Микробные биоценозы в естественных водоемах

Микробные биоценозы  в естественных водоемах  

Биоценоз - совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания с более-менее однородными условиями обитания, образовавшимися естественно или в результате деятельности человека и характеризующаяся определенными взаимоотношениями между ее членами и средой обитания . Животные (зооценоз) и растения (фитоценоз), а также микробы в биоценозе настолько связаны между собой, что составляют единое целое и зависят от окружающей среды (климат, почва, гидрологические условия, на которые в свою очередь влияют определяющим образом);  их следует считать частью природного комплекса и среды, в которой они обитают. Биоценозы непрерывно развиваются в исторической перспективе, как в результате разрешения межвидовых противоречий, так и в результате изменения среды обитания. В составе биоценозов достаточно возбудителей различных болезней, передающих их от одного организма к другому по пищевым или контактным биоценотическим связям .   

 Взаимовлияние и связи биоценозов очень сложны и разнообразны, но информация о них практически необходима, хотим ли мы включить их в производственный процесс или просто сосуществовать: одни организмы создают необходимые условия для существования других, изменяя среду обитания; другие – служат сами или продуктами своего распада пищей для других, третьи связаны размножением или гнездованием на одном пространстве.      

 Организмы,  постоянно обитающие в воде  (гидробионты), составляют: планктон (пассивно плавающий, обычно представлен мелкими формами), нектон (активно плавающие организмы, способные противостоять течениям вод) и бентос(живущий на дне).    

 Зоопланктон  населяет обычно всю толщу пресных и соленых водоемов, в то время как фитопланктон, нуждающийся в солнечном свете – лишь в верхних слоях водоемов (до глубин 50 – 100 м.).  По размерам организмов различают:

• ультрапланктон (в основном бактерии) – величиной до нескольких микрон;
• нанопланктон ( некоторые растения и многие простейшие животные) – до 50 микрон;
• микропланктон (большая часть планктонных растений и некоторая часть животных) – до 1 мм.;
• мезопланктон (некоторые планктонные  растения и большая часть планктонных животных) – до 5 мм.;
• макропланктон (некоторые животные – высшие раки, черви, медузы) – до нескольких сантиметров;
• мегапланктон (некоторые медузы) – до 2 м

      Обильное развитие планктонных организмов в природной воде (преимущественно растительных) вызывает ее цветение.

Состав и состояние  биоценозов может определяться не только ходом естественных процессов, но и  процессов, протекающих под действием  параметров технологии.  При этом и инженерные сооружения для вод - всего лишь  емкости, в которых формируются сообщества водных организмов, а сочетание инженерного сооружения и биоценозов составляет технологическую систему со своими особыми свойствами .        

Простейшие – тип одноклеточных, преимущественно  микроскопических, организмов, который включает 4 класса: жгутиковые, корненожки, споровики, инфузории, Наиболее мелкие простейшие не превышают нескольких микрон, самые крупные достигают 2 – 3 см.   

  Известно около 15 тыс. видов простейших, из них около 12 тыс. – свободно живущие формы, около 3 тыс. – паразиты различных животных и человека. Большинство свободно живущих форм (около 10 тыс.) обитают в морях, остальные – в  водоемах (всюду,  где есть влага): в реках, озерах, болотах, лужах, колодцах, во влажной земле, мхах и т.д. Роль простейших в засорении и самоочистке  водоемов  является  определяющей.   

 Тело простейших состоит из протоплазмы, ядра (или нескольких ядер) и различных плазменных включений. Протоплазма по своему строению неоднородна. В простейшем случае (у некоторых корненожек) протоплазма имеет 2 слоя: внутренний (эндоплазма) – жидкий зернистый слой и наружный (эктоплазма) – более вязкий и прозрачный. У большинства простейших слой эктоплазма уплотняется, превращаясь в тонкую эластичную пленку – пелликулу, позволяющую вместе с тем временно менять форму тела  (метаболизировать).    

 У ряда форм поверхностный  слой (эктоплазма) утрачивает свойства  живой плазмы и превращается в продукт ее выделения (кутикулла) – биологическая система клетки изолируется от аналогичных систем, старается стать закрытой.    

