§ 21. Роль бактерий в природе и жизни человека

Разнообразные физиологические и экологические группы бактерий, определяющие глобальный баланс биосферы и практическую деятельность человека:

• 1. Почвенные бактерии — обитатели почвенного профиля, минерализующие перегной и органический опад до растворимых солей, улучшающие механическую структуру и аэрацию почвы.
• 2. Клубеньковые бактерии (Rhizobium) — симбиотические микроорганизмы корней бобовых культур, преобразующие молекулярный азот атмосферы в минеральные азотистые соединения, доступные для питания высших растений.
• 3. Уксуснокислые и молочнокислые бактерии — бактерии полезного брожения: первые окисляют этиловый спирт в уксусную кислоту; вторые сбраживают сахара в молочную кислоту, используемую для производства сыров, творога, сметаны, кефира, квашения овощей и силосования кормов.
• 4. Гнилостные бактерии — сапротрофные микроорганизмы, гидролизующие белковые молекулы мертвых тел с выделением дурно пахнущих газов (аммиака, сероводорода); вызывают быструю порчу мясных, рыбных и растительных продуктов питания.
• 5. Болезнетворные бактерии (патогены) — паразитические микроорганизмы, вызывающие опасные инфекционные заболевания человека, животных и растений за счет выделения токсинов (чумная палочка, палочка Коха, возбудители холеры, столбняка, дифтерии, ботулизма, тифа и бактериального рака томатов).

Форма тесного взаимовыгодного совместного сожительства (от греч. «симбиозис» — совместная жизнь) двух разноименных организмов, при котором оба партнера получают физиологические или экологические преимущества:

• 1. Симбиоз клубеньковых бактерий и бобовых — бактерии снабжают клевер, горох или сою связанными ионами азота, получая взамен углеводы (глюкозу), синтезированные в ходе фотосинтеза, и защищенную полость внутри растительных клубеньков.
• 2. Обогащение почвы — за один вегетационный период популяции симбиотических азотфиксаторов способны накапливать до 100 кг азота на один гектар пашни, многократно повышая плодородие без синтетических удобрений.
• 3. Кишечный симбиоз — в желудочно-кишечном тракте человека обитает от 300 до 1000 видов бактерий массой до 1 кг, участвующих в расщеплении клетчатки, выработке витаминов (группы B, K) и подавлении патогенных микробов.

Массовое, взрывное и прогрессирующее распространение инфекционного заболевания среди людей на определенной территории, существенно превышающее привычный спорадический уровень заболеваемости.

• 1. Факторы распространения — неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия, антисанитария, скопление людей в непроветриваемых помещениях, дефицит доброкачественной питьевой воды и несоблюдение правил личной гигиены.
• 2. Тяжелейшие пандемии — исторические волны легочной и бубонной чумы («черная смерть») и холеры опустошали города и страны, приводя к гибели десятков миллионов людей.
• 3. Профилактика эпидемий — санитарно-карантинные мероприятия, дезинфекция очагов заражения, хлорирование и озонирование водопроводных сетей, вакцинация населения.

Технологический процесс абсолютного физического или химического уничтожения всех живых микроорганизмов на всех стадиях развития, включая вегетативные клетки бактерий, вирусы, грибы и их сверхтермостойкие споры.

• 1. Высокотемпературная обработка — воздействие сухого жара или пара под повышенным давлением в автоклавах при температуре выше +100...+120 °C.
• 2. Лучевая и ультразвуковая стерилизация — обработка операционных блоков, медицинских материалов и инструментов ультрафиолетовыми лучами и ультразвуковыми генераторами.
• 3. Применение в консервировании — автоклавирование пищевых консервов в герметичной таре, предотвращающее развитие опаснейшего возбудителя ботулизма (Clostridium botulinum).

Метод термического обеззараживания жидких пищевых продуктов (молока, пива, вина, соков) путем их нагревания до +60...+70 °C в течение определенного времени с последующим быстрым охлаждением.

• 1. Авторство открытия — предложена в середине XIX века выдающимся французским микробиологом и химиком Луи Пастером для предотвращения бактериального прокисания вин и пива.
• 2. Бактериологический эффект — уничтожает термолабильные вегетативные формы болезнетворных и гнилостных бактерий, тогда как бактериальные споры выдерживают этот нагрев и остаются жизнеспособными.
• 3. Преимущество сохранности — не разрушает питательную ценность, природный вкус, ароматические вещества, ферменты и витамины, однако требует строгого хранения продуктов при пониженных температурах для задержки прорастания спор.

Французский микробиолог и химик, один из основоположников научной микробиологии, доказавший бактериальную природу брожения и порчи продуктов питания. Разработал метод щадящей термической обработки жидкостей (пастеризацию), спасший пищевую промышленность и медицину от распространения опасных бактериальных инфекций.

