Практические занятия 36-37

Почвенные микроорганизмы и здоровье человека

Цель практического занятия:

Ключевые слова:

Вопросы:

1. Положительное влияние

2. Отрицательное влияние

Почвенные микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, грибы, дрожжи, водоросли, простейшие, микрофауна) оказывают разнообразное и многостороннее влияние на здоровье человека. Оно может быть как положительным, так и отрицательным. Остановимся подробнее на отрицательном действии, хотя оно и не является главным. Особо рассмотрим вопросы санитарной микробиологии почв.

Кратко охарактеризуем основные типы воздействия почвенных микроорганизмов на здоровье людей.

1. Положительное влияние

1 Здоровье человека зависит от качества и количества растительной продукции. Почвенные микроорганизмы могут оказывать как положительное, так и отрицательное действие на продуктивность растений и качество урожая. Обычно превалирует положительное действие. Оно бывает очень большим и многосторонним.

Минерализация органического вещества и перевод элементов питания в доступную для растений форму. Сюда относится роль микроорганизмов в круговороте углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, калия, кальция, магния, железа, микроэлементов, ряда специфических органических веществ.

Образование физиологически активных веществ с положительным действием — стимуляторов роста растений. Это гормоны роста растений (ауксины, гиббереллины, цитокинины). Они синтезируются самими растениями, однако их также образуют многие почвенные микроорганизмы, особенно те, которые развиваются около корней или в корнях растений. Такие микробы стимулируют рост растений. Витамины и аминокислоты также образуются самими растениями, но добавки этих веществ, синтезированных микроорганизмами, могут поступать в растения и стимулировать их рост, особенно на первых этапах развития растений, а также рост корневой системы. Определенную роль играют и микробные сидерофоры, т.е. органические вещества, связывающие железо и способствующие его усвоению растением.

Азотфиксация играет положительную роль. Этот процесс не осуществляется растениями и проводится только бактериями (прокариотами). В естественной природе весь недостаток азота и все азотные потери компенсируются за счет азотфиксации, которая никогда не приводит к избытку азота, однако в естественной природе не бывает и недостатка азота. Недостаток азота — это свойство несовершенных агроэкосистем. Биологический азот является наиболее безопасным для человека, так как не происходит накопления нитратов.

Воздействие микробов антагонистов на фитопатогенные микроорганизмы и предотвращение заболеваний растений. Наиболее известны в этом отношении псевдомонады и азотобактер, образующие антигрибные антибиотики, которые подавляют рост фитопатогенных грибов. Попытки их практического использования пока ограничиваются в основном опытными испытаниями, однако, есть основания считать, что в природе эти микробы играют существенную роль в поддержании «здоровья» экосистем.

И. Микробы осуществляют очистку почв от некоторых органических и неорганических загрязнений и таким образом способствуют оздоровлению почв. Это разложение различных углеводородов (нефть, мазут, бензин, керосин, смазочные масла), пестицидов различного химического строения, полимерных материалов, ряда вредных микрогазов, излишков азота, особенно нитратов, окисление угарного газа в двуокись углерода и т.д.

Отрицательное влияние

Образование фитотоксинов, отравляющих растения и сельскохозяйственную продукцию. Они могут быть токсичными не только для растений, но и для человека и вызывать отравления при употреблении токсичной продукции. Различные почвенные микроорганизмы (грибы, бактерии, актиномицеты) образуют очень сильные токсины — яды, которые могут быть смертельно опасными для человека. Правда, такие вещества образуют только некоторые виды.

Известно отравление живущими в почве высшими грибами — поганками, которые неопытными грибниками принимаются за съедобные. Наиболее ядовиты бледная поганка, ложный опенок и сатанинский гриб. Некоторые токсины инактивируются при кипячении, некоторые вымываются горячей водой, но наиболее опасны те, которые не подвергаются вымыванию и не разрушаются при термообработке. Наряду с высшими грибами многие плесневые грибы также образуют токсины, воздействующие на растения и животных. Таких токсинов в настоящее время известно несколько сотен. Их пытались использовать как отравляющие вещества в военных целях.

Актиномицеты известны как продуценты антибиотиков, т.е. веществ, убивающих патогенные микроорганизмы. Наиболее распространенные лекарственные вещества — антибиотики — получены из почвенных актиномицетов. Десятки антибиотических препаратов используются в медицине. Однако актиномицеты образуют сотни антибиотиков, большинство из которых являются токсинами и убивают не только микробы, но и хозяина и поэтому не могут быть использованы в медицинской практике.

Патогенные бактерии образуют страшные белковые яды, которые часто и приводят к смерти больного. Среди почвенных бактерий по современным данным встречается мало токсинообразователей, однако этот вопрос еще плохо изучен. Некоторые редкие почвенные бактерии образуют сильные токсины. Влияние фитотоксинов на рост растений и качество урожая — это большой раздел современной почвенной микробиологии.

