Роль микроорганизмов в циклах серы и железа.

Сера поступает на земную поверхность в результате вулканической деятельности в виде SO₂, SO₃, H₂S, кроме того, воды некоторых источников содержат сероводород. Но основную роль в круговороте серы играют биологические процессы, вызываемые микроорганизмами при разложении растительных и животных остатков. При гниении белков, в составе которых имеются содержащие серу аминокислоты (цистин, цистеин, метионин), и разложении растительных эфирных масел образуется сероводород и немного меркаптана. Сероводород образуется также при восстановлении солей серной, сернистой и серноватистой кислот сульфатвосстанавливающими (десульфофицирующими) бактериями.

Сероводород сам по себе не усваивается растениями, а следовательно, и животными, напротив, он ядовит для них. Особая группа серобактерий окисляет сероводород. В результате этого окисления образуются сернокислые соли. Сернокислые соли хорошо усваиваются растениями. В растениях сера этих солей вновь идет на синтез соединений, содержащих серу.

Таким образом, в круговороте серы принимают участие, с одной стороны, аммонифицирующие бактерии (рассмотренные нами в круговороте азота) и сульфатредуцирующие бактерии, освобождающие сероводород из соединений, и, с другой стороны, серобактерии, окисляющие сероводород.

Серобактерии разделяются на две группы: бесцветные и окрашенные пурпурные.

К бесцветным формам относятся в основном: 1) различные виды Beggiatoa - свободноплавающие длинные нити, состоящие из отдельных клеток. Среди них имеются самые крупные по размерам из всех бактерий; 2) различные виды Thiothrix - неподвижные длинные нити, прикрепленные одним концом к подводным предметам; 3) ряд видов одноклеточных бактерий - Thiophysa и др.

Все они автотрофы. Образующуюся серу они откладывают внутри клетки. В природных условиях они находятся только там, где постоянно образуется сероводород и имеется свободный доступ кислорода. Для развития серобактерий наиболее благоприятное давление кислорода соответствует 15 мм рт. ст. (давление воздуха 75 мм рт. ст.), а давление сероводорода 0,8 мм рт. ст. Поэтому они развиваются не на поверхности воды, а на некоторой глубине, где образуется так называемая бактериальная пластинка, в которой происходит движение этих бактерий вверх для получения кислорода и вниз для получения сероводорода. В Черном море такой слой бактерий расположен на глубине 200 м.

Серобактерии окисляют сероводород в два приема. Сначала окисляют его до серы, капельки которой отлагаются в протоплазме клеток как запасной энергетический материал.

При недостатке сероводорода в среде происходит постепенное окисление запасенной серы в серную кислоту, которая нейтрализуется бикарбонатами клетки и выводится наружу в виде сернокислой соли S₂+3О₂+2Н₂О=2H₂SО₄+294 ккал.

Пурпурные серобактерии имеют в клетке пигмент бактериопурпурин, придающий им разных оттенков красную окраску, и фотосинтезирующий пигмент бактериохлорофилл. Спектры поглощения этого пигмента и хлорофилла различны. При фотосинтезе у них и у зеленых бактерий не происходит образования кислорода, так как донатором водорода является сероводород, а не вода. Такой тип фотосинтеза называется фоторедукцией. Фотосинтез у пурпурных бактерий происходит в анаэробных условиях. Он может быть представлен таким уравнением:

2СО₂+H₂S+2Н₂О+свет→²/₆С₆Н₁₂О₆+H₂SО₄.

Серобактерии широко распространены в природе, они находятся в серных источниках, в спокойных застойных водах, в почве, илах. Серобактерии - автотрофы, ассимилируют СО₂, используя энергию окисления восстановленных соединений серы.

К бесцветным серобактериям относятся также тионовые бактерии. Сюда относятся Thiobacillus thioparus, Thiobacillus thoxydans и др. Кроме серы и сероводорода они окисляют и тиосоединения (Na₂S₂О₃, Na₃S₄O₆). Они также автотрофы, находятся в пресных и соленых водоемах, в почвах.

