Заслуга выяснения механизма передачи возбудителей заболеваний через воздух принадлежит П. Н. Лащенкову. Он одним из первых установил, что при чихании, кашле и разговоре в воздух выбрасывается множество капелек жидкости, внутри которых содержатся микроорганизмы. Особенно важно, что эти мельчайшие капельки могут часами удерживаться в воздухе во взвешенном состоянии, т. е. образуют стойкие аэрозоли. В этих капельках за счет влаги микроорганизмы выживают дольше. Таким воздушно-капельным способом происходит заражение многими острыми респираторными заболеваниями, в том числе гриппом и корью, а также коклюшем, дифтерией, легочной чумой и т. д. Этот путь распространения возбудителей – одна из основных причин развития не только эпидемий, но и крупных пандемий гриппа, а в прошлом и легочной чумы.
Помимо капельного способа, распространение патогенных микробов через воздух может осуществляться «пылевым» путем. Находящиеся в выделениях больных (мокроте, слизи и т. п.) микроорганизмы окружены белковым субстратом, поэтому они более устойчивы к высыханию и другим факторам. Когда такие капли высыхают, они превращаются в своеобразную бактериальную пыль (внутри белкового субстрата сохраняются и выживают многие патогенные бактерии). Частички бактериальной пыли имеют обычно диаметр от 1 до 100 мкм. У частиц диаметром более 100 мкм сила тяжести превышает сопротивление воздуха, и они быстро оседают. Скорость переноса бактериальной пыли зависит от интенсивности сил воздушных перемещений. Пылевой путь играет особенно важную роль в эпидемиологии туберкулеза, дифтерии, туляремии и других заболеваний.
Количество микробов в воздухе варьирует в больших диапазонах – от нескольких бактерий до десятков тысяч их в 1 м3. В 1 г пыли может содержаться до 1 млн бактерий. Большое значение имеет чистота воздуха в операционных, реанимационных и перевязочных отделениях хирургических госпиталей. Общее количество микробов в операционной до операции не должно превышать 500 в 1 м3, а после операции – 1000 в 1 м3.
Для исследования микрофлоры воздуха используют различные методы: седиментационный (метод Коха), фильтрационный (воздух продувают через воду) и методы, основанные на принципе ударного действия воздушной струи с использованием специальных приборов (В. С. Киктенко, Л. М. Соколинского [и др.]). Последние методы наиболее надежны, так как позволяют точно определить количественное загрязнение воздуха микроорганизмами и изучить их видовой состав.
В настоящее время в биотехнологической промышленности широко используются различные микробы-продуценты, в том числе генетически модифицированные формы их. Поскольку эта технология связана с неизбежными периодическими выпусками (интродукциями) в открытую систему (воздух, вода, почва) генетически измененных форм микроорганизмов, возникает важный вопрос об их дальнейшей судьбе и о возможном влиянии на биосферу и человечество. Несомненно, этот вопрос как часть общего вопроса охраны окружающей среды должен решаться в глобальном плане.
Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе
Предполагается, что в предбиологический период атмосферные газы находились в восстановленном состоянии: азот – в форме аммиака (NH3); кислород – в составе воды (H2O); углерод – в форме метана (СН4). Современное их состояние в виде окисленных форм: азота и кислорода в форме простых газов (N2 и О2), а углерода в виде оксида углерода (СО2) – в значительной степени является следствием активности живых организмов, в том числе микробов. Количественное содержание в атмосфере N2, O2 и СО2, других химических элементов, обнаруженных на поверхности Земли и необходимых для жизни, отражает равновесие между их образованием и использованием в биологических и геологических процессах. Эти превращения происходят во всей биосфере, т. е. в той тонкой оболочке жизни на поверхности Земли, которая охватывает океаны, моря, пресные водоемы, почву континентов и нижнюю часть атмосферы и в которой только и содержатся живые организмы. Общего количества главных химических элементов, необходимых для жизни, в частности углерода и азота, имеющихся в атмосфере, при их одностороннем потреблении вряд ли хватило бы на миллионы лет.
