§ Атмосфера Земли представляет собой освещенную, динамичную, хорошо перемешанную среду с непродолжительным пребыванием в ней различных компонентов и быстрыми транспортными системами.
Слои атмосферы Стратосфера Тропопауза 1) Конвекционный слой – 10 км 2) Переходный, или внешний слой свободной турбулентности – 500 – 1000 м Тропосфера 3) Турбулентный пограничный слой 10 -500 м 4) Локальный вихревой слой – 2 - 10 м 5) Ламинарный пограничный слой 1 мм – 2 м
Состав газов в воздухе Метан (СН 4) – образуется метаногенами, разрушается метилотрофами. Закись и окись азота, азот (NO 2, NO, N) – образуется нитрификаторами, разрушается денитрификаторами. Окись углерода (СО 2) – образуется при дыхании, окислении органических соединений, пожарах, а используется при фотосинтезе и хемоситезе Двуокись серы (SO 2) – образуется серными бактериями и при сжигании серосодержащих топлив Кислород и водород
Основным источником парниковых газов на Земле является деятельность микроорганизмов. Антропогенная деятельность лишь усиливает дисбаланс в атмосфере на 510%, что способствует выходу климатической системы из равновесия.
Микроорганизмы в воздухе находятся в трёх основных фазах бактериального аэрозоля Капельная, или крупноядерная фаза (состоит из бактериальных клеток, окружённых водно-солевой оболочкой. Диаметр частиц около 0, 1 мм и более). Мелкоядерная фаза (образуется при высыхании частиц первой фазы и состоит из бактериальных клеток, сохранивших только химически связанную воду на своей поверхности и свободную воду внутри клеток, диаметр большинства частиц не превышает 0, 05 мм). Фаза «бактериальной пыли» (Из первых двух фаз бактерии могут переходить в состав более крупных частиц, оседающих в виде пыли на различных предметах. Размер частиц варьирует от 0, 01 до 1 мм)
Санитарно-микробиологическое исследование воздуха Седиментационный метод Основан на оседании бактериальных частиц и капель за 515 мин под влиянием силы тяжести на поверхности агара открытых чашек Петри А х 100 Х = ---- 75 см 2 Аспирационный метод Основан на принудительном оседании микроорганизмов на поверхность плотной питательной среды или в улавливающую жидкость. Используют аппарат Кротова
Критерии оценки воздуха жилых помещений Оценка воздуха Общее количество бактерий в 1 м 3 Количество стрептококков Лето чистый загрязненный до 1500 до 2500 до 16 до 36 Зима чистый загрязненный до 4500 до 7000 до 36 до 124
Обеззараживание воздуха проводят: газами (фенол, С 5 Н 6 О 3); аэрозольно (формалин с креолином); УФЛ; удалением воздуха (вентиляция); применением аэроионизаторов.
Количественный и качественный состав микрофлоры атмосферного воздуха зависит от характера почвенного и водного покрова, общесанитарного состояния местности, сезонных, климатических и метеорологических факторов (интенсивность солнечной радиации, температура, атмосферные осадки и пр.).
