткий анализ почвы включает определение двух показателей:

1. Общее микробное число.

2. Коли-титр (коли-индекс)

Полный анализ - 1. Общее микробное число. 2. Коли-титр(коли-индекс). 3. Титр анаэробов (Cl. perfringens). 4. Протей. 5. Термофилы.

12.2 Развитие взглядов на роль микроорганизмов в образовании почвы

Таблица 1 Количество микробов в 1г различных почв

№ п/п	Разновидность почвы	Количество микроорганизмов
1	Огородная земля	10 520 000 000
2	Обработанная почва	872 000 000
3	Травянистое болото	1 414 000 000
4	Заболоченный луг	1 098 000 000
5	Подзол	982 000 000



Таблица 2 Зависимость количества микробов в почве от глубины

Место исследования почвы	Количество микробов в 1 г
	Лесная земля	Луговая земля	Пахотная земля
На поверхности почвы	600 000	1 400 000	1 500 000
На глубине 1 м	128 000	134 000	330 000

Таблица 3 Санитарные показатели загрязненности почвы

Показатели	Относительно чистая	Умеренно загрязненная	Сильно загрязненная
ОМЧ (в 1г)	10 000	Сотни тысяч	Миллионы
Коли-титр	100 мг	50 мг	1-2мг
Титр Cl.perfringens	100 мг и ниже	100-10 мг	10 мг и ниже

Таблица 4 Характер взаимоотношений микроорганизмов

№п/п	Экологические взаимоотношения	Определение
1	СИНТРОФИЗМ	Одни организмы обеспечивают пищу другим организмам	Лишайники -ассоциация грибов и водорослей
2	СИМБИОЗ	Тесное «сожительство» двух различных организмов, приносящих взаимную пользу
2.1	МУТУАЛИЗМ	Создаются благоприятные моменты для обоих партнеров	Между организмом человека и его бактериальной средой
2.2	НЕЙТРАЛИЗМ	Партнеры могут не оказывать друг на друга никакого влияния
2.3	АНТАГОНИЗМ	Один из партнеров по симбиозу испытывает вредное воздействие другого	Между самими микроорганизмами, между микроорганизмами и животными, между микроорганизмами и растениями
2.4	ПАРАЗИТИЗМ	Патогенные микроорганизмы, живущие за счет другого организма и причиняющие вред ему	Среди грибов чаще встречаются паразиты. Риккетсии и хламидии у животных и возбудители болезней у растений.



12.3 Характер взаимоотношений микроорганизмов

На характер функционирования комплекса почвенных микроорганизмов большое влияние оказывают биотические факторы, и прежде всего взаимоотношения различного типа.

В процессе эволюции выработались отношения зависимости - взаимной или односторонней. Естественно, что создалось множество партнерских отношений между микроорганизмами.

Экологические взаимоотношения, при которых одни организмы обеспечивают пищу другим организмам, называются синтрофизмом.

Существуют синтрофизмы в отношении углеводов (клетчатка - моносахара), белков (пептиды-аминокислоты), которые в ходе гидролиза на каждой стадии расщепления служат источником энергии и питания для различных групп микроорганизмов.

Синтрофизм - лишайники представляют сложную ассоциацию грибов и водорослей, которые в определенных условиях не могут жить по отдельности.

Тесное «сожительство» двух различных организмов, приносящих взаимную пользу, называется симбиозом.

Выделяют несколько вариантов извлечения пользы партнерами: создаются благоприятные моменты для обоих партнеров - мутуализм (mutuus -взаимный). (между организмом человека и его бактериальной средой, бактерии в рубце животных с животными) Это так называемые синтрофные ассоциации между микроорганизмами.

Во многих случаях партнеры могут не оказывать друг на друга никакого влияния - нейтрализм.

В микромире существуют взаимоотношения, когда один из партнеров по симбиозу испытывает вредное воздействие другого - антагонизм.

Такие взаимоотношения существуют между самими микроорганизмами, между микроорганизмами и животными, между микроорганизмами и растениями.

Антагонизм между микроорганизмами может быть вызван конкуренцией за источники питания и действием антибактериальных веществ, получивших название антибиотиков.

