МИКРООРГАНИЗМЫ – БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Реферат. В статье рассмотрены вопросы возможности использования микроорганизмов в качестве биоиндикаторов как наиболее актуального научно-прикладного направления профилактической медицины и экологии человека. Применение в данном качестве представителей микробиома человека позволяет оценить микробиологическую чистоту почвы и воды – одну из характеристик, обеспечивающих качество жизни человека и сохраняющих его здоровье. Микроорганизмы – наиболее чувствительные и удобные компоненты открытых водоемов, позволяющие осуществить раннюю индикацию состояния гомеостаза водной экосистемы в зависимости от интенсивности и характера антропогенных нагрузок. Значительное количество водных микроорганизмов участвует в биотрансформации различных химических соединений. Такие бактерии можно использовать для оценки экологического состояния водных объектов. Структура формирующихся в почве микробных сообществ отражает приспособление микроорганизмов к условиям, складывающимся в конкретных почвах, изменения в составе и структуре, а также активность микробных сообществ и коррелирует с процессами, происходящими в почве под влиянием антропогенных воздействий. Поэтому микроорганизмы являются надежными индикаторами как экологического, так и санитарного состояния почвы. С этой целью определяют следующие микробиологические показатели: общее микробное число, видовое разнообразие почвенной микробиоты, интенсивность процессов азотфиксации и нитрификации, ферментативную активность микроорганизмов и ряд других. Микроорганизмы обладают высокой фенотипической изменчивостью и быстро реагируют на изменение среды их обитания. Использование микроорганизмов в качестве биоиндикаторов позволит объективно оценить взаимосвязь между антропогенным загрязнением объектов окружающей среды и микробиологическими показателями, что представляет несомненный интерес для прикладной биологии. В статье описана и проанализирована эффективность биоиндикационного метода исследования воды и почвы в медицинском и экологическом аспектах.

Ключевые слова: микроорганизмы, биологическая индикация, почва, вода, методы оценки.

В настоящее время одним из актуальных научно-прикладных направлений профилактической медицины и экологии человека является контроль безопасности объектов окружающей среды методами биоиндикации. Особый интерес в данном аспекте представляют микроорганизмы, как участвующие в процессах самоочищения почвы и воды, так и отражающие антропогенные контаминации указанных объектов.

Использование в качестве биоиндикаторов представителей микробиома человека позволяет оценить микробиологическую чистоту почвы и воды – одну из характеристик, обеспечивающих качество жизни человека и сохраняющих его здоровье. Спрогнозировать воздействие на здоровье человека контаминированных объектов внешней среды возможно, если использовать интегральные методы оценки, включающие комплексное использование аналитической и биологической диагностики. Преимуществом широкого использования методов биологической индикации в последнее время является невысокая стоимость данных исследований, не требующих эксплуатации сложного оборудования и специальной подготовки кадров. Далее в статье рассматривается возможность использование микроорганизмов в целях биоиндикации применительно к различным объектам окружающей среды.

Микроорганизмы – наиболее чувствительные и удобные компоненты открытых водоемов, позволяющие осуществить раннюю индикацию состояния гомеостаза водной экосистемы в зависимости от интенсивности и характера антропогенных нагрузок. Безопасность воды характеризуют такие микробиологические показатели, как общее микробное число (ОМЧ), преобладающие морфологические формы, видовое разнообразие микроорганизмов, присутствие санитарно-показательных микробов, продукты микробного метаболизма, отражающие процессы деструкции и биосинтеза органических веществ. Перечисленные показатели позволяют оценить степень антропогенного воздействия на водоем и его безопасность для человека. Еще в начале прошлого века были предприняты первые попытки биологического анализа пресных вод, предложены критерии градации водоемов по степени сапробности в зависимости от их загрязнения органическими веществами. Для каждой зоны характерны свои микробиологические показатели. Полисапробная зона характеризуется самой высокой степенью загрязнения. Число сапрофитных бактерий здесь насчитывает миллионы клеток в 1 мл воды. Здесь преобладают бактериальные зооглеи, нитчатые серобактерии, показательными микробами являются Spirillum tenue, Spirillum volutans. В альфа-мезосапробных водах концентрация кислорода несколько выше, чем в полисапробной зоне. Здесь в значительном количестве присутствуют серобактерии и бактериальные зооглеи, в качестве показательных микроорганизмов используют Spirochaeta plicatilis, Sphaerotilus natans. Бета-мезосапробные воды содержат значительное количество кислорода, нитратов и нитритов. ОМЧ данной зоны оценивается десятками тысяч клеток в 1 мл воды, показательными микроорганизмами являются Cladothrix dichotomata, Lampropediahyaline. Практически чистыми являются олигосапробные воды. Здесь незначительное количество органических веществ, число сапрофитных бактерий не более 1000 клеток/мл, показательные микробы Leptothrix ochraceae, Gallionella ferruginea. Несмотря на разнообразие микробиологических показателей, используемых для оценки процессов самоочищения, данные критерии имеют существенные недостатки, связанные со сложностями культивирования водных микроорганизмов и индивидуальностью микробного пейзажа каждого водоема. Новейшие подходы к биоиндикации в настоящее время основаны на прямой детекции водных микроорганизмов или их нуклеиновых кислот. Методы электронной микроскопии препаратов из проб природных вод позволяют выявить следующие закономерности: в чистых участках водных объектов преобладают банальные формы – палочки, кокки, вибрионы. В зонах антропогенного загрязнения воды появляются микроорганизмы – гетеротрофы, имеющие морфологические особенности: нитевидные, спириллы, клетки с выростами, легко распознаваемые методами световой микроскопии.