Ядро простейших является непременной их частью; без него любая жизнедеятельность клетки невозможна. Строение ядер разнообразно. Различаются ядра пузырьковые и массивные различных типов. Известны простейшие имеющие несколько ядер.   

 Помимо ядер, протоплазма  простейших содержит ряд включений.  Одни из включений являются  продуктами жизнедеятельности клетки, содержат запасные питательные  вещества (крахмал, гликоген, парагликоген, лейкозин, жиры и др.),  продукты обмена, или гидростатические аппараты для выравнивания давления. С жировыми включениями связана способность некоторых простейших светиться в темноте.   

 У высших простейших (инфузории, некоторые жгутиковые) получили развитие фибриллы, пронизывающие  протоплазму и образующие внутренний  скелет, в том числе из минеральных  материалов, выделяемых плазмой  из крекмнезема (у солнечников), углекислого кальция, сернистого стронция. У планктонных форм простейших иглы могут выходить на поверхность тела.   

 Многие планктонные  организмы имеют наружный скелет (раковину) из хитина, клетчатки,   извести или кремния,    

Инцистирование  простейших - переход организма в простейшего в форму существования - “циста”, характеризующаяся наличием оболочки. У животных организмов (жгутиковые корненожки, споровики, инфузории) различают цисты покоя и цисты размножения.    

 Цисты покоя  – имеют толстые оболочки (студенистые или твердые); состоящие из хитинообразных веществ, иногда минерализуются,  выполняя защитные функции. Инцистирование наступает при возникновении неблагоприятных условий существования (например, при пересыхании водоема или его промерзании), а у паразитических форм – также перед выделением из организма – хозяина, обеспечивая возможность перехода от одного организма – хозяина к другому через внешнюю среду. В состоянии цисты организм может существовать весьма долго.     

Цисты размножения – имеют тонкую оболочку и образуются на короткий срок, в течении которого содержимое цисты делится на несколько самостоятельных организмов.   

 У растительных организмов  цисты образуются в результате  простого сжатия тела и выделения  из него новой, особо плотной  трудно проницаемой оболочки.   

 К наиболее изученным  и используемым в производственной  практике биоценотическим связям  относятся пищевые связи (трофические  связи).   

 Цепи питания – это ряды видов животных, растений и микроорганизмов, связанные пищевыми отношениями, или  последовательности организмов, через которые передается энергия из мест ее первичного накопления, в которых каждое звено является пищей.    

 Цепи питания начинаются продуцентами – организмами, способными производить органические вещества, К продуцентам относятся зеленые растения, синтезирующие органические вещества из углекислоты воздуха и почвенных растворов с помощью энергии солнечного света при участии зеленого пигмента – хлорофилла (фотосинтез) и серные, водородные и другие бактерии, использующие для синтеза органики окисление химических веществ.   

     Цепи питания  установились в ходе длительного исторического развития органического мира. Они связывают различные виды, объединяя их в сообщества – биоценозы. Строение биоценоза, его длина, ярусность зависят от числа и длины цепей питания.    

 Питание простейших  осуществляется различными способами:

• за счет органических веществ по типу фотосинтеза растительных организмов, в протоплазме которых содержатся особые окрашенные органические вещества;
• сапрофитным – впитывая поверхностью тела растворенные органические вещества; это преимущественно формы, обитающие в водоемах, богатых гниющими остатками, а также паразиты;
• галозейным – захватывают твердые частицы пищи (это некоторые корненожки и жгутиковые и большинство инфузорий); некоторые формы имеют для этого органеллы для захвата твердой пищи, ее переваривания и выбрасывания  остатков.

    Размножение простейших осуществляется как бесполым, так и половым путем; различные циклы могут чередоваться. Выделяются следующие циклы бесполого размножения: равномерное деление, повторное равномерное деление, неравномерное деление, почкование, множественное деление.  Типы полового размножения прстейших:

• копуляция – слияние двух половых особей;
• конъюнкция – временное соединение лвух  особей с обменом между ними частями половых ядер (свойственно только инфузориям).

 Водоем или его часть  может иметь:   

 сильно загрязненные  воды с преобладанием восстановительных  процессов – полисапробные зоны;    

 зоны, в которых восстановительные  процессы прекращаются и начинаются  окислительные процессы – мезосапробные зоны,     

зоны, в которых произошло  полное окисление органических веществ  – олигосапробные зоы.  

