Микробиология (от греч. mikros – малый, bios – жизнь, logos – учение) является одной из биологических наук. Она изучает строение, жизнедеятельность, закономерности и условия развития организмов, большинство которых можно видеть только с помощью микроскопа.

Размеры многих из них настолько малы, что в капле воды их могут быть миллионы. Эти организмы называют микроорганизмами или микробами. Мир микробов богат и разнообразен. Большинство микроорганизмов одноклеточные, но имеются и многоклеточные, однако дифференциация клеток на ткани и органы у них отсутствует. Известны формы и не имеющие клеточного строения. Многие микроорганизмы принадлежат к низшим растительным организмам, некоторые – к низшим животным, но есть и такие, которые нельзя отнести ни к животным, ни к растениям. Микроорганизмы широко распространены в природе – в почве, воде и воздухе всех климатических зон. Множество различных микробов живет на поверхности тела и в кишечнике животных и людей, на растениях, на окружающих нас предметах и пищевых продуктах.

Академик В. Л. Омелянский писал: «Невидимые, они постоянно сопровождают человека, вторгаясь в его жизнь то как друзья, то как враги». Существование многочисленных видов микробов обусловлено следующими основными факторами: их способностью потреблять разнообразную пищу, приспособляемостью к условиям существования, высокой выносливостью к теплу, холоду и недостатку влаги, способностью к быстрому размножению. Велико значение микроорганизмов в жизни нашей планеты. Они активно участвуют в различных превращениях веществ в природе. С их жизнедеятельностью связано образование каменного угля, нефти, некоторых руд, торфа. Большую роль играют микробы в почвообразовательных процессах, способствуя повышению урожайности сельскохозяйственных культур.

Используют микроорганизмы и в промышленном производстве органических кислот (молочной, масляной, лимонной и др.), ацетона, бутилового и этилового спиртов, витаминов, аминокислот, ферментных препаратов и антибиотиков.

Многие микроорганизмы с давних пор применяют в пищевой и легкой промышленности, а также в домашнем хозяйстве. С использованием дрожжей, например, производят пиво, тесто для хлеба. Молочнокислые бактерии используют в производстве различных кисломолочных продуктов, они же участвуют в процессах созревания сыров и квашения овощей. Микроорганизмы привлекают внимание исследователей и как потенциальные продуценты пищевого белка (дрожжи, цианобактерии и др.). Многие микроорганизмы, однако, играют отрицательную роль.

Они могут являться возбудителями болезней человека, животных и растений, вызывать порчу пищевых продуктов и разрушение различных материалов, нанося большой ущерб народному хозяйству. Знание свойств микроорганизмов позволяет своевременно принимать соответствующие меры, направленные на предотвращение развития микроорганизмов при транспортировании и хранении продуктов. К наиболее распространенным методам консервирования продуктов относят охлаждение, замораживание, пастеризацию и стерилизацию продуктов, обработку их антисептиками (консервантами) и др. Таким образом, микробиология тесно связана с технологией производства и товароведением пищевых продуктов. Технологу и товароведу в практической деятельности постоянно приходится использовать знания микробиологии.

Микроорганизмы широко распространены в природе – в почве, воде и воздухе всех климатических зон. Множество различных микробов живет на поверхности тела и в кишечнике животных и людей, на растениях, на окружающих нас предметах и пищевых продуктах.

Почва является естественной средой обитания микроорганизмов. Они находят в почве все условия, необходимые для своего развития, пищу, влагу, защиту от губительного влияния прямых солнечных лучей и высушивания.

Микрофлора почвы по количественному и видовому составу значительно колеблется в зависимости от химического состава почвы, ее физических свойств, реакции (рН), влагоемкости, степени аэрации. Существенно влияют также климатические условия, время года, способы сельскохозяйственной обработки почвы, характер растительного покрова и другие факторы.

Неодинаково распространены микроорганизмы и по горизонтам почвы. Меньше всего их обычно содержится в самом поверхностном слое почвы толщиной в несколько миллиметров, где микроорганизмы подвергаются неблагоприятному воздействию солнечного света и высушивания. Особенно обильно населен микроорганизмами следующий слой почвы толщиной до 5– 10 см. По мере углубления число микроорганизмов снижается. На глубине 25–30 см количество их в 10–20 раз меньше, чем в поверхностном слое толщиной 1–2 см.