Значительное количество вод­ных микроорганизмов являются участниками биогеохимических процессов, а именно в биотрансформации различных химических соединений. Такие бактерии можно использовать для оценки экологического состояния водных объектов. В целях биоиндикации открытых водоемов применяют в основном микроорганизмы цикла азота. В настоящее время известно более 80 видов микроорганизмов, обладающих способностью фиксировать молекулярный азот: это микробы родов Azotobacter, Azomonas, Azorhizobium и др. Бактерии аммонификаторы вызывают гниение – многоэтапный процесс расщепления органических соединений, осуществляемый ферментами микроорганизмов. Процесс распада начинается с гидролиза под влиянием микробных протеиназ, полипептидаз, дипептидаз; при этом конечным продуктом являются аминокислоты. Затем под действием дезаминаз, дегидраз, декарбоксилаз происходит дезаминирование аминокислот с образованием аммиака и других соединений. В процессе гниения образуются биогенные амины, метан, метиламин, сероводород, мускарин и другие вещества. В процессе гниения участвуют аэробные бактерии (Bacillus subtilis, Serratia marcescens, бактерии рода Proteus), грибы рода Aspergillus, Mucor, Penicillium; анаэробы (Clostridium sporogenes); уробактерии (Sporosarcina ureae и др.). Бактерии нитрофикаторы, представители семейства Nitrobacteriaceae, по окисляемому соединению азота делят на две группы: бактерии, окисляющие нитрит (родов Nitrobacter, Nitrospina, Nitrospira, Nitrococcus) и бактерии, окисляющие аммиак (родов Nitrosomonas, Nitrоsococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitroso­vibrio). Восстановление нитратов до аммиака и свободного азота называется денитрификацией. Процесс протекает в анаэробных условиях (в плохо аэрируемой почве). Активными денитрификаторами являются псевдомонады (Pseudomonas aeruginosa и др.).

Для оценки санитарного состояния водных объектов также часто используется биоиндикационный показатель – общее микробное число, который позволяет определить интенсивность процессов деструкции органического вещества водоема и коррелирует со степенью трофности водного объекта. Согласно классификации качества воды по микробиологическим показателям, принятым в нашей стране, для очень чистых вод характерно ОМЧ менее 0,6 × 103 клеток/мл, соответственно для очень грязных – более 104 клеток/мл. ОМЧ определяют, используя методы титрования воды, глубинного посева, инкубирования, подсчеты выросших колоний [1, 2, 3].

Почва является главным резервуаром и естественной средой обитания микроорганизмов, которые принимают активное участие в процессах формирования и самоочищения почвы, а также в круговороте веществ и элементов в природе (азота, углерода, серы, железа, других соединений). Качественный состав микрофлоры очень разнообразен: бактерии (преимущественно спорообразующие), спирохеты, актиномицеты, простейшие, грибы, вирусы; соотношения между различными группами микроорганизмов изменяются в зависимости от вида почв, способов ее обработки, содержания органических веществ, влаги, от климатических условий и многих других причин. Микроорганизмы находятся в сложном биоценозе, характеризующемся антагонистическими и симбиотическими взаимоотношениями; нередко жизнедеятельность одних групп микроорганизмов подавляется действием антибиотических веществ или бактериоцинов, выделяемых другими микроорганизмами. Структура формирующихся в почве микробных сообществ отражает приспособление микроорганизмов к условиям, складывающимся в конкретных почвах, изменения в составе и структуре, а также активность микробных сообществ коррелирует с процессами, происходящими в почве под влиянием антропогенных воздействий. Поэтому микроорганизмы являются надежными индикаторами как экологического, так и санитарного состояния почвы. С этой целью определяют следующие микробиологические показатели: общее микробное число, видовое разнообразие почвенной микробиоты, интенсивность процессов азотфиксации и нитрификации, ферментативную активность микроорганизмов и ряд других показателей.