Установлено, что сапротрофные микробы токсинообразователи и, в первую очередь, грибы могут оказывать сильное действие на развитие растений, в некоторых случаях приводя к их гибели. Они значительно снижают качество сельскохозяйственной продукции, иногда делая ее непригодной для использования. Сотрудниками кафедры биологии почв МГУ установлена важная общая экологическая закономерность, касающаяся этой проблемы. Если почва загрязняется различными вредными веществами (тяжелыми металлами и их сочетаниями, пестицидами, поверхностно-активными веществами, углеводородами, мутагенами, неоправданно высокими дозами минеральных удобрений), в ней накапливаются в большом количестве различные токсинообразующие виды грибов, и почва характеризуется токсичностью по отношению к растениям. Если в почве уже накопились токсичные грибы, от них трудно избавиться даже если снижается действие фактора, обусловившего их накопление.

Трансформация органических веществ, особенно пестицидов, с образованием токсичных веществ и мутагенов. Почвенные микроорганизмы способны проводить сотни и тысячи превращений различных органических веществ, создавая и разрушая ароматические соединения, вводя в молекулу дополнительные функциональные группы или отщепляя некоторые из них. Это могут быть реакции окисления, восстановления, декарбоксилирования, дезаминирования, образования гликозидов, гидролиза, метилирования, этерификации, дегидратации, диспропорционирования, конденсации, аминирования, ацетилирования, амидирования и др. В процессе этих трансформаций и могут появляться токсины и мутагены, образование которых не прогнозировалось, исходя из исходной структуры вещества. В связи с этим в настоящее время принята следующая научная рекомендация: возможно использовать только тот пестицид, который в течение одного-двух месяцев полностью минерализуется в почве микроорганизмами.

Автотрофная и гетеротрофная нитрификация, которая приводит к образованию токсичных нитратов, накапливающихся в растениях и снижающих качество сельскохозяйственной продукции, также должна рассматриваться как отрицательное воздействие. Повышенное содержание нитратов, как известно, вредно отражается на здоровье людей.

Денитрификация, осуществляемая множеством почвенных микроорганизмов, приносит вред, переводя азот в недоступную для растений форму — молекулярный азот или его окислы. Из трех заводов по производству азотных удобрений один работает на денитрификаторы, т.е. его продукция целиком улетает в воздух. В процессах денитрификации и нитрификации образуется некоторое количество окислов азота, которые токсичны и частично обусловливают парниковый эффект.

Почвенные микроорганизмы могут образовывать ряд токсичных для растений и человека летучих органических соединений (жирные кислоты, ацетон, окись этилена, моно- и диметил ртуть).

Конкуренция почвенных микроорганизмов с растениями за элементы питания также может приводить к снижению урожая. Наиболее четко это прослеживается для бедных азотом почв, в которые вносится органическое вещество в виде соломы. В этом

случае развивается большая биомасса грибов, которая использует весь доступный азот. Такая же картина может наблюдаться для фосфора, калия и других элементов.

Отрицательное действие шести описанных случаев обычно достаточно четко проявляется только в нарушенных экосистемах. В естественных климаксных биогеоценозах оно отсутствует или сведено к минимуму.

В связи с проблемой здоровья человека более подробно рассмотрим достижения и проблемы санитарной микробиологии почв.

Санитарная микробиология почв наряду с санитарной микробиологией воды и воздуха имеет важное значение. Однако она сложнее, более слабо развита и ей уделяется меньше внимания. В России интенсивное развитие санитарной микробиологии почв наблюдалась в 60-70-е годы XX в. (Мишустин). Затем наступил спад и новый подъем начался только в 90-е годы XX в., причем был установлен ряд важных фундаментальных закономерностей.

От антисанитарного состояния почв в разные периоды времени человечество страдало в разной степени. В средневековых городах было ужасающее состояние почв: не было ни водопровода, ни канализации. Распространялись эпидемии: холера, чума, оспа, туберкулез, детские болезни. Больше всего людей погибало от желудочно-кишечных инфекционных болезней. В 1870 г. М. Петтенкофер сформулировал постулат о том, что все болезни происходят от почвы. В XIX в. был найден практический выход, предотвращающий загрязнение почв и предохраняющий от эпидемий. Строительство водопровода и канализации и вывоз мусора, а также его утилизация привели к относительной очистке почв городов. При таком типе хозяйствования стало ясно, что основным источником загрязнения является не почва, а загрязненные сточные воды. Санитарно-микробиологические исследования почвы отошли на второй план. Стало очевидным, что нужна чистая вода: водоохранные зоны, хлорирование, озонирование и другие методы очистки воды от микроорганизмов. Очистка сточных вод стала самым грандиозным из микробиологических производств на Земле. Было установлено, что почва служит хорошим очистителем для сточных вод. Это поля орошения и фильтрации, изучением которых много занимался академик В.Р. Вильямс и другие почвоведы и почвенные микробиологи.