Меняется с глубиной и состав микрофлоры. В верхних слоях почвы, содержащих много органических веществ и подвергающихся хорошей аэрации, преобладают аэробные сапрофиты, способные разлагать сложные органические соединения. Чем глубже почвенные горизонты, тем они беднее органическими веществами; доступ воздуха в них затруднен, поэтому там преобладают анаэробные бактерии.

Микрофлора почвы представлена разнообразными видами бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей и простейших животных.

К постоянным обитателям почвы относятся различные гнилостные, преимущественно спороносные, аэробные (Bacillussubtilis, В.cereusvar.mycoides,B.megaterium) и анаэробные (Clostridiumsporogenes,CI.putrificum) бактерии, а также бактерии, разлагающие клетчатку, нитрифицирующие, денитрифицирующие, азотфиксирующие, серо- и железобактерии.

Деятельность почвенных микроорганизмов играет большую роль в создании плодородия почвы. Последовательно сменяя друг друга, микроорганизмы осуществляют процессы круговорота веществ в почве. Органические вещества, попадающие в почву в виде остатков растений, трупов животных и с другими загрязнениями, постепенно минерализуются. Соединения углерода, азота, фосфора и других элементов из недоступных для растений форм преобразуются в усвояемые ими вещества.

Наряду с обычными обитателями почвы встречаются и болезнетворные микроорганизмы, преимущественно спорообразующие бактерии, например возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма и др. Поэтому загрязнение пищевых продуктов почвой представляет опасность.

При санитарной оценке почвы критерием служит титр кишечной палочки и количество сапрофитных бактерий. Также целесообразно определение CI.perfringensи энтерококков.

Микроорганизмы в почве образуют ассоциации (сообщества), в которых каждая группа выполняет какую-либо экологическую функцию. Между этими группировками существуют определенные взаимоотношения.

Все живые организмы в процессе жизнедеятельности вступают друг с другом в различные взаимоотношения, формируя биологические связи: положительные и отрицательные.

Симбиоз в широком смысле слова – это долговременное сосуществование двух или нескольких организмов не причиняющих друг другу вреда.

Виды симбиоза:

- Облигатный симбиоз - это сосуществование двух организмов, которые в определенных условиях не могут обходиться друг без друга. Примером являются комплексные симбиотические организмы – лишайники, в составе которых водоросль (автотрофный компонент) и грибница (гетеротрофный компонент) в определенных жестких условиях обитания друг без друга обходиться не могут.

- Мутуализм - это взаимовыгодное сосуществование двух организмов, однако связи в нем менее прочные, необлигатные. Примером могут служить бобовые растения и клубеньковые бактерии, которые при совместном обитании значительно увеличивают продуктивность своего партнера по симбиозу.

- Метабиоз  Это форма взаимоотношений, при которой продукты метаболизма одного вида микроорганизмов являются пищевым или энергетическим субстратом для другого вида. Такие взаимоотношения характерны для нитрифицирующих бактерий: продукт жизнедеятельности нитрификаторов первой фазы (азотистая кислота) служит энергетическим субстратом для возбудителей второй фазы.

- Синтрофия  Это явление совместного роста двух или нескольких видов микроорганизмов на среде, недоступной каждому виду в отдельности. Сюда относится обмен факторами роста в смешанных культурах бактерий или грибов.

- Комменсализм - Это сосуществование двух организмов, в котором пользу извлекает только один партнер, не нанося вреда другому. К комменсалам относится сапротрофная микрофлора слизистых оболочек и кожи, эпифитная микрофлора растений.

Положительные биологические связи широко используются в практике сельского хозяйства. В частности, способность к симбиотической азотофиксации у бобовых служит основанием для производства микробных биопрепаратов высокопродуктивных клубеньковых бактерий.

Отрицательные биологические связи. Отрицательными называются связи, при которых один из взаимодействующих организмов причиняет вред другому.

- Хищничество – это удовлетворение своих пищевых потребностей за счет организма - жертвы при ее умерщвлении. К микроорганизмам-хищникам относятся многие инфузории и гриб-хищник Dactуlaria, который имеет приспособления для ловли почвенных нематод

- Паразитизм  Удовлетворение своих пищевых потребностей за счет веществ живого организма – хозяина. Различают два вида микробного паразитизма:

* метаболический, Выраженный у паразита бактерий вибриона-пиявки Bdellovibrio, который поселяется в периплазматическом пространстве грамположительных бактерий и выкачивает из клетки все необходимые вещества;

* генетический характерен для вирусов бактерий – бактериофагов и риккетсий, способных использовать генетический аппарат клетки-хозяина для получения всех метаболитов.