Количество микроорганизмов в воздухе Местность Кол-во микробов в 1 м 3 Воздух над тайгой, морем 1 -10 воздух в городах 4000- 9800 воздух парка 175- 345 воздух помещений для животных 12000- 86000
К водным экосистемам относят: Океаны, моря Озера Реки Подземные воды Амфибиальные ландшафты, экотоны Болота
В зависимости от биологического потребления кислорода и концентрации органического вещества водоемы различают по степени трофии: Олиготрофные – 50 ∙ 103 клеток бактерий в 1 мл (оз. Байкал, Ладожское) Мезотрофные – 1000 ∙ 103 клеток бактерий в 1 мл (пруды) Евтрофные – 2000 – 10000 ∙ 103 клеток бактерий в 1 мл (реки) Дистрофные – 1000 – 2000 ∙ 103 клеток бактерий в 1 мл (болота)
Факторы, влияющие на жизнедеятельность микроорганизмов Температура Солевой состав воды Растворенные газы Кислотность воды Окислительно восстановительный потенциал Донные отложения
Характеристика водных микроорганизмов Аллохтонные (поступающие извне) (патогенные, молочнокислые и др.) Автохтонные (аборигены) (цианобактерии, скользящие бактерии, серные, метаногены, метилотрофы,
Санитарно-микробиологическое исследование воды Определение бактерий семейства Enterobacteriaceae Метод мембранных фильтров. Необходимый объем воды - 300 мл -фильтруют через мембранные фильтры по 100 мл. Фильтры переносят на среду Эндо в чашке Петри и инкубируют при 37 ° С 24 ч. Подсчитывают число красных и красных с металлическим блеском колоний. Идентификацию бактерий проводят по оксидазному тесту и тесту образования кислоты и газа при ферментации лактозы (маннита) Титрационный метод. Принцип метода заключается в посеве 333 мл воды - 3 объема по 100 мл, 3 объема по 10 мл, 3 объема по 1 мл - в лактозно-пептонную (или глюкозопептонную) среду, с последующим пересевом в среду Эндо и идентификацией культуры
Определение спор сульфитредуцирующих бактерий Метод мембранных фильтров. Метод основан на фильтровании воды через мембранные фильтры, выращивании посевов в железо-сульфитном агаре в анаэробных условиях и подсчете черных колоний. Результаты анализа выражают числом колониеобразующих единиц (КОЕ) спор сульфитредуцирующих клостридий в 20 мл воды. Метод прямого посева. Производят посев 20 мл воды в пробирки с железо-сульфитным агаром (2 объема по 10 мл в 2 пробирки или 4 объема по 5 мл в 4 пробирки) инкубируют при 44 ° С 24 ч и посчитывают черные колонии. Результаты выражают числом КОЕ в 20 мл воды.
Определение колифагов Прямой метод. Исследуемую воду вносят в 5 стерильных чашек по 20 мл. В 6 -ю - контрольную воду не берут. Затем во все чашки заливают расплавленный и остуженный до 45 ° агар с добавлением суточной культуры E. сoli. Перемешивают, оставляют для застывания и инкубируют при 37 ° С 24 ч. Учитывают результат подсчетом бляшек в чашках Петри в БОЕ (бляшкообразующих единицах) в 100 мл воды. В контрольной чашке бляшки должны отсутствовать. Титрационный метод. В основе метода - предварительное подращивание колифагов в среде обогащения в присутствии E. сoli и последующее выявления бляшек колифага на газоне E. сoli.
Нормативы качества питьевой воды Единицы измерения Нормативы 1. Общее микробное число КОЕ в 1 мл в оды Не более 50 2. Бактерии семейства Enterobacteriaceae Число кишечных бактерий в 300 мл воды Отсутствие 3. Термотолерантные колиформные бактерии Число кишечных бактерий в 300 мл воды Отсутствие 4. Споры сульфитредуцирующи х клостридий Число спор в 20 мл воды Отсутствие 5. Колифаги Число БОЕ в 100 мл воды Отсутствие Показатели
Микроскопические живые организмы, самые крохотные на планете, самые многочисленные жители Земли - бактерии. Это существа, по крайней мере, удивительные, вызывающие интерес науки с тех пор, как с изобретением многократного увеличения объектов (микроскопа) они были, наконец, замечены человечеством. До этого эволюция бактерий проходила у людей, можно сказать, «под самым носом», но на них никто не обращал должного внимания. И совершенно напрасно!
Древность происхождения
Они самые древние жители нашей планеты. Давнишняя среда обитания бактерий - Земля. Бактерии появились здесь первыми из живых организмов, по мнению некоторых ученых, около трех с половиной миллиардов лет назад (для сравнения: возраст Земли составляет примерно четыре миллиарда). То есть, грубо говоря, возраст бактерий сопоставим с возрастом окружающей нас природы. Кстати, известная история человечества насчитывает всего несколько десятков тысяч лет. Вот такие мы «молодые» по сравнению с этими микроорганизмами.
Самые мелкие и многочисленные
Бактерии также являются самыми мелкими из всех известных представителей живой природы. Дело в том, что клетки почти всех живых организмов имеют приблизительно одинаковые размеры. Но только не клетки бактерий. Средняя примерно в десять раз меньше по размерам, чем среднестатистическая клетка, например, человека. Из-за такой крошечности они являются еще и самыми многочисленными обитателями. Известно, что в комочке почвы, где обитают бактерии, может находиться столько же жителей, сколько, например, людей во всех странах Европы.