Бактерии-антогонисты, подавляя и уничтожая некоторые виды микроскопических грибов и бактерий, имеют большое значение в природе, почвообразовательных процессах и особенно в борьбе с болезнетворными микробами, защищая корни растений от фитопатогенных грибов.

В почве могут находится и патогенные бактерии (возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены, сибирской язвы, кишечных заболеваний). Некоторые из них даже размножаются в почве.

Существует у бактерий и прямой паразитизм. Описаны хищные бактерии, образующие кольца, или сети.

Среди грибов чаще встречаются паразиты.

Риккетсии и хламидии у животных и возбудители болезней у растений. Теоретические и практические вопросы паразитизма микроорганизмов и их хозяев исследует ветеринарная и медицинская микробиология, а также фитопатология.

12.4 Особенности взаимоотношений организмов в биоценозах

Таблица 5 Особенности взаимоотношений организмов в биоценозах

№ п/п	Микробоценозы	Определение
1	Симбиоз	Сожительство двух или более видов микробов между собой или другими существами
2	Комменсализм	Один организм использует пищу или выделения другого, не принося ему вреда
3	Метабиоз	Один из микробов использует продукты жизнедеятельности другого и тем самым создает благоприятные условия для его развития
4	Сателлизм	Это стимуляция роста одного микроба продуктами жизнедеятельности другого, который затем становится его спутником
5	Синергизм	Это одинаковые физиологические процессы разных особей микробной ассоциации, в результате чего происходит увеличение конечных продуктов (гетороауксин)
6	Фагия	Это особый способ жизни, при котором один организм (хищник) живет за счет другого (жертвы), убивая его
7	Антогонизм	Враждебное взаимоотношение, когда продукты жизнедеятельности одного микроба губительно действуют на таковые другого

В природе все связано и взаимосвязано. Живые существа объединены в устойчивые экологические системы - биоценозы. Для каждого из них характерны видовое и количественное соотношения популяций, структура, взаимоотношения и другие признаки.

Среди разных ценозов большое место в природе занимают микробоценозы - сообщества микроорганизмов. Между ними и другими живыми организмами существуют самые разнообразные взаимоотношения.

Симбиоз - сожительство двух или более видов микробов между собой или другими существами.(аэробы и анаэробы; грибы и водоросли; клубеньковые бактерии и бобовые растения)

Комменсализм - при этом один организм использует пищу или выделения другого, не принося ему вреда. Комменсалы - представители нормальной микрофлоры животных, обитающих в ЖКТ, дыхательных путях, на коже, а также эпифитные микробы растений.

Метабиоз. Это форма взаимоотношений, при которой один из микробов использует продукты жизнедеятельности другого и тем самым создает благоприятные условия для его развития ( сожительство аммонификаторов и нитрификаторов, целлюлозоразлагающих и азотфиксирующих бактерий).

Сателлизм. Это стимуляция роста одного микроба продуктами жизнедеятельности другого, который затем становится его спутником.

Выделяемые азотобактером витамины и другие БАВ стимулируют развитие микробов, превращающих органические формы фосфора в неорганические, что благоприятно сказывается на развитии высших растений.

Синергизм. Это одинаковые физиологические процессы разных особей микробной ассоциации, в результате чего происходит увеличение конечных продуктов (увеличение гетероауксина -стимулятора роста растений при совместном культивировании азотобактера и грибовидной бациллы).

Фагия (хищничество). Это особый способ жизни, при котором один организм (хищник) живет за счет другого (жертвы), убивая его.

Антагонизм. Враждебное взаимоотношение, когда продукты жизнедеятельности одного микроба губительно действуют на таковые другого.

Гнилостные микробы не могут жить в одной среде с молочно-кислыми, так как образуемая молочная кислота понижает рН и подавляет рост алкалофильных организмов.

На этом явлении основаны процессы силосования, квашения, приготовления и сохранения кисломолочных продуктов.

Антагонизм между микробами широко распространен в природе. В борьбе с возбудителями разных болезней его использует человек. Применяемые антибиотические вещества имеют специфическое действие. Этим они отличаются от других продуктов жизнедеятельности микробов.