- Антагонизм  Это подавление жизнедеятельности одного организма другим. Встречается:

* пассивный (конкурентный) антагонизм –взаимодействия, при которых разные микроорганизмы используют одни и те же пищевые субстраты. Преимущество получают быстрорастущие и размножающиеся виды. Например, в свежем виноградном соке быстрее всего размножаются дрожжи и они определяют его судьбу.

* активный антагонизм – обусловлен выделением бактерицидных веществ – продуктов обмена. Например, молочнокислые бактерии, выделяя молочную кислоту в качестве основного продукта брожения тем самым угнетают гнилостные бактерии.

- Антибиоз  Подавление жизнедеятельности других организмов путем выделения специфических веществ – Антибиотиков. Сильными продуцентами антибиотиков являются мицелиальные грибы, актиномицеты, некоторые бактерии.

Отрицательные биологические связи широко используются в практике сельского хозяйства, ветеринарии, медицине. Применение антибиотиков стало необходимостью в борьбе с различными инфекционными заболеваниями человека, животных и растений. Препараты антагонистов, хищников и паразитов второго порядка (паразиты паразитов) являются экологически чистым методом борьбы с вредителями и болезнями растений и все чаще используются в агрономической практике.

Микроорганизмы почвы очень многочисленны и разнообразные. Среди них имеются бактерии, актиномицеты, микроскопические грибы и водоросли, протозоа и близкие к этим группам живые существа.

Биологический круговорот в почве осуществляется с участием разных групп микроорганизмов. В зависимости от типа почвы содержание микроорганизмов колеблется. В садовых, огородных, пахотных почвах их насчитывается от одного миллиона до нескольких миллиардов микроорганизмов в 1 г почвы. В почве каждого садового участка присутствуют свои микроорганизмы. Они участвуют своей биомассой в накоплении органического вещества почвы. Они выполняют огромную роль в образовании доступных форм минерального питания растений. Исключительно велико значение микроорганизмов в накоплении биологически активных веществ в почве, таких как ауксины, гиббереллины, витамины, аминокислоты, стимулирующие рост и развитие растений. Микроорганизмы, образуют слизи полисахаридной природы, а также большое количество нитей грибов, принимают активное участие в формировании структуры почвы, склеивании пылеватых почвенных частиц в агрегаты, чем улучшают водно-воздушный режим почвы.

Биологическая активность почвы, численность и активность почвенных микроорганизмов тесно связаны с содержанием и составом органического вещества. В тоже время с деятельностью микроорганизмов тесно связаны такие важнейшие процессы формирования плодородия почв, как минерализация растительных остатков, гумификация, динамика элементов минерального питания, реакция почвенного раствора, превращения различных загрязняющих веществ в почве, степень накопления ядохимикатов в растениях, накопление токсических веществ в почве и явление почвоутомления. Велика санитарно-гигиеническая роль микроорганизмов и в трансформации и обезвреживании соединений тяжелых металлов.

Перспективным направлением восстановления и поддержания плодородия и биологической интенсификации земледелия считается применение продуктов переработки органических отходов с участием вермикомпостов дождевых червей, находящихся в симбиозе с микроорганизмами. В естественных почвах разложение опада осуществляют дождевые черви, копрофаги и другие организмы. Но в этом процессе участвуют и микроорганизмы. В кишечнике червей для них создаются более благоприятные условия для выполнения любых функций, чем в почве. Дождевые черви в союзе с микроорганизмами превращают различные органические отходы в высокоэффективные биологические удобрения с хорошей структурой, обогащенные макро- и микроэлементами, ферментами, активной микрофлорой, обеспечивающей пролонгированное (длительное, постепенное) действие на растения.

Итак, обеспечивая развитие микроорганизмов в почве, вы, повышаете урожай и улучшаете его качество. Ведь микроорганизмы развиваются, т.е. делятся каждые 20-30 мин и при наличии достаточного питания образуют большую биомассу. Если бык весом 500кг за сутки образует 0,5 кг 1 кг, то 500 кг микроорганизмов за суткибиомассы, а 500 кг растений создают 5т биомассы. Почему же этого не наблюдается в почве? А потому что для этого микроорганизмам необходимо питание, а с другой стороны лимитируют различные факторы, в частности ядохимикаты. На площади 1 га в результате жизнедеятельности почвенных микробов в течение года выделяется 7500м3 углекислоты. А углекислота необходима и как источник углеродного питания растений и для растворения труднодоступных солей фосфорной кислоты и превращения фосфора в форму доступную для питания растений. Т.е. там, где хорошо работают микроорганизмы, нет необходимости во внесении фосфорных удобрений. Но сами микроорганизмы нуждаются в органическом веществе.