Выносливость
Природа, создавая бактерии, вложила в них огромный запас прочности, значительно превышающий выносливость других представителей фауны. Со времен «древности глубокой» на Земле происходило немало катаклизмов, и бактерии научились их стойко переносить. И поныне среда обитания бактерий настолько разнообразна, что вызывает глубокий интерес микробиологов. Микроорганизмы порой могут быть обнаружены в таких местах, где уж точно никто из других существ не сможет обитать.
Где могут жить бактерии
Например, в кипящих гейзерах, где температура воды может достигать почти ста градусов выше нуля. Или - в нефтяных подземных озерах, а также в непригодных для жизни кислотных озерах, где любая рыба или другое животное тотчас бы растворились, - вот где могут жить бактерии.
Ученые предполагают, что некоторые могут существовать даже в космосе! Кстати, на этих данных основывается одна из версий заселения земного шара живыми существами, теория происхождения жизни на планете.
Споры
Для того чтобы переносить подобные неблагоприятные условия, некоторые бактерии образуют споры. Можно сказать, что это особая, спящая, покоящаяся форма. Перед тем как образовать спору, бактерия начинает усыхать, удаляя из себя жидкость. Она уменьшается в размерах, оставаясь внутри своей оболочки, покрываясь дополнительно еще одной оболочкой - защитного характера. В таком виде микроорганизм может существовать очень и очень долго, таким образом как бы «пережидая» трудные времена. Затем, в зависимости от того, в какой среде живут бактерии - благоприятной или нет - они могут возобновлять свою жизнедеятельность в полном объеме. Эта уникальная способность выживать в неблагоприятных условиях внимательно изучается учеными-микробиологами.
Вездесущие
На вопрос «где живут бактерии?» можно ответить очень просто: «Практически везде!» А именно: вокруг нас и в нас, в атмосфере, в почве, в воде. И каждый человек ежедневно вступает в контакт с мириадами этих существ, сам не замечая этого. Среди них есть бактерии патогенные и условно-патогенные. Есть и совершенно безопасные для человеческого организма.
На земле
В почве, где живут бактерии, их содержится наибольшее количество. Здесь есть и питательные вещества, необходимые для жизнедеятельности, и оптимальное количество воды, отсутствует прямое солнечное освещение. Большинство из подобных бактерий - сапрофиты. Они участвуют в процессах формирования плодородной части почвы (гумуса). Однако здесь присутствуют и болезнетворные микроорганизмы: возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены и других болезней. Затем они могут попадать в воздух и воду, в дальнейшем заражая человека этими заболеваниями.
Так, возбудитель столбняка, довольно крупная палочка, попадает в организм из почвы при различных повреждениях кожи и размножается в анаэробных (без кислорода) условиях.
В воде
Еще где могут жить бактерии, так это в водной среде. Сюда они попадают, когда их смывает с почвы, а стоки попадают в водоемы. По этой причине, кстати, в артезианской воде намного меньше бактерий, чем в надпочвенной. А обыкновенная вода из озера или речки может стать средой, где обитают болезнетворные бактерии, местом распространения многих опасных заболеваний: брюшного тифа, холеры, дизентерии и некоторых других. Так, например, дизентерия вызывается бактериями из разновидностей шигелл и сопровождается тяжелой интоксикацией организма, поражениями ЖКТ.