Однако санитарное состояние городских почв, кладбищ, скотомогильников, почв естественных природных очагов болезней (например, чумы) продолжает оставаться критическим.

Появление очень крупных и достаточно грязных городов делает проблему санитарной микробиологии городских почв особенно острой. Массовое разведение собак, появление стай бездомных животных и людей без определенного местожительства (бомжей), среди которых много больных туберкулезом, желудочно-кишечными и грибковыми заболеваниями, неряшливое отношение к помойкам приводит к накоплению в почвах, в том числе на детских площадках, патогенных и условно-патогенных микробов, токсинообразователей, аллергенов. Город, где много ворон, — это помоечный город, ворона — помоечная птица.

Определенные надежды вселяла концепция самоочищения почв от патогенных и вообще от чужеродных микроорганизмов. Было установлено, что в почвах разных типов быстро погибают энтеробактерии. Подробные исследования были проведены с кишечной палочкой Е. coli — санитарно-показательным (индикаторным) микроорганизмом. Было установлено, что в почве погибает большинство патогенных бактерий. Так, бактерии чумы, холеры, дифтерии погибали за 1-2 месяца, туберкулеза за 1 год, сибирской язвы за 20-100 лет. О причинах гибели этих бактерий в почве высказывалось несколько гипотез: 1) микробы попадают в неподходящие условия (pH, температура) и поэтому погибают, 2) патогенные микроорганизмы должны непрерывно получать доступные органические вещества, они не переносят периода «бескормицы», а в почве мало легкодоступных питательных веществ, 3) собственный микробоценоз почвы продуцирует антибиотики и предотвращает развитие посторонних микроорганизмов в почве. Этому также способствует развитие хищников (простейшие) и паразитов (бделловибрионы).

Свойством самоочищения обладают и природные воды (реки, озера, моря), причем для воды четко установлена роль биоты в этом процессе.

Наиболее долго в почвах сохраняются бациллы и клостридии. Известны так называемые «проклятые луга», где скот все время болеет сибирской язвой. Это обусловлено длительным сохранением в почве спор возбудителя этой болезни. Длительно сохраняются в почве возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма. Риск заболеть от почвы всегда сохраняется, особенно для земледельцев, почвоведов, солдат и могильщиков.

В последнее время интерес к выживанию патогенов в почвах увеличился и приобрел новые аспекты. Последние исследования заставляют усомниться в универсальности механизмов самоочищения почв. Как неоднократно отмечалось, для микроорганизмов почва не является единым местообитанием, а представляет собой множество специфических микросред, которые резко отличаются по наличию и концентрации органических веществ (например, отмерший дождевой червь или зона, содержащая только минеральные частицы), по окислительно-восстановительному потенциалу, pH и др. Имеется множество микросред и мезо- сред. Из мезосред наиболее важны ризосфера и ризоплана, а также пищеварительный тракт беспозвоночных. Местообитанием может быть и живая растительная ткань, и клетки простейших животных. В каких-то из этих зон могут складываться условия, вполне подходящие для выживания или даже размножения патогенов.

Экспериментально было доказано, что ряд патогенных микроорганизмов может длительно выживать или даже размножаться: 1) в ризосфере, 2) в пищеварительном тракте и тканях некоторых беспозвоночных, 3) в клетках простейших, иногда устанавливая с ними симбиотические взаимоотношения.

О промежуточных хозяевах патогенов, таких как грызуны, было известно уже давно. Рассмотрим подробнее случай с возбудителем чумы. Существуют так называемые «природные очаги чумы», например, в Приаралье. В природных очагах чума дает вспышки среди грызунов через 20-50 лет. От грызунов эпидемия может перейти на людей, поэтому специальные противочумные отряды непрерывно следят за состоянием грызунов и в случае необходимости объявляют карантин. Однако остается неясным вопрос о том, где сохраняются чумные микробы в промежутках между эпизоотиями. В настоящее время все больше склоняются к мнению, что чумные микробы сохраняются в почве не только в благоприятных микро- и мезозонах, но и в самой нативной почве в состоянии анабиоза или, иначе говоря, в некультивируемом состоянии. Некультивируемыми формами называют такие формы бактерий, которые должны были бы развиваться на данной питательной среде в заданных условиях, но не растут, так как находятся в особом генетически обусловленном состоянии покоя. В состоянии анабиоза микроорганизмы могут выживать в вечной мерзлоте несколько миллионов лет.

Таким образом, санитарной микробиологии почв и изучению роли почвенных микроорганизмов в здоровье человека должно уделяться значительно больше внимания. Эта проблема очень многогранна и важна для экологии человека.

Слайды, презентации

Контрольные вопросы:

1. Положительное влияние микроорганизмов

2. Отрицательное влияние микроорганизмов

3. Санитарная микробиология почв

Литература:

1. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.