Наряду с бактериями, окисляющими сероводород до серной кислоты, существуют бактерии, восстанавливающие соли серной кислоты до сероводорода, - десульфурирующие бактерии.

Восстановление сульфатов идет при сопряженном окислении органических соединений и имеет энергетическое значение. Эти бактерии - строгие анаэробы и гетеротрофы. Как источник углерода они используют углеводы, органические кислоты, жиры, различные углеводороды нефти, нефть, нафталин и пр. Они могут являться причиной больших потерь нефтепродуктов. Сульфаты, теряя кислород, восстанавливаются до сероводорода:

С₆Н₁₂О₆+3H₂SО₄=6СО₂+6Н₂О+3H₂S+42 ккал.

Восстановительные процессы, вызываемые серобактериями, могут достигать в природе огромных размеров. Так, например, вода Черного моря на глубине ниже 200 м содержит столь значительное количество сероводорода, возрастающее с глубиной, что жизнь глубже 200 м совсем прекращается. Если накопление сероводорода будет происходить в залитой водой почве, то жизнь растений и животных на ней станет невозможной.

Сульфатвосстанавливающие микробы играют главную роль в образовании целебной серной грязи многих озер (Тимбуканское около Пятигорска), черноморских лиманов (Одесса, Евпатория). Эти бактерии, выделяя сероводород, образуют черную массу коллоидного гидрата сернистого железа, который пропитывает ил водоема. Они же вызывают коррозию железа, переводя его в сернистое железо, чем повреждают трубы орошения и канализации.

Серобактерии принимают участие в биологическом очищении сточных вод, органических отбросов и являются показателями резкого загрязнения воды и почвы в населенных пунктах.

В природе очень широко распространены процессы окисления закисных солей железа и марганца, растворимых в воде, в окисные соединения, нерастворимые в воде. Этот процесс осуществляется особой специфической группой бактерий, называемых железобактериями. Физиологию их хорошо изучил С. Н. Виноградский (1888).

Наиболее важное значение в этом процессе имеют следующие группы бактерий:

1. Нитевидные бактерии - Leptothrix, Crenothrix и др. Клетки их покрыты общим слизистым влагалищем. Образовавшийся гидрат окиси железа откладывается у них во влагалищах в очень большом количестве, так что поперечник влагалища во много раз превышает поперечник бактерии.

2. Одноклеточные железобактерии - Gallionella, Spirophyllum и др. Окисление закиси железа происходит внутри клетки, а откладывается окись железа снаружи ее. Выпуклой стороной клетка поглощает из воды закисную соль железа, а вогнутой стороной выделяет гидрат окиси.

Железобактерии - аэробы, автотрофы. Углерод они усваивают из углекислоты. Энергию для усвоения углекислоты и для всей своей жизнедеятельности получают путем окисления закисного железа по уравнению:

2FeCО₃+3Н₂О+¹/₂О₂=2Fe(ОН)₃+2СО₂+29 ккал.

На построение 1 г своего тела им надо окислить 279 г закисного железа с образованием 534 г гидрата окиси железа. Отсюда видно, какое большое количество окиси железа они должны производить. Отмершие железобактерии, нагруженные окисью железа, падают на дно, постепенно уплотняются, и в конце концов образуется озерная, болотная руда. Железобактерии как бы собирают в одно место рассеянные в воде по крупицам железо и всегдашний спутник железа - марганец в железные и марганцевые конкреции, скопления которых образуют болотные руды.

Железобактерии чаще всего находятся в болотах, озерах, прудах, реках, а также в железистых источниках. Воды в них постоянно содержат растворимые соли закиси железа.

При размножении железобактерий Crenothrix polyspora в водопроводных трубах наблюдались случаи закупорки их просвета.

Микрофлора воздуха.

Воздух как среда обитания для микроорганизмов менее благоприятен, чем почва и вода, так как в нем не содержится или содержится очень мало питательных веществ, необходимых для размножения микроорганизмов. Кроме того, на них сильнее действуют такие неблагоприятные факторы, как высушивание и ультрафиолетовые лучи солнечного света. Тем не менее, попадая в воздух, многие микроорганизмы могут сохраняться в нем более или менее длительное время. Воздух особенно загрязнен вблизи земной поверхности, а с высотой он становится все более чистым. На степень загрязнения воздуха микробами влияют и климато-географические условия. Больше всего микробов в атмосфере содержится летом, меньше всего — зимой. Главным источником загрязнения воздуха является почва, в меньшей степени — вода.