Антибиотики - это специфические соединения (вторичные метаболиты), способные в незначительных количествах избирательно задерживать рост или убивать микроорганизмы.



Понятийный аппарат к теме № 12 (тезаурус)

1. Микробоценозы (Симбиоз, комменсализм, метабиоз, сателлизм, синергизм, фагия, антогонизм).

2. Санитарные показатели загрязненности почвы (общее микробное число, коли-титр)

3. В.В.Докучаев, К.А.Тимирязев, П.А.Костычев, В.Р.Вильямс, С.Н.Виноградский, В.Л.Омелянский, В.Л.Исаченко, Н.Н.Худяков, Н.Н.Буткевич - их роль в почвоведении

4. Влияние температуры, влажности, воздуха, активной кислотности почвы на микроорганизмы почвы

ЛЕКЦИЯ 13. МИКРОФЛОРА РАСТЕНИЙ

13.1 Микрофлора ризосферы и ризопланы

Рассмотрим состав микрофлоры зоны корня. Считается, что почва вокруг него наиболее богата микроорганизмами.

Различают микрофлору ризопланы и ризосферы. Микрофлора ризопланы - это микроорганизмы, поселяющиеся на самой поверхности корня.

Микрофлора ризосферы - это группа микроорганизмов, обитающих в слое почвы, прилегающих к корню.

Количество микроорганизмов в ризоплане и ризосфере в сотни раз больше, чем в остальной массе почвы.

Почему на поверхности корней и в зоне корня наибольшее количество микроорганизмов? Да, потому что корни растений выделяют в окружающую среду питательные вещества: сахара, аминокислоты и другие вещества, используемые микроорганизмами.

Микрофлора ризопланы и ризосферы несколько отличается. Так, в ризоплане богаче представлен род Pseudomonas, слабо размножаются Azotobacter, целлюлозоразлогающие микроорганизмы.

В ризосфере чаще встречаются аммонификаторы, нитрификаторы, азотфиксаторы, денитрификаторы, целлюлозоразрушающие бактерии (палочковидные бактерии рода Pseudomonas, меньше - молочнокислые, маслянокислые, гнилостные бактерии. Среди гнилостных бактерий чаще встречаются: Bac.mycoides, Bac.mesentericus, Bac.subtilis, Bac.megatherium.).

В микрофлоре ризосферы могут быть грибы, относящиеся к родам Penicillum, Fusarium, Botrytis, Trichoolerma и др. дрожжи, актиномицеты.

Следует отметить, что состав микрофлоры меняется с возрастом растений. Например, бациллы, актиномицеты и целлюлозоразлагающие микроорганизмы, практически отсутствуют в ризосфере молодых растений. Они появляются при более позднем развитии растений.

Перечисленные микроорганизмы относят к сапрофитам.

В свою очередь растения привлекают микроорганизмы почвы корневыми выделениями, которые являются мощным фактором отбора и накопления определенных видов микроорганизмов почвы.

Микроорганизмы образуют «живой футляр» непосредственно вокруг корня. Иногда ризосфера распространяется в почве на несколько сантиметров от корней.

Какое же значение имеют сапрофитные микроорганизмы зоны корня в жизни растений?

Установлены мутуалистические отношения: например почвенные бактерии (клубеньковые) связывают азот. Ассоциация корней с грибами (микориза). Растения корни которых связаны с грибами (грибокорень) легче переносят засуху, так как грибы увеличивают рабочую поверхность корневой системы растения, повышая ее поглотительную способность и поступление из почвы влаги и питательных веществ. (Большинство грибов не способны фиксировать атмосферный азот).

Выступают в роли разрушителей органических и минеральных соединений, подготавливающих минеральную пищу для растений.

Бактерии ризосферы (микроорганизмы-активаторы) вырабатывают витамины - тиамин, фитогормоны (ростовые вещества) - гиббереллин, гетероауксин и тем самым стимулируют рост растений.

На интенсивность образования биотических веществ (витаминов, аминокислот) большое влияние оказывают так называемые спутники микроорганизмов.

