Полный курс за 3 дня. Микробиология

Конъюгация – обмен генетической информацией при непосредственном контакте донора и реципиента. Наиболее высокая частота передачи у плазмид, при этом плазмиды могут иметь разных хозяев. После образования между донором и реципиентом конъюгационного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше этот контакт, тем большая часть донорской ДНК может быть передана реципиенту.

Слияние протопластов – механизм обмена генетической информацией при непосредственном контакте участков цитоплазматической мембраны у бактерий, лишенных клеточной стенки.

Трансформация – передача генетической информации в виде изолированных фрагментов ДНК при нахождении реципиентной клетки в среде, содержащей ДНК-донора. Для трансдукции необходимо особое физиологическое состояние клетки-реципиента – компетентность. Это состояние присуще активно делящимся клеткам, в которых идут процессы репликации собственных нуклеиновых кислот. В таких клетках действует фактор компетенции – это белок, который вызывает повышение проницаемости клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, поэтому фрагмент ДНК может проникать в такую клетку.

Эффективность трансформации зависит от физико-химических условий, а также физиологического состояния реципиентов и трансформирующей ДНК.

Трансдукция – это передача генетической информации между бактериальными клетками с помощью умеренных трансдуцирующих фагов. Трансдуцирующие фаги могут переносить один или более генов. Трансдукция бывает:

1) специфической (переносится всегда один и тот же ген, трансдуцирующий фаг всегда располагается в одном и том же месте);

2) неспецифической (передаются разные гены, локализация трансдуцирующего фага непостоянна).

3. Бактериофаги

Бактериофаги (фаги) – это вирусы, поражающие клетки бактерий. Они не имеют клеточной структуры, не способны сами синтезировать нуклеиновые кислоты и белки, поэтому являются облигатными внутриклеточными паразитами. Бактериофаги широко распространены в природе и находятся в воде, почве, пищевых продуктах, различных выделениях из организма людей и животных. Выявляются у большинства патогенных и непатогенных микроорганизмов.

Фаги различаются по форме, типу взаимодействия с микробной клеткой и специфичности.

Большинство фагов имеет форму головастика или сперматозоида, некоторые фаги имеют кубическую или нитевидную форму. Размеры колеблются от 20 до 800 нм у нитевидных фагов.

Фаги, напоминающие своим внешним видом головастиков, изучены наиболее полно. Под микроскопом отчетливо видно, что они состоят из вытянутой икосаэдрической головки и хвостового отростка, внутри которого имеется цилиндрический стержень, сообщающийся отверстием с головкой. Снаружи хвостовой отросток покрыт чехлом, который способен сокращаться наподобие мышцы. Заканчивается хвостовой отросток шестиугольной базальной пластинкой, имеющей короткие шипы с нитевидными структурами, называемыми фибриллами.

Химический состав фагов ограничивается двумя основными химическими компонентами: нуклеиновыми кислотами (ДНК или РНК) и белком. Двунитчатая ДНК плотно упакована в виде спирали внутри головки. Белки же входят в состав оболочки, окружающей нуклеиновую кислоту, и во все структурные элементы хвостового отростка. Структурные белки фага различаются по составу полипептидов и бывают в виде множества идентичных субъединиц, которые уложены по спиральному или кубическому типу симметрии. У некоторых фагов, кроме структурных белков, обнаружены геномные, или внутренние, белки, связанные с нуклеиновой кислотой, а также белки-ферменты, которые участвуют во взаимодействии фага с клеткой.

Фаги по сравнению с бактериями являются более устойчивыми к действию химических и физических факторов. Так, ряд дезинфицирующих веществ не оказывает существенного влияния на фаги, но отмечается их высокая чувствительность к формалину и кислотам. При температуре 65–70 °С наступает инактивация большинства фагов. При высушиваниии в запаянных ампулах, а также при замораживании в глицерине при температуре – 185 °С они способны сохраняться длительное время. Ультрафиолетовые лучи и ионизирующая радиация вызывают их инактивацию, а в более низких дозах – мутацию.

Фаги могут существовать в двух формах:

1) внутриклеточной (это профаг, чистая ДНК);

2) внеклеточной (это вирион).

Фаги, как и другие вирусы, обладают антигенными свойствами и содержат группоспецифические и типоспецифические антигены.

Различают два типа взаимодействия фага с клеткой:

1) литический (продуктивная вирусная инфекция). Это тип взаимодействия, при котором происходит репродукция вируса в бактериальной клетке. Она при этом погибает. Вначале происходит адсорбция фагов на клеточной стенке. Затем следует фаза проникновения. В месте адсорбции фага действует лизоцим, и за счет сократительных белков хвостовой части в клетку впрыскивается нуклеиновая кислота фага. Далее следует средний период, в течение которого подавляется синтез клеточных компонентов и осуществляется дисконъюнктивный способ репродукции фага. При этом в области нуклеоида синтезируется нуклеиновая кислота фага, а затем на рибосомах осуществляется синтез белка. Фаги, обладающие литическим типом взаимодействия, называют вирулентными.

