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.