Например, азотобактер в чистой культуре синтезирует 173 мг гетероауксина, а в присутствии Bac. Mycoides - 220 мг. Растения усваивают биотические вещества в том виде, в каком они образуются микробами. В настоящее время ученые разрабатывают бактериальные препараты защитного и стимулирующего действия и применения их для повышения урожайности с.-х. культур.

Микрофлора зоны корня представляет собой определенный биологический барьер, влияющий на взаимоотношения высших растений и паразитов. Многие сапрофитные микроорганизмы вырабатывают антибиотические вещества, подавляющие развитие фитопаразитов.

Велика роль микрофлоры, окружающей корень растений, в потерях азота путем денитрификации.

Кроме сапрофитов в зоне корня растений могут встречаться и различные фитопаразиты - возбудители болезней растений. В процессе вегетации микроорганизмы переходят на надземную часть растения и продолжают там развиваться. Сначала микроорганизмы поселяются на стеблях, листьях, цветках, затем переходят на завязь и созревающие зерно в колосе, початке и т.д.

Из-за недостатка питательных веществ на поверхности растения, там развивается ограниченное число специфических видов микроорганизмов (бактерий).

Таким образом, основные функционвльные группы микроорганизмов ризосферы (аммонификаторы, нитрификаторы, азотфиксаторы, денитрификаторы, целлюлозоразрушающие бактерии) активно участвуют в изменении структуры почвы, питания растений (главным образом в обмене азота и растворении минеральных элементов) и поддержании растений в здоровом состоянии (борьба с патогенными инфекциями). Можно утверждать, что влияние ризосферы сопровождается увеличением численности бактерий, нуждающихся в аминокислотах, по сравнению с численностью бактерий, потребляющих минеральные соли. Другими словами, в ризосфере происходит избирательная стимуляция микробов со слабой синтетической способностью.(Сидоренко О.Д.,2005).



13.2 Эпифитные микроорганизмы

13.2.1 Микроорганизмы филлосферы

Микроорганизмы, живущие на поверхности растений и питающиеся соками, выделяемыми из тканей растений, называются - эпифитными (греч.epi - на, phyton - растение) или микроорганизмами филлосферы (греч. phyllon - лист).. Они не способны проникать через оболочку растительных клеток и поэтому не оказывают вредного влияния на развитие растений.

Морфологические особенности растений (узкие листья, иглы, широкие листья с зубчатыми краями) определяют толщину пограничного слоя.(зона вблизи поверхности растения, где движение воздуха замедляется). Толщина пограничного слоя достигает несколько миллиметров.

Общая поверхность надземной части растений значительно превышает площадь на которой они произрастают. Благодаря этому растения эффективно захватывают различные компоненты атмосферы, в том числе загрязнители. Загрязнители атмосферы могут быть корпускулярной природы (частицы пыли, капли жидкости, полутвердые частицы с прикрепленными микроорганизмами) или же представлять собой растворы различных соединений (в том числе газов) в каплях дождя. Почти все они изменяют смачиваемость, проницаемость, величину рН поверхности, что влияет на состав эпифитной микрофлоры, оказывая непосредственное токсическое воздействие. Иногда загрязнители могут служить дополнительным источником питания растения и, по-видимому, влиять на урожай.

Количественный и качественный состав микроорганизмов воздуха находится в прямой зависимости, прежде всего от микрофлоры почвы. Чаще в воздухе встречаются спорогенные и пигментные виды, споры различных грибов и дрожжей как наиболее устойчивые против высыхания и действия УФЛ. Микроорганизмов постоянно живущих в атмосфере, не существует. В воздух они попадают из почвы или воды. Оседая на поверхности надземной части, эпифитные микроорганизмы составляют неотъемлемую часть ценоза растительного организма.

Среди эпифитов на поверхности листа растения обнаруживаются патогенные организмы. Место прикрепления и пути проникновения патогенного фактора в значительной мере определяются физической и химической природой поверхности растения. Контакту с поверхностью способствуют также морфологические особенности и активность патогенна. Нередко грибы секретируют специфические антибиотики, подавляющие рост бактерий и других видов грибов.

