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 мм3, 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.
Кроме общего микробного числа, существуют два критерия состояния почвы:
1) присутствие бактерий группы кишечной палочки;
2) наличие патогенных и условно-патогенных энтеробактерий.
По общему микробному числу микроорганизмов на 1 г почвы делятся на:
1) чистые (до 10 000);
2) слабозагрязненные (до 100 000);
3) сильнозагрязненные (более 1 000 000).
Этот показатель важен для оценки пригодности земли для хозяйственных застроек, организации зон отдыха, охранных зон источников водоснабжения.
В качестве санитарно-показательных микроорганизмов почвы выбраны представители бактерий семейства Enterobacteriaceae, так как они являются представителями нормальной микрофлоры кишечника и так же, как и патогенные энтеробактерии – возбудители острых кишечных инфекций, не приспособлены к самостоятельному существованию, т. е. все представители этого семейства (патогенные и условно-патогенные), как правило, не размножаются в воде и не могут сохраняться в ней достаточно длительный срок; при этом многие из них имеют примерно одинаковую продолжительность выживания.
Санитарно-микробиологическое исследование почвы регламентируется МУ 2.1.7.730-99 «Гигиеническая оценка качеств почв населенных мест». В соответствии со схемой оценки эпидемической опасности почв населенных пунктов, приведенной в данном нормативном документе, загрязненной считается почва, содержащая бактерии группы кишечной палочки (БГКП) в количестве больше 10 клеток на 1 г почвы.
Санитарное состояние воды оценивается по таким критериям, как:
1) общее микробное число (ОМЧ). Для питьевой воды нормальным считается общее микробное число в 1 мл воды, не превышающее 100 КОЕ (колониеобразующих единиц)/мл. Для источников непитьевого водоснабжения и для открытых водоемов значение этого показателя значительно выше;
2) наиболее вероятное число колиформных бактерий (НВЧ) – грамотрицательных, не образующих спор палочек, не обладающих оксидазной активностью, ферментирующих лактозу или манит при температуре 37 °С в течение 24 ч (лактозоположительные кишечные палочки). НВЧ не должно быть больше 0,7 в 100 мл воды;
3) число термотолерантных колиформных бактерий (ТКБ), обладающих всеми признаками колиформных бактерий, кроме этого, способных ферментировать лактозу до кислоты из газа при температуре 44 °С в течение 24 ч. Наличие термотолерантных колиформных бактерий является свидетельством свежефекального загрязнения воды.
Колиформные бактерии и термолатентные колиформные бактерии должны быть обнаружены более чем в 300 мл воды.
Бактерии семейства Enterobacteriaceae выбраны санитарно-показательными микроорганизмами воды по тем же причинам, что и для почвы.
Нормативными документами, регламентирующими санитарно-микробиологическое исследование воды, являются ГОСТ-18963073 и МУК 4.2.671-97 «Методы санитарно-микробиологического анализа питьевой воды».
Санитарно-микробиологическое исследование воздуха подразумевает изучение воздуха только тех или иных закрытых помещений по таким критериям, как:
1) общее микробное число в 1 м3 воздуха;
2) наличие в 1 м3 воздуха санитарно-показательных микроорганизмов, которыми в данном случае являются золотистый стафилококк и синегнойная палочка (последняя – только в воздухе медицинских учреждений хирургического профиля). Золотистый стафилококк является санитарно-показательным микроорганизмом в связи с тем, что в воздухе наряду с условно-патогенными и патогенными микроорганизмами, являющимися возбудителями широкого спектра инфекционных заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, чаще всего выявляются представители нормальной микрофлоры кожи и верхних дыхательных путей.
Стоит отметить, что золотистый стафилококк и синегнойная палочка являются основными возбудителями внутрибольничных инфекций, поэтому контроль бактериального загрязнения воздуха этими бактериями является одним из важнейших путей их профилактики.
Уровень микробной загрязненности воздуха лечебно-профилактических учреждений и специальных производств (по общему микробному числу) нормируется приказами Минздрава России и различными методическими рекомендациями. Посев воздуха с целью выделения возбудителей внутрибольничных инфекций производится по эпидемиологическим показаниям.
5. Роль микроорганизмов в круговороте веществ
Минерализация органических соединений растительного и животного происхождения до углерода, азота, серы, фосфора и иного происходит с помощью микроорганизмов.
Круговорот углерода протекает при активном участии в нем растений, водорослей, цианобактерий, которые фиксируют СО2 в процессе фотосинтеза, а также при участии микроорганизмов, разлагающих органические вещества отмерших растений и животных с выделением СО2. Аэробное разложение органических веществ сопровождается образованием СО2 и воды, анаэробное брожение – кислотами, спиртами и СО2.
Атмосферный азот связывают только клубеньковые бактерии и свободноживущие почвенные микроорганизмы. Псевдомонады, протей, бациллы, клостридии минерализуют органические соединения растительных, животных и микробных остатков, превращая их в соединения аммония. Этот процесс получил название аммонификации (или минерализации азота). Во время распада белков в присутствии кислорода образуются диоксид углерода, аммиак, сульфаты и вода, при отсутствии кислорода – аммиак, амины, диоксид углерода, органические кислоты, индол, скатол, сероводород. Наиболее усвояемыми для растений являются нитраты, или азотнокислые соли. Они появляются при распаде органических веществ в процессе окисления аммиака до азотистой, а впоследствии – и азотной кислоты. Этот процесс называется нитрификацией, а микроорганизмы, вызывающие его, – нитрифицирующими. Процесс нитрификации протекает в две фазы:
1) аммиак окисляется до азотистой кислоты с образованием нитритов. Этот процесс осуществляют бактерии рода нитрозомонас и др.;
2) азотистая кислота окисляется до азотной и превращается в нитраты. Этот процесс обеспечивают бактерии рода нитробактер и др.
Процесс нитрификации является примером взаимоотношений микроорганизмов, при которых один микроорганизм размножается, используя продукты жизнедеятельности другого микроорганизма.
Нитраты играют двоякую роль в плодородии почвы: с одной стороны они повышают плодородие, а с другой – в результате процесса денитрификации восстанавливаются с выделением свободного азота. Этот процесс обедняет запас азота в виде солей в почве, приводя тем самым к снижению ее плодородия.