В балансе органического вещества почвы велика роль культурных растений. Накоплению гумуса в почвах способствует многолетние травы, особенно бобовые. После их уборки в почве остается фитомасса, которая обогащена азотом за счет фиксации его клубеньковыми бактериями из воздуха. Пропашные и овощные культуры (картофель, капуста и др.) уменьшают содержание гумуса в почве, т.к. оставляют в почве небольшое количество растительных остатков, а применяемая система глубокой обработки почвы обеспечивает интенсивное поступление в пахотный слой кислорода и, как следствие, обеспечивает сильную минерализацию органического вещества, т.е. его потерю.

Среди методов количественного анализа наиболее объективным является метод прямого микроскопирования почвы, принцип которого был предложен С. Н. Виноградским. При этом способе готовят почвенную суспензию и в определенном объеме ее с помощью микроскопа подсчитывают общее число микроорганизмов. Последующим пересчетом можно установить, сколько микроорганизмов приходится на 1 г исследуемой почвы. С. Н. Виноградский готовил препараты на предметном стекле и просматривал их под оптическим микроскопом. В поле зрения можно было видеть палочковидные бактерии, мелкие и крупные кокки, иногда обрывки мицелия грибов и актиномицетов и другие микроорганизмы.

Прямое микроскопирование почвы облегчается при использовании флюорохромов, позволяющих легче различать микроорганизмы среди мелких минеральных частиц.

Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе для подсчета микроорганизмов в почве рекомендовали пользоваться сконструированной ими капиллярной камерой, глубина которой не превышает 30-40 мкм, а ширина не более поля зрения микроскопа. Подсчитав число микроорганизмов в капилляре, можно затем сделать пересчет на 1 г почвы.

Д. И. Никитин и его сотрудники использовали для прямого подсчета микроорганизмов почвы электронный микроскоп. С его помощью наряду с обычными микроорганизмами можно обнаружить множество мельчайших форм микроскопических существ, которые не были известны до сих пор. Эти интересные формы живых существ изучаются в настоящее время.

Прямые методы дают представление об общем количестве микроорганизмов в почве. Однако внешний облик микроорганизмов не позволяет судить об их функциях, поэтому бывает целесообразно дополнительно определить отношение в почве отдельных систематических и физиологических групп микроскопических существ.

Отдельные группы микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, грибы и т. д.) могут быть определены посевом почвенной суспензии на твердые питательные среды, на которых затем зародыши нанесенных микроорганизмов развиваются. В практике обычно используются агаризованные или желатинизированные питательные среды. В отдельных случаях берется различный набор питательных ингредиентов, что помогает выявлять те или иные группы микроорганизмов.

Общие показатели численности микробов, как бы условны они ни были, представляют определенный интерес. На их основании можно примерно вычислить массу совокупности микроорганизмов в почве. Как показывают подсчеты, она составляет десятые доли процента массы почвы. По мере перехода от северных почв к южным процент микробной массы в них увеличивается. В общем, от 0,1 до 1,0% почвенного органического вещества состоит из клеток разных микроорганизмов, вызывающих глубокие изменения органических и минеральных составных частей почвы.

При анализе почв нередко учитывается количество отдельных физиологических групп микроорганизмов. Это делается так называемым методом титра, при котором жидкие избирательные (элективные) питательные среды для определенных групп микроорганизмов заражают разными разведениями почвенной суспензии. Устанавливая после выдержки в термостате степень разведения, показавшего наличие искомой группы микроорганизмов, можно затем простым пересчетом определить численность ее представителей в почве. Таким путем узнают, насколько почва богата нитрификаторами, денитрификаторами, целлюлозоразлагающими и другими микроорганизмами.

Для характеристики типа почвы и ее состояния важны не только показатели численности разных групп микроорганизмов, но и анализ состояния в почве отдельных их видов. За редкими исключениями, даже физиологические группы микроорганизмов очень широки. Внешняя обстановка может резко менять видовой состав почвенных микроорганизмов, но мало или совсем не отражается на количестве их физиологических групп. Поэтому при анализе почвы важно стремиться установить состояние отдельных видов микроорганизмов.