 Иногда  мезосапробную зону делят на ряд подзон:

a – мезосапробную (более загрязненную), близкую к полисапробной,

b – мезосапробную (менее загрязненную), близкую к олигосапробной    

 Сапробность водоема – характеристика степени загрязненности водоема органическими веществами. Сапробность водоема можно оценивать  по видовому составу обитающих в нем организмов – сапробов.   

     По материалам Сладечека (Sladecek, 1973) соотношение индекса сапробности и биологической потребности в кислороде на окисление БПК5 может быть представлено следующим графиком, который для удобства использования в программах представлен регрессионной зависимостью (см.на графике).     

Биохимическое потребление  кислорода  (БПК) – показатель загрязнения воды, характеризуемый количеством кислорода, которое за определенное время (обычно 5 сут – БПК5), пошло на окисление химических веществ (загрязнителей), содержащихся в единице объема воды. 

0экологически опасны для водоемов и безусловно подлежат очистке перед сбросом в водоем.

Ø      Изосапробная зона – зона вод, очень сильно загрязненных органикой (БПК5= 50 –400 мг/л), лишенных растворенного кислорода. Сероводород отсутствует. В водоеме огромное количество бактерий и простейших. Примером вод, относимых к изосапробной зоне могут быть свежие бытовые стоки.    

Биологическое тестирование воды – метод оценки и контроля качества воды по основным реакциям водных организмов, являющихся тест – объектиами (ГОСТ 27065 – 86.   

 Биологическая  индикация воды – это оценка воды по наличию водных организмов, являющихся индикаторами ее загрязненности (ГОСТ 27065 - 86). Например, такое соответствие предлагается классификатором Росгидромета. 

Классификатор качества вод Росгидромета. МУ. Охрана природы. Гидросфера РД 52.24.309 – 92.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ  СИСТЕМ 

    Каждой среде обитания (водоем, сооружение) соответствует свое  сообщество живых организмов, сложившееся  исторически или в результате  технологической деятельности человека. Деятельность организмов, с одной  стороны направлена на улучшение  среды обитания - самоочищение водоемов, с другой приводит к заилению  этих же водоемов, забиваются  очистные фильтры и трубы очистных  систем, вода приобретает цветность,  переносятся патогенные микроорганизмы  и простейшие. Сообщество живых  организмов и окружающая их  среда, или сооружение, составляют  некоторую систему, в которой  первые составляют открытую подсистему (биологическую систему).   

 Существенной особенностью  биологической системы является  иерархия ее строения, связей, организации,  управления. Любой биологический  объект может быть целостной  системой или подчиненной, сформированной  в результате длительного эволюционного  развития, в котором система более  высокого ранга подчиняет своим  закономерностям системы более  низкого ранга.   

      Различают три типа технологических систем:

1.      cистемы, в которых оборудование встраивается в биосистему;

2.      cистемы, в которой биосистема встраивается в оборудование;

3.      естественно, могут быть и комбинированные технологические системы.

Следовательно, любой водоем, естественный или искусственный  приходится рассматривать как технологическую, в упомянутом смысле, систему (закрытую или открытую).   

 В  теоретической биологии,  и в биофизике и ряде других наук оперируют категориями удивительной упорядоченности биологических структур на всех уровнях, от макромолекулы до слона, что, в общем,  противоречит законам классической термодинамики. Для оценки целей и степени этой упорядоченности естественно использовать параметры главных связей биологических систем – трофических (энергетических) связей. Для этого  трансформируют законы термодинамики (ничего иного пока нет, если не выходить за пределы техники и технологии).       

 Биологическая система   – совокупность функционально связанных элементов или процессов, объединенных в целое для достижения биологически значимого результата  – получения приспособительного результата для ее биологической составляющей. Для этого открытая биологическая система обменивается с окружающей средой веществом и энергией.  В системах, в которых возможен обмен веществом и энергией, могут идти процессы  переходя из пространственно однородного состояния в боле  сложные пространственно неоднородные и или неоднородные во времени системы (изменения концентраций во времени или вдоль реактора), Процесс самопроизвольного формирования структуры, более сложной, чем первоначальна называется самоорганизацией. Процессами самоорганизации занимается новая наука – синергетика, которая отвечает на два вопроса: почему? и как? На первый вопрос отвечает термодинамика необратимых процессов (открытых систем); на второй – математический аппарат синергетики, пока окончательно не сформировавшийся.   