В атмосфере
В воздухе, где могут жить бактерии, их не так много, как в почве. Атмосфера является промежуточным этапом в миграции микроорганизмов, поэтому не может служить - в силу отсутствия питательных веществ и недостаточной влажности - постоянным местом обитания для бактерий. В воздух бактерии попадают с пылью, микроскопическими капельками воды, но затем - оседают, в конце концов, на почву. Однако в густонаселенных местах - крупных мегаполисах, например, - количество содержащихся в воздухе микроорганизмов может быть велико, особенно в летнее время. А сам воздух может служить средой, где обитают всевозможные инфекции. Некоторые из них: дифтерия, коклюш. А также туберкулез, вызываемый
На человеке
На коже человека находится великое множество микроорганизмов. Но они неравномерно распределяются по всей плоскости. Есть у бактерий «излюбленные» места, а есть участки, напоминающие безлюдные пустыни. Причем, по данным ученых, большинство микроорганизмов, обитающих на коже людей, не являются вредоносными. Наоборот, они выполняют своего рода защитные функции для человека от микробов, считающихся опасными. Научно доказано, что чрезмерная стерильность и чистота - не так уж и хороши (конечно же, простых еще никто не отменял). Меньше всего бактерий находится у человека за Основное количество - на предплечьях (там их до 45 видов). Множество бактерий живет на слизистых оболочках, так называемых влажных зонах, где они себя чувствуют весьма комфортно. В сухих (ладони, ягодицы) - условия существования не совсем пригодны для микроорганизмов.
Внутри нас
По утверждению врачей-микробиологов, в проживает примерно три килограмма бактерий! А в количественном отношении - это огромная армия, с которой нельзя не считаться. Однако бактерии - умные соседи. Основная масса обитающих в теле человека (а также других млекопитающих) - полезны и осуществляют мирное соседство с «хозяевами». Одни - помогают пищеварению. Другие - выполняют охранные функции: в результате их действий болезнетворные микроорганизмы при попытке проникновения на подзащитную территорию тотчас же уничтожаются. 99% населения - бифидобактерии и бактероиды. А энтерококки, кишечная палочка (являющаяся условно патогенной), лактобактерии - примерно от 1 до 10%. Они при неблагоприятных условиях могут вызвать различные заболевания, но в организме здорового человека выполняют полезные функции. Еще там обитают различные грибы и стафилококки, также могущие быть патогенными. Но в основном в ЖКТ существует некий бактериологический баланс, словно задуманный природой, поддерживающий здоровье человека на должном уровне. А при достаточно высоком иммунитете не могут проникать внутрь и причинять вред.
На 111-м собрании Американского общества микробиологии (ASM) в Новом Орлеане на этой неделе Alexander Michaud из Государственного университета штата Монтана в Bozeman представил последние результаты своей команды в новой развивающейся области «биоосаждение», в которой ученые исследуют степень влияния бактерий и других микроорганизмов на погодные явления.
В своем выступлении во вторник Michaud говорил о том, как он и его группа обнаружили высокую концентрацию бактерий в центре градин. Центр градины является первой частью открытия, «зародышем»:
Michaud сказал, что молекулам воды необходимо «ядро», вокруг которого они будут скапливаться и это приведет к осадкам в виде дождя, снега и града.
«Существует все больше доказательств того, что этими ядрами могут быть бактерии или другие биологические частицы », добавил Michaud.
Он и его команда рассмотрели градины более, чем 5 см в диаметре, которые упали в кампусе университета во время града в июне 2010 года.
Они проанализировали талые воды из четырех слоев в каждой градине и обнаружили, что внутреннее ядро, содержит наибольшее количество живых бактерий, о чем свидетельствует их возможность расти.
Термин «биоосаждение» был впервые введен в начале 1980-х David Sands, профессором и фитопатологом в Университете штата Монтана. В настоящее время это развивающаяся область, где ученые исследуют, как формируются ледяные облака, и как бактерии и другие микроорганизмы способствуют этому, образуя ядра, частицы, вокруг которых могут формироваться кристаллы льда.
Как только температура в облаках становится больше, чем -40 градусов Цельсия, лед спонтанно не образуется:
«Аэрозоли в облаках играют ключевую роль в процессах, ведущих к образованию осадков ».
Christner пояснил, что в то время, как различные типы частиц могут служить ядрами для образования льда, наиболее активным и естественным из них является биологический, способный катализировать образование льда на уровне около -2 градусов по Цельсию.
Наиболее хорошо изученным является Pseudomonas syringae, которые можно увидеть в качестве пятен на томатах после заморозков.
«В штаммах P. syringae есть ген, кодирующий белок в их внешней мембране, который связывает молекулы воды в упорядоченное расположение, обеспечивая эффективный шаблон, который усиливает образование кристаллов льда », пояснил Christner.