Биосфера находится в более или менее устойчивом состоянии благодаря непрерывному притоку солнечной энергии и постоянному круговороту углерода, кислорода, азота, серы и фосфора. В целом эти процессы выглядят так. С помощью солнечной энергии фотосинтезирующие организмы превращают СО2 и другие неорганические вещества в глюкозу и другие органические соединения, которые прямо или косвенно служат источником энергии для всех других организмов. В свою очередь фотосинтезирующие организмы – одноклеточные водоросли (в основном, диатомовые и динофлагелляты), обитающие в океане, и высшие растения, растущие на суше, – служат источником питания для животных. Поэтому основные биологически важные элементы сохраняются в органическом состоянии в ходе превращений, которые приводят к включению этих элементов в клетки и ткани животных. Чтобы снова стать доступными для фотосинтезирующих организмов, органические вещества должны снова перейти в неорганическую форму, т. е. подвергнуться минерализации. Эти превращения происходят из-за разложения (гниения) растительных и животных остатков, осуществляемого главным образом микроорганизмами. Подсчитано, что минерализация 90 % органического углерода, т. е. превращение его в СО2, осуществляется микроорганизмами. Остальные 10 % СО2 образуются в результате дыхания других организмов, а также за счет сгорания топлива и других материалов. Микроорганизмы, благодаря легкости их расселения по воздуху и воде, распространены по всей биосфере, и вследствие их чрезвычайно высокой метаболической активности они играют главную роль в химических превращениях, которые происходят на поверхности Земли. Подсчитано, что метаболический потенциал микроорганизмов в верхнем 15-сантиметровом слое одного гектара хорошо удобренной почвы в любой момент времени эквивалентен метаболическому потенциалу нескольких десятков тысяч людей.
Другим важным фактором, определяющим роль микроорганизмов в природе, является высокая скорость их размножения при благоприятных условиях.
Под круговоротом веществ в природе понимают циклические превращения химических элементов, из которых построены живые существа, происходящие вследствие разнообразия и гибкости метаболизма микроорганизмов. По-видимому, в природе нет таких органических веществ, которые не разрушались бы теми или иными микроорганизмами.
Круговорот азота и микробы, участвующие в нем
Запасы азота в природе очень велики. Он входит в состав всех организмов на Земле. Общее содержание его в организмах составляет более 25 млрд тонн, большое количество азота находится также в почве. Но еще более грандиозен запас азота в атмосфере: над каждым гектаром почвы поднимается столб воздуха, содержащий около 80 000 тонн молекулярного азота. Ежегодно на образование вновь вырастающих растений требуется около 1,5 млрд тонн азота в форме, доступной для усвоения растениями. Имеющегося в воздухе и почве азота хватило бы для обеспечения урожая, даже при одностороннем использовании, на несколько миллионов лет. Однако растения часто дают низкие урожаи именно из-за недостатка азота в почве. Это объясняется тем, что только небольшая группа азотистых соединений может быть быстро усвоена растениями. Не только свободный азот, но и многие формы связанного азота не могут служить источником азотного питания для растений. Азот, поступающий в виде белковых веществ в почву вместе с остатками растений и животных, совсем не годится для этих целей, он должен быть подвергнут минерализации, а образующийся при этом аммиак должен быть окислен в соли азотистой и азотной кислот. В основе процессов круговорота азота лежат следующие биохимические процессы: гниение белков, разложение мочевины, нитрификация, денитрификация и фиксация атмосферного азота.
Гниение, или аммонификация белков, – микробиологический процесс, при котором под воздействием гнилостных микроорганизмов происходит гидролитическое расщепление белков, поступающих в почву с трупами животных и отмирающими растениями, с образованием промежуточных продуктов (альбумоз, пептонов, амино– и амидокислот), а также дурно пахнущих веществ – индола, сероводорода, меркаптана, летучих жирных кислот.
Конечным продуктом гидролиза белков и дезаминирования аминокислот является NH3, почему этот процесс и называется аммонификацией белка. Таким образом, при гниении происходит минерализация белковых веществ, которая в зависимости от химического состава белков субстрата, вида гнилостных бактерий и условий их жизнедеятельности может быть полной или не доведенной до конца. При полной минерализации белка образуются H2O, CO2, NH3, H2S и минеральные соли. При широком доступе кислорода продукты гидролиза белков подвергаются полному окислению, зловонных веществ образуется значительно меньше, чем при анаэробных условиях. Такой процесс называется тлением.