Распад углеводов под действием почвенных микробов при различных типах брожения всегда начинается с гликолиза, ведущего к образованию пировиноградной кислоты. Дальнейшие превращения углеводов при различных типах брожения отличаются. Пировиноградная кислота расщепляется ферментом пируватдекарбоксилазой до уксусного альдегида; завершающим этапом является образование этанола. Спиртовое брожение характерно для пекарских дрожжей (Saccharomyces cervisiae); диких дрожжей (Cryptococus, Mycoderma, Torula). В молочнокислом брожении участвуют две группы молочнокислых бактерий: гомоферментативные и гетероферментативные. Первые образуют преимущественно молочную кислоту (Lactococcus lactis, Lactobacillus acidophilus и др.); вторые наряду с молочной образуют уксусную и янтарную кислоты, этиловый спирт, углекислый газ, ароматические вещества (Escherichia coli, Leuconostos mesenteroides). Возбудителями маслянокислого брожения является большая группа анаэробных спорообразующих клостридий (Clostridium butiricum и  C. pasteurianum), которые встречаются в почве, иле, на овощах и т. д. Целлюлоза в составе почвы является главной составной частью всякого растительного материала. Растительные остатки, попавшие в почву, на 40–70%
состоят из целлюлозы. Ведущая роль в минерализации и утилизации клетчатки принадлежит микробам. Расщепление целлюлозы осуществляется под воздействием фермента целлюлазы. В аэробных условиях клетчатку разлагают преимущественно грибы (родов Fusarium, Chaetomium) и аэробные миксобактерии (родов Cytophaga, Sporocytophaga). В анаэробных условиях целлюлозу расщепляют мезофильные и термофильные клостридии (Clostridium thermocellum, Clostridium cellobioparum). Кроме целлюлозы, другим главным компонентом растительных тканей является лигнин. Лигнин служит главным источником медленно распадающегося органического вещества почвы, в особенности гуминовых почв. Некоторые микроорганизмы могут разлагать лигнин даже в живых растениях. Базидиомицеты (Polystictus versicolor, Stereum hirsu­tum, Polyporus adustus) превращают древесину в красновато-коричневую массу или разрушают ее с образованием белой массы. Большинство возбудителей пектинового брожения относится к факультативно анаэробным спорообразующим подвижным бактериям (Clostridium felsineum, Clostridium winogradskyi). Из аэробов наибольшее значение имеют микроорганизмы рода Pectinobacterium, грибы родов Cladosporium, Alternaria. Превращение веществ, содержащих серу, с участием микроорганизмов состоит из двух процессов: восстановление органических и неорганических соединений серы до сероводорода («серное дыхание микроорганизмов»; в этих процессах принимают участие бактерии родов Desulfotomaculum, Desulfomonas, Desulfovibrio) и окисление восстановленных соединений до серы и серной кислоты (в нем принимают участие грамотрицательные бактерии родов Thiobacillus, Thiocapsa, Thiocystis, а также бактерии из родов Thiomicrospira, Sulfolobus). При окислении сульфидов сера откладывается либо вне, либо внутри клеток микроорганизмов, образуя включения. В круговороте осадочного типа фосфор из фосфатных месторождений на суше и мелководных океанических осадков постепенно перемещается в состав живых организмов и обратно. Соединения фосфора с образованием фосфорной кислоты минерализуют Bacillus megaterium var. phosphaticum и другие бактерии [4].

Количество почвенных микроорганизмов отличается значительной динамичностью и зависит от ряда причин: вида почвы, методов рекультивации, а также присутствия разнообразных загрязнителей. ОМЧ почвы можно определить различными методами, но основным является бактериологический, который заключается в посеве почвенной суспензии на питательные среды. ОМЧ незагрязненных дерново-подзолистых почв не превышает 106 клеток/г, черноземы более заселены сапрофитными бактериями. При загрязнении почв органическими веществами количество сапрофитов резко возрастает [5].

Результаты микробиологического исследования почв учитывают при определении и прогнозе степени их опасности для здоровья и условий проживания населения, профилактике инфекционной и неинфекционной заболеваемости, реализации санационных операций в рамках комплексных природоохранных программ и санитарно-экологических мероприятий. Микробиологические показатели биоиндикации, такие как количество Escherichia coli, Enterococcus spp., патогенные Enterobacteriaceae и Enterovirus spp., позволяют охарактеризовать почву как чистую или загрязненную. Например, в чистых почвах зон повышенного риска, таких как территории детских дошкольных учреждений, школ, зон рекреации, огородов, патогенные энтеробактерии и энтеровирусы должны отсутствовать, а количество Escherichia coli, Enterococcus spp. должно находиться в диапазоне до 10 клеток/г почвы.