С помощью компьютерной модели для имитации условий в аэрозольных облаках, исследователи выяснили, что высокая концентрация биологических ядер может влиять на многие события в атмосфере Земли, такие как размер и концентрация ледяных кристаллов в облаках, облачность, количество дождя, снега, града, который падает на землю, и даже помогает изоляции от солнечного излучения.
Учитывая объем ядер в атмосфере и температуру, при которой они функционируют, Christner сделал вывод, что «биологические ядра могут играть роль в гидрологическом цикле Земли и радиационном балансе».
При малейшем дуновении ветра поднимается в воздух масса мелких пылинок, а вместе с ними и микробы. Воздушный океан для микроорганизмов - бесплодная пустыня: им там нечем питаться. Кроме того, для многих микробов лучи солнца смертельны. Обычно пребывание микробов в воздухе кратковременно. На малейших пылинках, точно на парашютиках, они оседают на землю. Для некоторых бактерий и грибов воздушные потоки - основной путь распространения. Споры плесеней нередко разносятся по воздуху на очень большие расстояния.
Чем выше и дальше от земли, тем микробов меньше. В горном воздухе их не так много, как в воздухе узких и пыльных улиц. Очень мало микробов над морем, вдали от берегов. Участникам арктических и антарктических экспедиций приходится иногда работать по колено в ледяной воде, но обычно никто из них не заболевает заразными болезнями, связанными с простудой. Объясняется это тем, что воздух в полярной зоне почти свободен от микроорганизмов, в том числе и от возбудителей болезней.
Ученые выяснили, что над Москвой на высоте 500 м в 1 м 3 воздуха содержится около 3 тыс. микробов, на высоте 1000 м - уже 1700, а на высоте 2 тыс. м - всего 700-800 микробов. При сильном ветре, когда над городом серой дымкой стелется пыль, число микробов на высоте 500 м возрастает до 8 тыс. Микробы обнаруживались и на высоте 6 км. Даже на высоте 23 км, где атмосфера пронизана космическими лучами, были уловлены с помощью шаров-зондов бактерии и плесневые грибы.
В воздухе промышленных городов вместе с пылью носятся миллионы микроорганизмов. В литре воздуха жилой плохо проветриваемой комнаты содержится около 500 тыс. пылинок. За сутки человек вдыхает около 10 тыс. л воздуха. Большинство микробов мы поглощаем без каких-либо дурных последствий. Но в воздухе, особенно в закрытых помещениях, могут появиться и возбудители заразных болезней.
Некоторые микробы (возбудители чумы, коклюша) в воздухе быстро погибают. Но туберкулезная палочка и микробы, вызывающие нагноение, долго переносят высушивание. Туберкулезные палочки остаются жизнеспособными в пыли до 3 месяцев. Вместе с частицами пыли они разносятся по воздуху на большие расстояния.
Зараза может распространяться не только С пылью. Когда больной чихает или кашляет, вместе с капельками влаги в воздух попадают возбудители заболевания. В каждой капельке брызг от кашля туберкулезных больных обнаружено до 40 тыс. туберкулезных палочек. С мельчайшими брызгами мокроты микробы отлетают при кашле на 2-3 м, а при сильном кашле и до 9 м.
Чем чище воздух в общественных местах, вокруг человеческого жилья и в комнатах, тем меньше люди болеют. Подсчитано, что, если провести щеткой пылесоса по поверхности предмета четыре раза, удаляется до 50% микробов, а если двенадцать раз - почти 100%. Большое значение в борьбе за чистоту воздуха имеют леса и парки. Зеленые насаждения осаждают, поглощают пыль и выделяют фитонциды, убивающие микробов.
Микробы приносят вред не только здоровью человека. По воздуху распространяются также и возбудители болезней животных и растений. Микроорганизмы вместе с пылью оседают на пищевые продукты, вызывают их скисание, гнилостное разложение.
Как уже было сказано, на состав сообществ микроорганизмов поверхностного снега могут влиять несколько факторов, один из которых - эоловый перенос материала из близлежащих биотопов. Сотни миллионов тонн пыли, содержащей микроорганизмы, органические кислоты и неорганические соли, ежегодно перемещаются между континентами [ 67 ]. Многочисленные биотопы на поверхности Земли могут служить источником бактерий в атмосфере: поверхность почвы, растений, водная поверхность и, наконец, антропогенные объекты [ 68 ].