В воздухе в естественных условиях обнаруживаются сотни видов сапрофитных микроорганизмов, представленных кокками (в том числе сардинами), споровыми бактериями и грибами, отличающимися большой устойчивостью к высушиванию и к другим неблагоприятным воздействиям внешней среды, например действию солнечных лучей. Нужно различать воздух открытых пространств (он относительно чист, так как сказывается действие солнечных лучей, высушивания и других факторов) и воздух закрытых помещений. В последних факторы самоочищения действуют слабее, поэтому и загрязненность может быть значительно больше. В воздухе закрытых помещений, особенно если они плохо проветриваются, накапливается микрофлора, выделяемая через дыхательные пути человека. Патогенные микроорганизмы попадают в воздух из мокроты и слюны при кашле, разговоре и чихании. Даже здоровый человек при каждом акте чихания выделяет в воздух 10 000-20 000 микробных тел, а больной — иногда во много раз больше.

Заслуга выяснения механизма передачи возбудителей заболеваний через воздух принадлежит П. Н. Лащенкову. Он одним из первых установил, что при чихании, кашле и разговоре в воздух выбрасывается множество капелек жидкости, внутри которых содержатся микроорганизмы. Особенно важно, что эти мельчайшие капельки могут часами удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии, т. е. образуют стойкие аэрозоли. В этих капельках за счет влаги микроорганизмы выживают дольше. Таким воздушно-капельным способом происходит заражение многими острыми ре­спираторными заболеваниями, в том числе гриппом и корью, а также коклюшем, дифтерией, легочной чумой и т. д. Этот путь распространения возбудителей — одна из основных причин развития не только эпидемий, но и крупных пандемий гриппа, а в прошлом и легочной чумы.

Помимо капельного способа, распространение патогенных микробов через воздух может осуществляться «пылевым» путем. Находящиеся в выделениях больных (мокроте, слизи и т. п.) микроорганизмы окружены белковым субстратом, поэтому они более устойчивы к высыханию и другим факторам. Когда такие капли высыхают, они превращаются в своеобразную бактериальную пыль (внутри белкового субстрата сохраняются и выживают многие патогенные бактерии). Частички бактериальной пыли имеют обычно диаметр от 1 до 100 мкм. У частиц диаметром более 100 мкм сила тяжести превышает сопротивление воздуха, и они быстро оседают. Скорость переноса бактериальной пыли зависит от интенсивности сил воздушных перемещений. Пылевой путь играет особенно важную роль в эпидемиологии туберкулеза, дифтерии, туляремии и других заболеваний. Узнать подробнее об этих заболеваниях и методах лечения вам помогут объявления от google adsense.

Количество микробов в воздухе варьирует в больших диапазонах — от нескольких бактерий до десятков тысяч их в 1 кубометре. В 1 г пыли может содержаться до 1 млн бактерий. Большое значение имеет чистота воздуха в операционных, реанимационных и перевязочных отделениях хирургических госпиталей. Общее количество микробов в операционной до операции не должно превышать 500 в 1 кубометре, а после операции - 1000 в 1 кубометре.

Для исследования микрофлоры воздуха используют различные методы: седиментационный (метод Коха), фильтрационный (воздух продувают через воду) и методы, основанные на принципе ударного действия воздушной струи с использованием специальных приборов. Последние методы наиболее надежны, так как позволяют точно определить количественное за­грязнение воздуха микроорганизмами и изучить их видовой состав.

В настоящее время в биотехнологической промышленности широко используются различные микробы-продуценты, в том числе генетически модифицированные формы их. Поскольку эта технология связана с неизбежными периодическими выпусками (интродукциями) в открытую систему (воздух, вода, почва) генетически измененных форм микроорганизмов, возникает важный вопрос об их дальнейшей судьбе и о возможном влиянии на биосферу и человечество. Несомненно, этот вопрос как часть общего вопроса охраны окружающей среды должен решаться в глобальном плане.