В заключительный период в результате самосборки белки укладываются вокруг нуклеиновой кислоты и образуются новые частицы фагов. Они выходят из клетки, разрывая ее клеточную стенку, т. е. происходит лизис бактерии;

2) лизогенный. Это умеренные фаги. При проникновении нуклеиновой кислоты в клетку идет интеграция ее в геном клетки, наблюдается длительное сожительство фага с клеткой без ее гибели. При изменении внешних условий могут происходить выход фага из интегрированной формы и развитие продуктивной вирусной инфекции.

Клетка, содержащая профаг в геноме, называется лизогенной и отличается от исходной наличием дополнительной генетической информации за счет генов профага. Это явление лизогенной конверсии.

По признаку специфичности выделяют:

1) поливалентные фаги (лизируют культуры одного семейства или рода бактерий);

2) моновалентные (лизируют культуры только одного вида бактерий);

3) типовые (способны вызывать лизис только определенных типов (вариантов) бактериальной культуры внутри вида бактерий).

Фаги могут применяться в качестве диагностических препаратов для установления рода и вида бактерий, выделенных в ходе бактериологического исследования. Однако чаще их применяют для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний. Умеренные фаги используются в качестве векторов для получения рекомбинантных ДНК в генной инженерии и биотехнологии.

Тема 5. Распространение микробов в природе и методы микробиологического контроля почвы, воды и воздуха

1. Микрофлора почвы

Плодородие почвы обеспечивается не только наличием в ней неорганических и органических веществ, но и различными видами микроорганизмов, которые обусловливают качественный состав почвы. Наиболее богаты микроорганизмами верхние слои почвы. Так, на глубине 5–15 см их содержится 1 000 000 в 1 мм

, но с увеличением глубины их число снижается, и на глубине 1,5 м и более можно встретить лишь единичные особи. Плотность микрофлоры особенно высока в черноземных, каштановых почвах, а также в хорошо удобряемых сероземах. Всего лишь 1 г плодородной почвы содержит несколько миллионов бактерий большинства известных к настоящему времени видов, миллион спор грибов, полсотни тысяч водорослей и четверть сотни тысяч простейших. Микрофлора плодородной почвы представлена микробными популяциями водорослей, актиномицетов, нитрифицирующих, денитрифицирующих, целлюлозоразлагающих бактерий, пигментных микробов, грибов, простейших, серобактерий, азотофиксирующих бактерий. Вместе с растениями и животными они составляют сложные и многообразные биогеноценозы, плотность и состав которых, а также функциональная активность и другие важные характеристики зависят прежде всего от типа и структуры почвы, от ее физико-химических показателей, в том числе от влажности и интенсивности инсоляции.

Почвенные микроорганизмы участвуют во всех процессах превращения веществ и энергии. При этом они осуществляют синтез биомассы и аккумуляцию энергии, биологическую фиксацию азота, брожение, гниение, нитрификацию и т. д. Так как все эти процессы протекают в природе с достаточно большой скоростью, то в результате происходит относительно быстрое превращение органических веществ в гумус, определяющий плодородие почвы.

Через почву могут передаваться возбудители многих инфекционных заболеваний, таких как столбняк, газовая гангрена, ботулизм.

Аспорогенные, патогенные и условно-патогенные бактерии, а также многие вирусы способны выживать в почве в течение от нескольких дней до нескольких месяцев, а споры возбудителей столбняка, сибирской язвы, анаэробной раневой инфекции могут сохраняться в течение многих лет. Кроме того, для возбудителей ботулизма, актиномикоза, глубоких микозов и микотоксикозов почва и вовсе является естественной средой обитания. Поэтому ранения кожных покровов, загрязненные землей, требуют безотлагательной профилактики с целью предупреждения развития раневой инфекции.

2. Микрофлора воды

Вода открытых морских и пресноводных водоемов, так же как и почва, является естественной средой обитания разнообразных бактерий, грибов, вирусов, микроскопических водорослей, простейших, также участвующих в циклах превращений соединений азота, углерода, серы, фосфора и других важных элементов. При этом отмечается обеднение микрофлорой грунтовых вод: в них содержатся лишь единичные микроорганизмы. Это объясняется их задержкой более верхними слоями почвы.

Так же как и в различных слоях почвы, состав микроорганизмов в различных слоях воды неодинаков и обусловлен степенью их адаптации к определенным условиям, включающим физико-химические условия, освещенность, степень растворимости кислорода и диоксида углерода, содержание органических и минеральных веществ и др. Этим обусловлены и различия в функциях микроорганизмов на поверхности воды и на дне водоема. Так, на поверхности воды микроорганизмы образуют пленку, в которой протекают процессы фотосинтеза. На дне, в иле, при наличии анаэробных условий активно протекают процессы гниения и брожения, хемоавтотрофного, метилтрофного и гетеротрофного синтеза.