Вирусы растений не способны к движению, поэтому для проникновения внутрь растения они нуждаются в разного рода переносчиках (жалящие и и сосущие насекомые, тли и клещи, нематоды и гусеницы, человек).

К эпифитным микроорганизмам относят:

Бактерии из рода Pseudomonas - гл. Ps.herbicola ("травяная палочка") и Ps.fluorescens

Ps. herbicola - Гр(-), спор не образуют аэроб. На МПА - образует зернистые колонии, которые вначале сероватые, затем золотисто-желтые.

Ps.fluorescens - более мелкая палочка, подвижная, ГР (-), на МПА -сероватые или бесцветные колонии, образующие зеленовато-желтый флюоресцирующий пигмент, который проникает в субстрат, окрашивая его в соответствующий цвет.

Кокки, спорообразующие бактерии, плесневелые грибы.

13.2.2 Микроорганизмы спермосферы. Микрофлора зерна

Микроорганизмы постепенно переходят на завязь, а потом и на зерно.

На поверхности семян распространяется эпифитная микрофлора, называемая микроорганизмами спермосферы. Большая часть микробов на зерне представлена бактериями, среди них преобладает Erwinia. Бациллы встречаются реже. Количество грибов обычно колеблется в пределах нескольких тысяч на 1 г зерна. При хранении зерна количество грибов уменьшается. Актиномицеты не являются существенным компонентом микрофлоры зерна.

При созревании зерна содержание сахаров уменьшается, но возрастает запас крахмала, снижается активность ферментативных процессов, происходит потеря влажности (до 25%).В спелом зерне вся влага находится в связанном состоянии и недоступна микроорганизмам. В результате этих изменений зерно становится неблагоприятным субстратом для развития микроорганизмов, и они на сухом зерне переходят в состояние анабиоза (покоя).

При появлении свободной воды, т.е. когда степень увлажнения превышает уровень связанной воды, микроорганизмы начинают развиваться на зерне. Степень увлажнения хранящегося зерна зависит от влажности окружающего воздуха.

Микрофлора свежеубранного зерна. От чего зависит обсемененность зерна? Прежде всего, от процесса уборки и обмолота (пыль, песок, сорные примеси) условий погоды, от чистоты транспортных средств (могут быть возбудителями инфекционных заболеваний человека и животных), от механических повреждений зерна в процессе его обработки.

Микрофлора доброкачественного свежеубранного зерна большинства зерновых культур представлена:

Бактерии из рода Erwinia - которые могут составлять 90-99% от общего числа микроорганизмов - E.herbicola - этот микроорганизм служит как бы показателем свежести и доброкачественного зерна.

Плесневелые грибы - составляют десятые доли процента - до нескольких процентов - Alternaria, Cladosporium, Fusarium, Trichoderma, Ascochyta.

Количество микроорганизмов на поверхности зерна зависит от строения его оболочек, наличия цветочных пленок, створок бобов и т.д. Например, на фасоли, горохе микроорганизмов всегда меньше (стручок, поверхность гладкая), зерно пшеницы - имеется бороздка, т.е. созданы условия для оседания микроорганизмов.

Среди плесеней на свежеубранном зерне встречаются чаще Alternaria и Cladosporium - поэтому их называют "полевые плесени". В хранящемся зерне эти плесени погибают и появляются другие - Penicillium, Aspergillus, Mucor - которые называют "плесени хранения". Повышенная влажность провоцирует развитие грибов, из бактерий сначала активно размножаются микрококки, полностью вытесняющие Erwinia herbicola, позднее появляются неспороносные палочки и бациллы.

Следует заметить, что многие микроскопические грибы способны развиваться при крайне ограниченных запасах свободной воды. Поэтому предметы и продукты чрезвычайно легко покрываются плесенью даже при слабом их отсыревании. Если к влажному сену, сырому зерну или другому растительному материалу имеется приток воздуха, отмечается сильное самонагревание. Явление термогенеза становится осязаемым лишь в условиях затрудненной самоотдачи. При этом самонагревание сопровождается четко выраженной сменой или сукцессией микроорганизмов.