Среди почвенных микроорганизмов встречаются представители разных систематических единиц, способные ассимилировать не только легкоусвояемые органические соединения, но и более сложные вещества ароматической природы, к которым относятся такие характерные для почвы соединения, как перегнойные вещества.

Большое влияние, как на общую численность, так и на соотношение отдельных систематических групп микроорганизмов оказывает тип почвы. Различаясь по физическим и химическим свойствам, почва представляет различную среду для жизнедеятельности микроорганизмов. Их больше в увлажненной и обработанной почве (4,2-5,2 млрд/г), меньше в лесной почве, в песках (0,9-1,2 млрд/г). Наиболее обильна микрофлора в верхнем горизонте почвы глубиной 2,5-15 см. В этом слое протекают основные биохимические процессы превращения органических веществ, обусловленные жизнедеятельностью микроорганизмов. На глубине 4-5 м число микроорганизмов значительно снижается, так как уменьшается количество питательных веществ, и ухудшаются условия аэрации.

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.

При исследовании почвы может проводиться полный или краткий анализ. Полный санитарно-бактериологический анализ почвы проводится:

- для подробной и глубокой характеристики санитарного состояния почвы;

- для определения пригодности почвы при размещении жилья, мест отдыха, детских учреждений и водопроводных сооружений;

- для эпидемиологических исследований.

Краткий анализ рекомендуется при осуществлении текущего санитарного надзора и включает определение общего количества сапрофитных бактерий, БГКП (коли-титр и коли-индекс), клостридий (перфрингенс-титр), термофильных бактерий, нитрифицирующих.

В полный санитарно-бактериологический анализ входят дополнительно: определение актиномицетов, грибов, сальмонелл, шигелл, возбудителей столбняка, ботулизма, бруцеллеза, сибирской язвы.

Микробное число почвы – общее количество микроорганизмов, содержащихся в 1 г почвы.

Посев почвенной суспензии производят на МПА в чашки Петри по 1 мл из каждого разведения. Затем в чашки выливают по 7-10 мл расплавленного и остуженного до 45°С агара. Посевы инкубируют при 28-30°С в течение 72 ч и подсчитывают количество выросших колоний. Если на чашке Петри вырастает более 150 колоний, то подсчет ведется на ¼ площади с последующим перерасчетом на всю площадь. Из суммы колоний, подсчитанных на всех чашках Петри, выводится среднее арифметическое и затем определяют количество микроорганизмов в 1 г почвы с учетом разведений.

Коли-индекс – количество жизнеспособных E.coli в 1 г почвы.

При анализе малозагрязненных почв используют метод мембранных фильтров. При предполагаемой невысокой степени фекального загрязнения рекомендуется применение титрационного метода. При высокой степени фекального загрязнения рекомендуется метод прямого посева почвенной суспензии (1:10) на среду Эндо.

Коли-титр почвы – наименьшее количество почвы, в котором обнаруживается жизнеспособная E.coli. Для определения используется титрационный метод. Из приготовленных разведений почвенной суспензии делают посевы в питательную среду Кесслера (1% пептона, 5% желчи, 0,25% лактозы, генциановый фиолетовый).

Перфрингенс-титр почвы - наименьшее весовое количество почвы, выраженное в граммах, в котором обнаруживается жизнеспособная клетка С. perfringens.

Определение перфрингенс-титра является важным критерием для санитарной оценки почвы и ее самоочищения, так как в почве, загрязненной фекалиями, уже через 4-5 мес эшерихии исчезают, а C. perfringens обнаруживаются в титре 0,01. Перфрингенс-титр дает возможность судить о давности фекального загрязнения.

Учет термофильных бактерий производят на МПА, разлитом в чашки Петри более толстым слоем, чем обычно. Посев делают из разведений 1:10, 1:100, 1:1000, причем из каждого разведения рекомендуется засевать по 2-3 параллельные чашки. Термофильные бактерии выращивают при температуре около 60° С. Результат учитывают через 24 ч после посева. Подсчет количества бактерий проводят на 1 г почвы.

Изучение почвенных микроорганизмов в рамках различных сред (почва, вода, воздух) на примере земель различного назначения и степенью антропогенного воздействия весьма актуальное направление деятельности экологии, природопользования, кадастра и смежных отраслей.

Источник