В воздухе всегда содержится то или иное количество микроорганизмов. При помощи воздуха происходит их распространение. Воздушным путем могут распространяться патогенные микробы, вызывающие болезни растений животных и человека.
Количество микроорганизмов в 1 куб м воздуха разных мест может достигать следующих размеров: в скотном дворе до 2 млн; в жилых помещениях – 20 тыс; на улицах городов - 5 тыс; в парках - 200; в морском воздухе - 1-2.
В воздухе распространены бактерии, водоросли, дрожжи, споры грибов на значительной высоте.
В воздухе животноводческих помещений всегда обнаруживается E. coli, стафилококки, грибы, протей и происходит аэрогенное заражение животных патогенными видами.
В воздухе методом стекол обрастания обнаружено размножение микробов на органическом веществе.
Исследование воздуха на наличие микроорганизмов проводят следующими методами: седиментационным, основанным на использовании ударного действия воздушной волны и фильтрационным.
Обеззараживание воздуха проводят: газами (фенол, С5Н6О3); аэрозольно (формалин с креолином); УФЛ; удалением воздуха (вентиляция); применением аэроионизаторов.
Контаминация воздуха патогенными микроорганизмами в виде аэрозоли происходит капельным путем при кашле, чихании и фырканье животных. Аэрозоль – коллоидная система, состоящая из воздуха, капелек жидкости или твердых частиц, и включающая различные микроорганизмы. Размер аэрозольных частиц варьирует от 10 до 2000 нм. При чихании может образовываться до 40000 капель. В зависимости от размера частиц, электрического заряда, скорости движения в воздухе различают капельную и пылевую фазы аэрозоля, а также капельные ядрышки.
Капельная фаза представлена мелкими каплями, длительно сохраняющимися в воздухе, но испаряющимися до оседания.
Пылевая фаза – крупные, быстро оседающие частицы, в результате, образующие пыль, способную подниматься в воздух.
Капельные ядрышки – мелкие капельки аэрозоля (до 100нм); высыхая остаются в воздухе во взвешенном состоянии и образуют устойчивую аэродисперсную систему. В них частично сохраняется влага, поддерживающая жизнеспособность микроорганизмов. Последние в составе капельных ядрышек могут переноситься на значительные расстояния.
Кроме того, микроорганизмы попадают в воздух со слущивающимся эпителием кожных покровов, из кормов и фекалий.

Микрофлора воды.

Природные воды представляют собой среду, в которой мик­роорганизмы могут размножаться. Интенсивность размножения микробов в воде зависит от ряда факторов и в первую очередь от наличия в ней пищи. Природные воды всегда содержат в большем или меньшем количестве растворенные органические и минеральные вещества, которые могут быть использованы микроорганизмами в процессе питания. Количественный и ка­чественный состав микрофлоры различных природных вод раз­нообразен.

Состав микрофлоры подземных вод (артезианской, ключевой и др.) зависит главным образом от глубины залега­ния водоносного слоя, характера грунта и почвы. Артезианские воды, находящиеся на больших глубинах, содержат очень мало микроорганизмов. Подземные воды, добываемые через обычные колодцы из неглубоких водоносных слоев, куда могут просачи­ваться поверхностные загрязнения, содержат обычно значитель­ные количества бактерий, среди которых могут быть и болезне­творные. Чем выше расположены грунтовые воды, тем обильнее их микрофлора.

Поверхностные воды, т. е. воды открытых водоемов (рек, озер, водохранилищ, прудов и т. п.), отличаются большим разнообразием и непостоянством химического состава и состава микрофлоры. Эти воды загрязняются остатками растений, про­мышленными и бытовыми отбросами. Загрязнения попадают в водоемы главным образом с дождевыми потоками и со сточ­ными водами промышленных производств. Вместе с различными органическими и минеральными загрязнениями в водоемы вно­сится масса микроорганизмов, среди которых могут попадать патогенные.