Первоначально в греющейся массе развиваются мезофиллы. Постепенно, с повышением температуры на смену им приходят термофилы, способные развиваться при температуре 75-80 С. Высокий разогрев достаточно сухой и пористой массы может вызывать ее обугливание и даже воспламенение, сопровождаемое иногда взрывами, разрушающими хранилище кормов или элеватор.

Какие же микроорганизмы могут быть обнаружены на зерне, поступающем на хранение?

Три основные группы:

Сапрофитные микроорганизмы

Фитопатогенные микроорганизмы

Патогенные микроорганизмы

Сапрофитные микроорганизмы могут вызвать порчу зерна при хранении. Поэтому важно знать количественный и качественный состав сапрофитов зерна.

Фитопатогенными называют такие микроорганизмы, которые способны вызывать заболевания растений и зерна. Главным образом - это грибы, спорынья, фузариозы и др.

При развитии на злаках, кормах или зерне некоторых грибов накапливаются ядовитые продукты - микотоксины, вызывающие иногда тяжелые отравления животных и человека.

Зерно, зараженное спорыньей, вызывает заболевание эрготизм («злая корча») благодаря наличию ряда алкалоидов: эргокристина и его изомеров, эргобазина и близких ему соединений. Тяжелые заболевания людей вызывают грибы рода Fusarium («пьяный» хлеб, полученный из муки фузариозного зерна); головневые грибы поражают злаки, и при кормлении животных овсом, пораженным грибом, отмечается падеж лошадей. Грубые корма, преимущественно солома, зараженные грибком Stachybotris, вызывают стахиботриотоксикоз также у лошадей.

Помимо микотоксикозов, у лошадей, реже у рогатого скота наблюдается кормовая (алиментарная) токсикоинфекция - ботулизм, вызванная Clostridium botulinum. Это кормовое отравление, характеризующееся параличом двигательной системы жевательного и глотательного аппарата.

Патогенные микроорганизмы - возбудители инфекционных болезней человека и животных попадают на зерно случайно. На зерно могут попадать возбудители сибирской язвы, сапа, туляремии, бруцеллеза и т.д.

Чаще патогенные микроорганизмы попадают на зерно через грызунов, некоторых птиц и насекомых - бактерионосителей, но могут и с выделениями от больных сельскохозяйственных животных. Конечно, зерно не является благоприятной средой для развития патогенных микроорганизмов. Оно является только фактором передачи. Об этом нужно помнить, особенно если зерно поступает из районов, где имеют место вышеназванные болезни.

Поверхности растения участвуют в регуляции состава флоры филлопланы (поверхности листьев) не только непосредственно, но и косвенным образом. Питательные вещества, вымываемые с поверхности, способствуют поддержанию нормальной популяции сапротрофов-антагонистов, препятствующих развитию патогенных микроорганизмов. Поэтому современные подходы в борьбе с патогенами должны основываться на обработке растений микробами-антагонистами или питательными веществами, усиливающими их рост, и лишь дополняться применением фунгицидов, которое отрицательно сказывается на развитии как полезных, так и патогенных микроорганизмов. Бактериальные препараты - «Бактосем», «Алерин.»

Понятийный аппарат к теме 13 (тезаурус)

1. Микрофлора ризопланы - это микроорганизмы, поселяющиеся на самой поверхности корня.

2. Микрофлора ризосферы - это группа микроорганизмов, обитающих в слое почвы, прилегающих к корню.

3. Мутуалистические отношении - взаимовыгодные отношения между микро- и макроорганизмами.

4. Микориза - ассоциация корней растений с грибами.

5. Фитогормоны - ростовые вещества, выделяемые микроорганизмами.

6. Гиббереллин, гетероауксин - ростовые вещества, стимулирующие рост растений.

7. Фитопаразиты - возбудители болезней растений.

8. Аммонификаторы - бактерии разлагающие органические вещества, содержащие азот (гнилостные бактерии).

9. Нитрификаторы - бактерии, которые переводят аммиак в минеральные соли, усваиваемые растениями.

10. Азотфиксаторы - бактерии фиксирующие азот из воздуха (азотобактер, клубеньковые бактерии).