 Биоценоз и окружающая  его среда составляют технологическую  систему, для которой в целом  справедлив закон не убывания  энтропии (второй закон термодинамики). Вспомним, что энтропия (S ) определяется как натуральный логарифм статистического веса макросистемы (ω), умноженный на постоянную Больцмана (к). 

S = k ln ω 

    Статистический вес (ω) –  это число доступных квантовых  состояний для системы, находящейся  в данном  макросостоянии.   Энтропия здесь  является характеристикой порядка / беспорядка в системе.  

Упорядоченное состояние  системы – состояние, осуществляемое малым числом способов (энтропии упорядоченного состояния мала).    

Беспорядочное (случайное) состояние системы –  состояние, которое может реализоваться многим числом способов (энтропия беспорядочного состояния велика).    

 Энтропия, в свою очередь,  связана с количеством тепла,  получаемого системой (Q) и температурой (T): 

    для обратимого процесса ,                     d S = δ S / T, 

    для необратимого процесса,                 d S >  δ S / T,  за счет необратимости процесса.  

        Поскольку, в соответствии  со вторым законом термодинамики  все необратимые процессы идут  с увеличением энтропии, упорядочение  биологических систем, связанное  с уменьшением энтропии, идее  за счет увеличения энтропии  в других (неизолированных частях  системы).   

 Для биологических  систем энэргообмен  между подсистемами можно представить как образование сложных  молекул углеводов из CO ₂ и H ₂ O  с последующей деградацией продуктов фотосинтеза в процессах дыхания. В процессе фотосинтеза растения и микробы создают из углекислого газа и воды органические вещества, необходимые для построения их клеток и поддержания жизненных процессов:  

6 CO ₂ + 6 H ₂ O = C ₆ H ₁₂ O ₆ + 647 ккал тепла 

      Таким образом уменьшение энтропии  живых существ в процессе их жизнедеятельности (“противозаконный процесс”) в конечном итоге  обусловлено  поглощением квантов света фотосинтезирующими организмами, что компенсируется при их образовании в других участках внешней среды. Именно этот энергообмен  обеспечивает существование и развитие как отдельных организмов, звеньев и кругооборота энергии в природе вцелом. Изложенные фрагменты – основа различий в биоценозах природных вод.   

 Ккак это происходит может описать математический аппарат синергетики:  бифункциональный анализ, теория клеточных автоматов, дробное исчисление и др.,  примеры применения которых необходими при программировании конкретных приложений .

Антибиотики животного  происхождения, их действие.

Люди с древности сталкивались с инфекционными заболеваниями. Некоторые были не очень опасны, а некоторые убивали целые  деревни и города. При ослабленном  иммунитете даже не очень серьезные  ранения осложнялись гангреной, что приводило к ампутации  или смерти от заражения крови. Но в древности люди не знали, что  именно вызывает инфекционные болезни. О существовании микроорганизмов узнали только с изобретением микроскопа. С появлением крупных городов и развитием торговли появились благоприятные условия для эпидемий, особенно если в городах была антисанитария. Эти эпидемии уносили по всей Европе десятки тысяч человек, что наносило огромный ущерб обществу и тормозило развитии. Из-за гангрены гибло очень много раненных. В борьбе с инфекциями человечество несет невосполнимые потери. Если бы в начале XIX века медицина обладала современными препаратами, Александр Сергеевич Пушкин после дуэли с Дантесом остался бы жить. Зашить огнестрельную рану врачи могли уже в то время, предотвратить инфекционное поражение организма в результате ранения - нет. Если бы люди в 1904 году знали средство от болезнетворных бактерий, они сумели бы сохранить жизнь заболевшему туберкулезом Антону Павловичу Чехову. Этот грустный список можно продолжать бесконечно...

Антибиотики появились только в 20 века. Это одно из величайших достижений медицины. Болезни, от которых раньше умирали теперь можно было эффективно лечить.