Микробные клетки могут пребывать в атмосфере в течение долгого времени сохраняя жизнеспособность и переноситься на огромные расстояния [ 69 ]. Различные факторы окружающей среды, такие как УФ радиация, окислительный стресс, обезвоживание и недостаток питательных веществ, оказывают влияние на микроорганизмы в атмосфере [ 70 ]. Численность микроорганизмов в атмосфере зависит от множества факторов, таких как время года, температура, топология местности, потоки тепла от земной поверхности, ветер и антропогенный фактор [ 71 ]. По некоторым оценкам, численность микроорганизмов в атмосфере может составлять от 100 до 100000 бактерий в мл воздуха [ 72 , ].
Отдельный вопрос, которые возникает при изучении разнообразия микроорганизмов в атмосфере - это в каком метаболическом состоянии они находятся, и могут ли они принимать участие в атмосферных процессах [ 74 ]. Способность бактерий жить и размножаться на частицах пыли в атмосфере была показана еще в 1979 году [ 75 ]. Жизнеспособные бактерии были обнаружены на высоте до 60-70 км, где температура воздуха достигает -100*C [ 76 , ]. Было показано, что атмосферные бактерии могут влиять на химический состав осадков [ 78 ] и даже вызывать их образование, способствуя конденсации воды и льда [ 79 ]. Самым известным примером бактерии, которая способствует образованию кристаллов льда на поверхности клетки это Pseudomonas syringae [ 80 ]. На внешней мембране клеток P. syringae находятся белки, которые связывают молекулы воды из атмосферы и упорядочивают их структуру при замерзании, что приводит к образованию регулярных кристаллов льда.
Антарктический континент изолирован от других континентов антарктическим циркумполярным воздушным течением , которое практически не позволяет перемешиваться воздушным потокам над Антарктикой и более северными районами [ 81 ]. Другим важным фактором, ограничивающим транспорт веществ по воздуху к территории Антарктиды, являются стоковые ветра , которые снижают количество заносимого на побережье органического материала [ 82 ]. Стоковые ветра возникают вследствие охлаждения слоя воздуха у поверхности ледника, который под действием силы тяжести стекает вниз по куполообразному склону Антарктического континента. Основными источниками пыли, оседающей на территории Антарктики и Южного океана, являются территория Австралии, Южной Америки, Южной Африки, а также территории Северного полушария. Южно-американские потоки оседают главным образом в Атлантико-Индийском секторе Антарктики, австралийские - в секторе Тихого океана [ 83 ].
Несколько исследований были посвящены описанию разнообразия микроорганизмов в воздухе над Антарктикой. Микробиологическими методами были обнаружены споры мхов и грибов, пыльца, водоросли, бактерии и даже вирусы [ 84 ]. Молекулярно-генетическими методами удалось детектировать представителей цианобактерий , диатомовых водорослей и актиномицетов в воздухе над Антарктическим полуостровом [ 85 ]. Как отмечают авторы, ближайшие гомологи многих из них были ранее обнаружены в других холодных местах обитания, в том числе на территории Антарктики. С помощью методов высокопроизводительного секвенирования удалось описать состав сообщества микроорганизмов в воздухе над Сухой Долиной недалеко от американской исследовательской станции МакМердо [ 86 ]. Самым часто встречающимся филумом бактерий оказались Firmicutes , многие представители которых имели ближайших гомологов среди термофильных бактерий . Авторы предположили, что наибольший вклад в состав бактериального сообщества атмосферы над Сухими Долинами вносят , который находится в 100 км от места отбора образцов. Возможно, консервации термофильных бактерий филума Firmicutes в атмосфере способствовало то, что многие из них способны образовывать споры при неблагоприятных условиях. В остальном, состав сообщества бактерий воздуха над Сухими Долинами был схож с бактериальным составом аэрозолей над другими континентами, формируя таким образом специфическую экосистему бактерий, способных к транспортировке на дальние расстояния и обладающих повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям окружающей среды [