Возбудители кишечных инфекций и другие патогенные бак­терии в воде длительно сохраняются вирулентными. Так, воз­будитель брюшного тифа сохраняется в водопроводной воде 2— 93 дня, дизентерии—15—27, а холеры — 4—28 дней. В речной воде возбудители этих заболеваний сохраняют жизнеспособ­ность в течение соответственно 4—183 дней, 12—90 и 1 — 90 дней. Во льду также в течение нескольких недель остаются жизнеспособными бактерии коли-тифозной группы.

Состав и количество микробов открытого водоема зависят от химического состава воды, заселенности прибрежных райо­нов, времени года и других причин.

В чистых водоемах до 80% всей аэробной сапрофитной мик­рофлоры приходится на долю кокковых форм бактерий, осталь­ные — преимущественно бесспоровые палочковидные бактерии.

В реке, протекающей в районе крупных населенных пунктов или промышленных предприятий, вода может содержать сотни тысяч и миллионы бактерий в 1 см3, а выше этих пунктов — всего лишь сотни или тысячи бактерий.

В воде прибрежной зоны водоемов, особенно стоячих, мик­роорганизмов больше, чем вдали от берегов. Больше микроор­ганизмов содержится также в поверхностных слоях воды, но особенно много их в иле, главным образом в его верхнем слое, где образуется как бы пленка из бактерий, играющая большую роль в процессах превращения веществ в водоеме. Сильно воз­растает число бактерий в открытых водоемах во время весен­него половодья или после обильных дождей.

Среди водных организмов есть такие, массовое развитие ко­торых может принести значительный вред. Бурное развитие микроскопических водорослей обусловливает «цветение» водо­емов. Даже при небольшом цветении резко ухудшаются органолептнческие свойства воды, осложняется работа фильтров на водопроводных станциях. Массовое развитие некоторых видов сине-зеленых водорослей может служить причиной падежа скота, отравления рыбы, заболеваний людей.

Промышленные предприятия, используя воду в технологиче­ских процессах, предъявляют определенные требования к ее физическим свойствам и химическому составу, специфические для разных производств.

Пищевая промышленность предъявляет к воде особые тре­бования, Важное значение имеет не только химический состав воды, но и характер ее микробного населения. Вода непосред­ственно входит в состав ряда продуктов (напитков, бульонов, соусов и др.)- Ее употребляют также для мойки перерабатывае­мого пищевого сырья, аппаратуры, тары и т. п. Использование воды с большим количеством микробов приводит к чрезмерному обсеменению ими продуктов. В связи с этим вода, применяемая в пищевой промышленности и на предприятиях общественного питания, как и питьевая вода, должна соответствовать опреде­ленным санитарно-гигиеническим требованиям.

Питьевая вода по составу и свойствам должна быть безопасной в эпидемическом отношении, безвредной по химиче­скому составу и иметь хорошие органолептические свойства. Качество питьевой воды, подаваемой централизованными хо­зяйственно-питьевыми системами водоснабжения и водопрово­дами, оценивается комплексом химических, органолептических и бактериологических показателей. Общее число бактерий не должно превышать 100 клеток в 1 см3, количество кишечных палочек (коли-индекс) должно быть не более трех в 1 л, а коли-титр—-не менее 300 см3; при этом учитывают все разно­видности бактерий группы кишечной палочки (ГОСТ 2874—73). Вода колодцев и открытых водоемов признается доброкаче­ственной при коли-индексе не более 10 (коли-титр— не менее 100 см3), общее число бактерий должно быть не более 1000 в 1 см3.

В качестве источников водоснабжения используются откры­тые водоемы (реки, водохранилища) и подземные (артезиан­ские) воды. К водоисточникам предъявляют определенные требования. Вода их оценивается также по химическим, органолептическим, санитарно-бактериологическим показателям, в за­висимости от которых устанавливают методы обработки (очи­стки) и обеззараживания воды.