Количественный и качественный состав микрофлоры воды также зависит от состава и концентрации минеральных и органических веществ, физико-химического состояния, рН среды, температуры и иных факторов. Так, в водоемах с низким содержанием органических соединений распространены сапрофитные микроорганизмы, не проявляющие требовательности к питательным субстратам. При повышенном содержании органических веществ в воде отмечается бурный рост популяции микроорганизмов, более требовательных к питательным веществам, что стимулирует их потребление простейшими, а это в свою очередь приводит к разрастанию водорослей с последующим явлением «цветения» воды.

В водах пресных водоемов встречаются кокковидные (микрококки), палочковидные (псевдомонады, аэромонады и др.) и извитые бактерии. При загрязнении воды органическими веществами увеличивается число анаэробных (особенно в иле на дне водоема) и аэробных бактерий, а также грибов. При этом микрофлора воды способна выполнять и роль активного фактора в процессе самоочищения воды от органических отходов, утилизирующихся микроорганизмами.

В отличие от тех возбудителей, которые могут находиться в почве, для водных источников характерна другая группа условно-патогенных и патогенных микроорганизмов. К ним относят возбудителей заболеваний, имеющих водный путь передачи: лептоспироза, туляремии, гепатита А, острых кишечных инфекций (например, дизентерии, брюшного тифа и холеры, которые могут принимать характер водных эпидемий). Загрязнение водоемов данными видами микроорганизмов происходит в результате поступления в них фекально-бытовых сточных вод из прибрежных населенных пунктов, а также сточных вод животноводческих и птицеводческих хозяйств, попадания в воду трупов животных, погибших от различных инфекций. Таким образом, при массивном поступлении фекально-бытовых, а также ливневых и промышленных сточных вод в водоемах отмечается увеличение содержания заносных условно-патогенных и патогенных микробов. При этом, даже если в воде условия для их жизнедеятельности не являются благоприятными, они способны переживать их какое-то время. Сроки выживания во многом зависят от степени интенсивности процессов самоочищения воды и свойств самих микроорганизмов.

3. Микрофлора воздуха

Микрофлора воздуха во многом связана с микрофлорой почвы и воды, но тем не менее является самой непригодной для размножения микроорганизмов вследствие отсутствия питательных веществ, достаточного количества влаги и высушивания под солнечными лучами. Все эти факторы обусловливают быструю гибель микробов в воздухе. Эти же причины определяют видовой и численный состав микрофлоры атмосферного воздуха, ее вариабельность и динамичность. Большее количество микроорганизмов отмечается в воздухе больших населенных пунктов, меньшее – в воздухе сельской местности, над лесами, горами и морями.

Состав микрофлоры воздуха зависит от состава микрофлоры почвы, воды, времени года, климатических и метеорологических условий. Так, при достаточно высокой температуре и влажности воздуха микроорганизмов в нем гораздо больше, чем в сухом холодном воздухе. Чаще всего в воздухе находятся споровые формы бактерий и грибов; аспорогенные бактерии представлены чаще пигментообразующими видами.

Что касается воздуха закрытых помещений, то он может содержать и микрофлору верхних дыхательных путей и кожи человека. Обсемененность воздуха помещения во многом зависит от объема самого помещения, степени уборки, освещенности, частоты проветриваний, количества людей (и состояния их здоровья) в данном помещении, вида трудовой деятельности и других факторов.

Бактерии, вирусы и грибы попадают в воздух транзиторно в процессе жизнедеятельности человека (при разговоре, чиханьи, кашле) и сохраняются в воздухе в течение времени, достаточного для инфицирования находящихся в помещении людей. Так они становятся причиной заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем. К таким заболеваниям относят: скарлатину, дифтерию, коклюш, туберкулез, стафилококковые инфекции, являющиеся бактериальными инфекциями, и грипп, парагрипп, корь и другие вирусные инфекции.

4. Санитарно-бактериологические исследования

Загрязнение объектов окружающей среды условно-патогенными и патогенными микроорганизмами представляет собой серьезную эпидемиологическую опасность. В связи с этим санитарно-бактериологические исследования приобретают важное практическое значение, так как позволяют оценить санитарно-гигиеническое состояние почвы, воды и воздуха. Эти исследования проводятся центрами государственного противоэпидемического надзора по следующим критериям:

1) общее микробное число (ОМЧ) – общее количество микроорганизмов в определенном объеме воздуха или воды;

2) наличие санитарно-показательных микроорганизмов – условно-патогенных микроорганизмов, присутствие которых в пробе свидетельствует о возможном загрязнении того или иного объекта патогенными бактериями, которые поражают те же органы и ткани или полости организма и животных, в которых обитают и эти условно-патогенные микроорганизмы. Кроме того, наличие санитарно-показательных организмов в объектах внешней среды является свидетельством загрязнения их экскретами человека или животных, а их количественный учет позволяет определить массивность загрязнения и степень эпидемической опасности объекта.