11. Денитрификаторы - бактерии возвращающие азот из почвы в атмосферу.

13. Эпифитные микроорганизмы - бактерии, живущие на поверхности растений и питающиеся соками, выделяемыми из тканей растений.

14. Микроорганизмы филлосферы - эпифитные микроорганизмы.

15. Микроорганизмы спермосферы - так называется эпифитная микрофлора на поверхности семян.

16. Термогенез - сильное самонагревание зерна за счет притока воздуха к влажному зерну, сену.

ЛЕКЦИЯ 14. МИКРОБИОЛОГИЯ КОРМОВ

Корма определяют состояние и продуктивность животных. По происхождению различают растительные, животные и минеральные корма. Растительные корма занимают наибольший удельный вес. В зависимости от содержания влаги в заготовленных растительных кормах различают: сено (12-17%), сенаж (40-50%), силос (70-80%).

14.1 Эпифитная микрофлора. Микробиологические процессы, происходящие при силосовании кормов

Микроорганизмы, которые живут и размножаются на наземных частях растений, называют эпифитными. Изучение видового состава микробов, необходимо, чтобы знать какие процессы они могут вызвать при заготовке и хранении кормов. Количество микробов на растениях зависит от фазы развития растения, влажности, температуры и др.факторов. при увлажнении численность микроорганизмов возрастает. Чем старше растение, тем больше микробов. На поверхности листьев растений содержится большое количество аммонификаторов и меньше других - молочнокислых, маслянокислых, дрожжей, эшерихий.

Для эпифитов характерно то, что они, находясь на поверхности растений, хорошо переносят действие фитонцидов, солнечных лучей и питаются веществами, выделяемыми растениями. Устойчивость эпифитов к фитонцидам гораздо выше, чем у почвенных микробов. Вместе с тем рост микробов на поверхности растений ограничен, так как они выделяют незначительное количество питательных веществ. Эпифиты не повреждают и не проникают в ткани здорового растения. Велика роль в этом естественного иммунитета и цидных веществ. (растения выделяют фитонциды)

При изучении эпифитной микрофлоры строгой специфичности к определенным растениям не выявлено.

После скашивания растений, микробы начинают активно размножаться так как исчезают преграды, препятствующие проникновению микробов в их ткани. Происходит потеря питательных веществ и порча корма. Он приобретает гнилостный, затхлый запах, изменяет окраску. Растения легко разрываются, их консистенция становится мажущейся. Такой корм плохо поедается животными и представляет опасность для их здоровья.

14.2 Микрофлора силоса

Молочнокислые бактерии в силосуемой массе представлены кокковыми и палочковыми формами. Все они факультативные анаэробы. Кокковые формы развиваются при более низкой температуре (25-35С), палочковидные - при более высокой (40-45С), они термофилы. Возбудителей молочнокислоко брожения делят на две группы: 1( гомоферментативные, образующие из сахаров в основном молочную кислоту; 2) гетероферментативные, которые, кроме молочной, образуют уксусную кислоту, углерода диоксид, иногда этиловый спирт.

При типичном молочнокислом брожении корма имеют приятный запах и вкус. Молочнокислые бактерии используют простые сахара. Их количество определяет степень силосуемости кормов. Протеолитическая способность молочнокислыми бактериями осуществляетмся слабо и при рН выше 5.0-5.5.

Эшерихии (бактерии группы кишечной палочки). В растительной массе могут находиться эшерихии. Они принимают участие в гетероферментативном молочнокислом брожении и образуют большое количество газов. Типичные представители этой группы -E.coli E.aerogenes. Под их действием протеины подвергаются гнилостному распаду. Процесс проходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Эшерихии в кормовой массе встречаются в начале силосования,с накоплением молочной кислоты их численность уменьшается. В результате жизнедеятельности эшерихий происходит превращение сахаров в малоценные продукты, что снижает питательность корма.