По степени микробного загрязнения различают три зоны водоема:

1) полисапробная зона — наиболее сильно загрязненная;
бедная кислородом, богатая органическими веществами. В 1 мл
воды содержится 1 млн клеток микробов и более. Преобладают клетки кишечной палочки и анаэробные бактерии, вызывающие процессы брожения и гниения;

2) мезосапробная зона — умеренно загрязненная вода, в кото­рой активно идет процесс минерализации органических веществс интенсивными процессами окисления и нитрификации. Содер­жание микроорганизмов в 1 мл воды составляет сотни тысяч кле­ток бактерий, кишечных палочек значительно меньше;

3) олигосапробная зона — зона чистой воды, содержащей в 1 мл десятки или сотни клеток, не более. В 1 л этой воды кишечная палочка отсутствует или выделяется несколько ее клеток. Это указывает на то, что самоочищение воды закончилось.

Микрофлора почвы.

Почва состоит из минеральных и органических соединений. Она – продукт жизнедеятельности микроорганизмов, осуществляюших процесс её формирования, самоочищения, круговорота азота, углерода, серы и железа в природе. Микроорганизмы почвы фиксируют азот из воздуха (около 100 млн т ежегодно), образуют гумус почвы и высвобождают питательные вещества для растений, выполняют санитарную функцию почвы.
Очаговость распространения микроорганизмов – главная особенность их экологии в почве, позволяющая сохранить виды почвенных микроорганизмов и специфичность группировок по горизонтам почвы. В верхних слоях обитают актиномицеты и аэробы. В нижних – грибы и анаэробы. Общее количество микроорганизмов уменьшается по мере углубления в почву. Независимо от глубины наиболее густо всегда заселена околокорневая (ризосферная) зона растений (от греч. rhiza – одежда). Качественный состав околокорневой микрофлоры зависит от вида растений, но во всех случаях преобладает грибная флора. Количество микроорганизмов околокорневой зоны в тысячи раз превышает микробное число не занятой растениями почвы. Этот факт используется при обезвреживании почвы, обсемененной патогенными бактериями.
Микрофлора почвы включает все известные группа микроорганизмов: споровые и споронеобразующие бактерии, актиномицеты, грибы, спирохеты, архебактерии, простейшие, сине-зеленые водоросли, микоплазмы и вирусы. В 1 г почвы насчитывается до 6 млрд микробных тел. На качественный и количественный состав микрофлоры почвы влияет тип почвы, её плодородие, влажность, аэрация и физико – химические свойства. На микробиоценоз почвы существенно влияет деятельность человека: обработка почвы, внесение удобрений, мелиорация, загрязнение отходами производств.
Особо опасным в санитарном отношении является загрязнение почвы необезвреженными отходами животноводства (навоз, моча, отходы боенского производства, трупы животных). Самоочищающая способность почвы ограничена, а методы обеззараживания почвы громоздки и малоэффективны (например, 5 кг хлорной извести на 1 м кв почвы).
Некоторые патогенные микроорганизмы в зависимости от экологических особенностей вегетируют в почве, и почва для них является естественным местом обитания. Другая группа, в том числе и споронеобразующие, длительно сохраняются в почве определеного физико – химического состава, где при благоприятном температурно – влажностном режиме размножается. К третьей группе относятся возбудители хламидиозов, риккетсии, вирусы и особо прихотливые бактерии. Они быстро отмирают в почве.
Обеззараживающая способность разных почв неодинакова и подчас почва может служить благоприятным субстратом для патогенных микроорганизмов. Почва как субстрат, состоящий из твердой фазы и воды, служит естественным местом обитания для возбудителей многих заразных болезней: клостридиозов, сибирской язвы, псевдотуберкулеза, листериоза, лептоспироза, эризипелоида, туберкулеза, мелиоидоза, синегнойной инфекции, дерматомикозов, микотоксикозов, холеры, иерсиниоза, сальмонеллеза.
Санитарное состояние почвы оценивают по коли – титру, количеству анаэробов, споровых и термофилов, по наличию яиц гельминтов и специфических возбудителей инфекций. Для чистой почвы титр кишечной палочки не более 1г, умеренно загрязненной – до 50 мг, для сильно загрязненной – 1-2 мг.
Обезвреживание почвы, обсемененной патогенными микроорганизмами, проводят механической обработкой и посевом растений. Применение химических веществ приводит к утрате почвой плодородия.