Антибиотики (от греч. anti - против, bios - жизнь) - биологически активные вещества, образуемые в процессе жизнедеятельности грибов, бактерий, животных, растений или созданные синтетическим путем, способные избирательно подавлять жизнедеятельность бактерий, грибов, риккетсий, крупных вирусов, простейших и отдельных гельминтов. Они относятся к разряду «химиотерапевтические средства» и предназначены для избирательного действия на возбудителей заболеваний во внутренних средах организма (кровь, лимфа, межтканевая жидкость), в клетках, тканях и в очагах воспаления#.

Открытие антибиотиков, без  преувеличения, можно назвать одним  из величайших достижений медицины прошлого века. Но в настоящее время наблюдается  тенденция устойчивости патогенных микроорганизмов к антибиотикам, полученным синтетическим способом из растений, грибов и бактерий. Возникает  необходимость в антибиотиках, которые  вырабатываются организмом животных в  процессе их жизнедеятельности.

История открытия антибиотиков животного происхождения

Первооткрывателем антибиотиков является английский ученый Александр  Флеминг, который в 1929 году описал бактерицидное  действие колоний грибка Пенициллина  Penicillium notatum на колонии бактерий, разраставшихся по соседству с грибком.

В 1909г. русский микробиолог  П.Н. Лащенков получил из куриного яйца вещество, которое задерживало развитие некоторых микробов. Позже англичанин А.Флеминг обнаружил это вещество в тканях сердца, печени, легких, а также в слюне и слезах человека. Он назвал его лизоцимом, но практического значения ему не придал.

Ермольева З.В. смогла разработать метод выделения и концентрации лизоцима, установить его химическую природу и использовать в практике. Она обнаружила и новые источники лизоцима: редька, хрен, репа... Так получили объяснение лечебные свойства древнейших средств народной медицины. Значительно позже, в 1970г., З.В.Ермольева вместе со своими учениками смогла получить и кристаллический лизоцим, который стал широко применяться в хирургии, офтальмологии, педиатрии. З.В.Ермольева впервые в медицинской практике предложила использовать лизоцим для лечения некоторых глазных болезней, заболеваний носоглотки.

Таким образом, было выяснено, что животные организмы сами способны вырабатывать вещества оказывающие  сопротивление болезнетворным микроорганизмам. Данные вещества антибиотики животного  происхождения. Биологически активные вещества, выделяемые животными тканями, обладают не только антибиотическим  действием, но и активизируют защитные силы макроорганизма. Названные свойства позволяют применять их для профилактики и лечения ряда заболеваний. К ним относится эритрин, выделяемый из эритроцитов различных животных, экмолин, полученный из тканей рыб, лизоцим - полисахарид, полученный из яичного белка, это энзим — полипептид сложного строения, который содержится в слезах, слюне, слизи носа, селезёнке, лёгких, яичном белке.  Клетками некоторых тканей продуцируется интерферон, угнетающий жизнедеятельность многих возбудителей вирусных инфекций.

Влияние антибиотиков животного происхождения на живой  организм

Антимикробные пептиды и  белки фагоцитов и барьерных  систем организма человека и животных являются физиологически активными  веществами многоцелевого назначения, участвующими в различных защитно-приспособительных  процессах, среди которых ведущее  место принадлежит фагоцитозу и  воспалению. Благодаря особенностям своей структуры они являются антимикробными агентами, в значительной степени определяющими, завершенный  характер фагоцитоза и стерильность внутренней среды животных организмов. Кроме антимикробной активности эти соединения обладают широким  спектром функциональных свойств, обеспечивающих реализацию многих защитных реакций  организма, как против инфекции, так  и неблагоприятных воздействий  окружающей среды.

Из антибиотиков животного  происхождения наиболее известный  лизоцим.  

Лизоцим

Лизоцим (синонимы — мурамидаза, мукопептидгликогидролаза) — один из составных компонентов гранулярной антимикробной системы нейтрофилов человека и животных. Содержится в белке куриных яиц, слюне, слёзной жидкости, грудном молоке и различных тканях.

Лизоцим — фермент класса гидролаз, разрушающий оболочки бактериальных  клеток. В организме человека и  животных создает антибактериальный  барьер в местах контакта с внешней  средой (глаза, носоглотка и др.) … 

Лизоцим — фермент, повреждающий муреиновый слой бактерий. Лизоцим гидролизует 1,4 р-связи между остатками N-ацетил мурамовой кислоты и N-ацетилглюкозамином, деполимеризуя таким способом один из ведущих компонентов оболочки бактерий. При определенных условиях лизоцим может осуществлять полное растворение пептидогликанового слоя, превращая бактериальные клетки в сферопласты, которые лизируют вследствие разрыва цитоплазматической мембраны, и не выдерживающей высокого осмотического давления.