Аммонификаторы (гнилостные микробы) всегда имеются на поверхности растений. Среди них бывают аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Основные представители этой группы: сенная, картофельная, капустная и другие бациллы, а также эшерихии и протей. Аммонификаторы вызывают энергисное разложение белков в начале процесса силосования, когда рН выше 4.5-4.7. Если рН ниже, то жизнедеятельность гнилостных микробов и вызываемые ими процессы приостанавливаются. При медленном подкислении корма аммонификаторы продолжают усиленно размножаться, накапливаются продукты распада протеина, которые могут вызывать отравления животных.

Дрожжи и плесневые грибы всегда могут быть в растительной массе. Содержание дрожжей даже в хороших силосах до некоторой степени желательно. Они сбраживают сахара до спирта, придают корму приятный запах и вкус, что возбуждает у животных аппетит. Дрожжи продуцируют витамины и другие биологически активные вещества и тем самым способствуют развитию микроорганизмов. Однако дрожжи для своей жизнедеятельности используют сахара, а следовательно, уменьшают образование молочной кислоты. Некоторые из дрожжей разлагают органические кислоты, отчего тормозится процесс силосования. Обычно дрожжи размножаются в начале процесса, а затем их численность уменьшается.

Плесневые грибы в силосной массе сохраняются недолго. Они хорошо переносят кислую среду, но являются аэробами. Среди плесневых грибов чаще встречаются представители родов -пенициллиум, аспергиллус. Они при доступе воздуха усиленно размножаются и используют молочную кислоту. Это ведет к повышению рН, созданию условий для развития споровых форм микробов - маслянокислых и аммонификаторов, в результате чего корм становится непригодным к скармливанию животным.

Маслянокислые бациллы попадают на растения из почвы. Это облигатные анаэробы, и поэтому при хорошем уплотнении силосуемой массы создаются условия для их развития. Они сбраживают сахара с образованием масляной кислоты, углерода диоксида и водорода. Масляная кислота придает горький вкус и неприятный запах корму, поэтому он плохо поедается животными. При рН 4,7 и ниже маслянокислые бацилл развиваться не могут.

Уксуснокислые и целлюлозоразлагающие микробы. Уксуснокислые бактерии аэробы, в хорошо засилосованном корме нет условий для их развития. Уксусная кислота может образовываться и другими микробами, поэтому она всегда присутствует в силосе. Целлюлозоразрушающие микробы не выдерживают кислой среды, не размножаются в силосе.

14.3 Динамика процесса силосования

Выделяют три фазы.

1. Первая фаза - развитие смешанной микрофлоры. После скашивания растений образуется сок, а вместе с ним и легкорастворимые сахара. В некоторых местах остается воздух и создаются условия для развития разных физиологических групп микробов. Но с уплотнением силосной массы, прекращается доступ кислорода воздуха, более усиленно развиваются молочнокислые бактерии, накапливаются кислоты, тормозится развитие других физиологических групп микробов.

2. Вторая фаза - основное брожение, в котором преобладают молочнокислые бактерии. Они и дальше подкисляют корм, происходит гибель и задержка роста некоторых неспорообразующих микробов, сохраняются бациллы. Молочнокислые кокки, которые сильно размножаются в начале фазы, заменяются молочнокислыми палочками. Ко времени массового развития молочнокислых палочек питательные вещества корма (в основном сахара) бывают в значительной степени израсходованы, наступают неблагоприятные условия для развития микроорганизмов, поэтому их количество постепенно уменьшается.

3. Третья фаза характеризуется накоплением большого количества молочной кислоты и постепенным отмиранием кокковых и палочковидных форм микробов. Этой фазой заканчиваются микробиологические процессы в силосуемой массе.

14.4 Условия, способствующие правильному развитию процесса силосования

Силос - один из древнейших видов корма для животных. Слово «силос»- испанское, что означает «яма».

Силосование - это сложный биохимический процесс превращения свежей растительной массы в заквашенный корм.

Силосуемую массу закладывают в траншеи, ямы, башни, уплотняют и изолируют от воздуха. В таком состоянии корм хорошо сохраняется благодаря микробиологическим процессам, происходящим в нем.

Для силосования используют ботву свеклы, картофеля, отходя крахмально-паточного производства (которые часто не используются в хозяйствах), кукурузу, подсолнечник и др. Силос может храниться десятилетиями.

...