Разработана схема оценки санитарного состояния почвы, позволяющая определить стадию процесса самоочищения по четырем микробиологическим показателям: кишечная палочка, нитрифицирующие бактерии, Clostridium perfringens, термофильные микроорганизмы. Наличие кишечной палочки в титрах 0,9 и ниже свидетельствует о свежем фекальном загрязнении почвы. Одновременно могут быть зарегистрированы низкие титры Clostridium perfringens и нитрификаторов. В процессе самоочищения на разных этапах возникают различные количественные соотношения этих показателей. Высокий титр (1,0 и выше) кишечной палочки при низких титрах остальных трех показателей характеризует почву как чистую, но в которой еще не закончились процессы распада и минерализации органических веществ. Высокие титры всех показателей свидетельствуют о законченных процессах самоочищения и характеризуют почву как чистую, свободную от патогенных энтеробактерий и органических загрязнений. Повышенное содержание в почве термофилов (более 103 клеток/г) указывает на загрязнение органическими веществами. Существенным недостатком данных микробиологических показателей является отсутствие информации о возможном присутствии в почве возбудителей инфекционных заболеваний (столбняка, сибирской язвы, ботулизма и др.), что требует проведения дополнительных исследований [6, 7].

Однако только санитарно-микробиологическое исследование почвы не позволяет оценить степень антропогенного воздействия на нее. Наиболее опасно химическое загрязнение, которое по своему воздействию существенно превосходит физическое воздействие на почвы. Значительное внимание в настоящее время уделяется загрязнению почв нефтепродуктами и тяжелыми металлами. Разливы нефти и нефтепродуктов приводят к сильнейшему сдвигу в составе микробиоты. Представители родов Pseudomona sspp., Rhodococcu sspp., Nocardia spp., Methilococcu sspp. и др. в качестве источника углерода используют нефтяные углеводороды, поэтому данные бактерии служат индикаторами антропогенного загрязнения нефтью. Тяжелые металлы – одни из опаснейших почвенных поллютантов. Биохимические и физиологические реакции микроорганизмов возможно использовать для ранней индикации загрязнения почв, так как тяжелые металлы оказывают сильное негативное воздействие на такие бактериальные ферменты, как пероксидазы, фосфатазы и др. Разработаны и внедрены в практику методы оценки биохимической активности микробных сообществ, позволяющие использовать их в биоиндикационных целях [8, 9, 10].

Таким образом, микроорганизмы обладают высокой фенотипической изменчивостью и быстро реагируют на изменение среды их обитания – почвы, воды. Следовательно, использование микроорганизмов в качестве биоиндикаторов позволит объективно оценить взаимосвязь между антропогенным загрязнением объектов окружающей среды и микробиологическими показателями, что представляет несомненный интерес для профилактической медицины и экологии человека.

Литература

  1. Кондакова Г. В. Бактериальные процессы циклов углерода и азота в глубинных водах литосферы // «Вестник МГУ». Серия 16. Биология. 2002. – № 4. – С. 26–33.
  2. Кондакова Г. В. Биоиндикация. Микробиологические показатели. – Ярославль: ЯрГУ, 2007. – 136 с.
  3. Оксиюк О. П. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши // Гидробиологический журнал. – 1993. – Т. 29, № 4. – С. 62–77.
  4. Санитарная микробиология : учеб. пособие для студентов медико-профилактического, лечебного и стоматологического факультетов / В. И. Коноплева, О. В. Евдокимова, В. В. Бирюков. Рязань : ГОУ ВПО «РязГМУ Росздрава», 2009. – 95 с.
  5. Мишустин Е. Н. Санитарная микробиология почвы. – М. : Наука, 1979. – 304 с.
  6. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. Методические указания МУ 2.1.7.730-99 Минздрав России Москва-1999.
  7. МУ 1446-76 Методические указания по санитарно-микробиологическому исследованию почвы (с Изменениями) (с изм., внесенными Методическими указаниями, утв. Минздравом СССР 19.02.1981 N 2293-81, МУ 2.1.7.730-99, утв. Минздравом РФ 07.02.1999).
  8. Гусева Т. М., Евдокимова О. В. Использование микробных ценозов с участием Bacillus spp. и Clostridium spp. для оценки загрязнения почвы тяжелыми металлами // Вестник современных исследований. – 2017. – Вып. 9-1(12).  – С. 19–23.
  9. Гузев В. С. Тяжелые металлы как фактор воздействия на микробную систему почв // Экологическая роль микробных метаболитов / под ред. Д. Г. Звягинцева. М. : Изд-во МГУ, 1986. – С. 82–104.
  10. Драчук С. В. Фотогетеротрофные пурпурные бактерии в почвах, загрязненных углеводородами : автореф. дис. ... канд. биол. наук. – Тюмень, 2004. – 23 с.

Метки: Общая биология