Лизоцим оказывает бактериолитическое действие на грамположительные бактерии; менее чувствительны к нему грамотрицательные микроорганизмы. Лизоцим применяется для лечения язвенного процесса роговицы глаза, конъюнктивитов, гайморитов, гнойных процессов, осложнений ожогов, отморожений, вызванных бактериями, чувствительными к препарату.

Иридомирмецин и изоиридомирмецин

В литературе описаны вещества, обладающие антимикробными свойствами, которые образуются насекомыми. Еще  в старых медицинских трактатах 1708г. имелись указания на использование  сока муравьев при лечении некоторых  заболеваний. Однако более пристальное  внимание к этим вопросам было обращено в 40—50-х годах ХХ столетия. Исследования показали, что из 51 вида обследованных  насекомых 25 видов способны образовывать антимикробные вещества, главным  образом путем использования  муравьиной кислоты. Из аргентинского  муравья удалось выделить вещество, обладающее бактерицидными свойствами в отношении ряда видов бактерий (Bacillus anihracis, Brucella abortts, Mycobacterium avium, Proteus vulgaris и др.). Антибиотическое вещество выделено в чистом виде из анальных желез рабочих особей — это иридомирмецин (от латинского названия аргентинского муравья Iridomyrmex pruinosus tiumitis). Из желез одной особи можно выделить 2,9—3,3 мкг вещества. Мужские особи муравьев иридомирмецина не содержат.

Австралийские муравьи Iridomyrmex nitidus содержат аналогичное вещество — изоиридомирмецин. Иридомирмецин и изоиридомирмецин мало токсичны, обладают высокой инсектицидной активностью. По-видимому, эти вещества, как и другие антимикробные продукты животного происхождения, можно считать защитными средствами продуцирующих их организмов.

Круцин

Противораковый антибиотик круцнн впервые получен Клюевой и Роскиным в 1946г. из культуры Trypanosoma cruzi. Мысль об использовании Тrypanosoma cruzi в терапии рака была высказана Роскиным еще в 1931г.

Тrypanosoma cruzi — паразитическое простейшее, непосредственно связанное с человеком. Этот организм вызывает заболевание трипанозомиоз, широко распространенное в Латинской Америке под названием болезни Чагаса.

Круцин образуется в клетках паразита, причем величина активности зависит от цикла развития Тrypanosoma cruzi. Работами Роскина и его сотрудников показано, что наиболее чувствительны к действию круцнна опухоли эпителиального происхождения. Круцин не токсичен.

Интерферон 

К антибиотикам животного  происхождения следует отнести  также белковое вещество интерферон, образующееся в клетках под действием  вирусов, а также некоторых видов  бактерий или бактериальных эндотоксинов. Интерферон подавляет размножение  вирусов. В связи с этим в последнее  время он привлекает внимание исследователей как лекарственный препарат при  вирусных инфекциях. Он не действует  прямо на них, но создаёт в ткани  состояние невосприимчивости к  вирусной инфекции.

Система интерферона является важнейшим фактором неспецифической  резидентности. Наряду со специфическим иммунитетом она обеспечивает защиту организма от множества неблагоприятных воздействий. Доказана возможность использования этого препарата для профилактики и лечения  ряда вирусных заболеваний. Система интерферона осуществляет в организме контрольно-регуляторные функции, направленные на сохранение клеточного меостаза. Важнейшими из этих функции являются антивирусная, противоклеточная, иммунномодулирующая и радиопротективная.

К настоящему времени известно несколько видов интерферона, определяемых характером индуцирующего фактора. Однако все эти препараты —  слабокислые белки с молекулярной массой примерно 30000.

Для получения больших  количеств интерферона используют шестидневные однослойные культуры клеток куриного эмбриона или культивируемые лейкоциты крови человека, зараженные определенным видом вируса. Иными  словами, для получения этого  вещества создают определенную систему  вирус — клетка.