• В середине XIX века предложил революционную технологию пастеризации — нагревание продуктов до 60–70 °C, что позволило уничтожать вегетативные клетки бактерий без закипания и порчи вкуса молока и вин.
• Экспериментально доказал, что порча напитков и скисание молока вызываются жизнедеятельностью микроорганизмов, а не самозарождением, заложив основы промышленного консервирования и асептики.
• Создал фундаментальные методы искусственной вакцинации против смертоносных бактериальных и вирусных заболеваний, навсегда изменив принципы профилактики инфекций у людей и животных.

Немецкий микробиолог и врач, один из основоположников современной бактериологии и эпидемиологии, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине. Открыл бактериальных возбудителей опаснейших инфекционных болезней человечества, включая туберкулёзную палочку (палочку Коха) и холерный вибрион.

• В 1882 году открыл и детально описал возбудителя туберкулёза — микобактерию, получившую название «палочка Коха», доказав бактериальную и заразную природу этой смертоносной болезни.
• Разработал классические методы окрашивания бактерий анилиновыми красителями и микрофотографии, а также технику выращивания чистых культур микроорганизмов на твёрдых питательных средах.
• Сформулировал фундаментальные постулаты бактериологии, позволившие врачам однозначно доказывать связь конкретного вида бактерий со специфическим инфекционным заболеванием.

Бактерии выполняют колоссальную, незаменимую роль в биосфере Земли:

• Санитары планеты (редуценты): минерализуют колоссальные объемы отмершей органики (растительный опад, трупы животных, органические выделения) до простых неорганических солей, воды и углекислого газа, очищая поверхность Земли от биологических завалов;
• Биогеохимический круговорот веществ: непрерывно замыкают круговорот азота, углерода, фосфора, калия, серы и железа, благодаря чему запасы элементов многократно вовлекаются в метаболизм живых организмов на протяжении сотен миллионов лет;
• Почвообразование и структура грунтов: перерабатывают гумус в усвояемые растениями формы и склеивают микрочастицы почвы, придавая ей пористость, влагоемкость и плодородие;
• Азотфиксация: клубеньковые и свободноживущие почвенные бактерии переводят недоступный молекулярный азот воздуха ($N_2$) в аммонийные и нитратные соли;
• Формирование горючих ископаемых: участвовали в биогенном синтезе природного газа, нефти и осадочных железных руд.

Деятельность бактерий лежит в основе множества отраслей биотехнологии и народного хозяйства:

• Пищевая промышленность: приготовление кисломолочных продуктов (кефира, простокваши, йогуртов, сметаны, творога, сыров), ферментация столового уксуса, молочнокислое квашение капусты и засолка огурцов;
• Медицинская биотехнология: генетически модифицированные и природные штаммы бактерий синтезируют антибиотики, терапевтические витамины, белковые ферменты и рекомбинантный человеческий инсулин;
• Сельское хозяйство: применение бактериального азотного удобрения «Нитрагин» (более 2 млрд бактерий в 1 г препарата), заготовка силоса для животноводства и микробиологические препараты против насекомых-вредителей;
• Промышленная обработка сырья: ферментативное вымачивание льняной соломы для высвобождения текстильных волокон, дубление и обработка шкур животных;
• Экологическая биоремедиация: биологическая очистка бытовых и промышленных стоков в аэротенках, а также утилизация разливов нефти специальными штаммами нефтеокисляющих бактерий.

Для предохранения пищевых продуктов от разложения гнилостными микроорганизмами искусственно создают условия, подавляющие их размножение и ферментативную активность:

• Термические способы: стерилизация (нагрев свыше +100 °C герметичных банок) и пастеризация жидких продуктов при +60...+70 °C;
• Охлаждение и глубокая заморозка: содержание в холодильниках и морозильных камерах при температуре около 0 °C и ниже затормаживает биохимические реакции бактерий;
• Обезвоживание (сушка): полное удаление влаги из сушеных фруктов, овощей, грибов, вяленого мяса и сушеной рыбы делает субстрат недоступным для жизнедеятельности микробов;
• Осмотическое консервирование: высокая концентрация поваренной соли (засолка) или сахара (варенье, джемы) вызывает осмотический отток воды из бактериальных клеток (плазмолиз) и их гибель;
• Химическое консервирование: маринование с применением уксусной или лимонной кислоты, а также молочнокислое сбраживание, создающие кислую среду, губительную для гнилостных микробов.

Мясо, рыба и колбаса представляют собой насыщенную влагой белковую питательную среду, оптимальную для мгновенного размножения микрофлоры:

• Лавинообразное размножение в тепле: при комнатной температуре бактерии гниения делятся каждые 20–30 минут, стремительно расщепляя животный белок с выделением ядовитых продуктов распада (птомаинов);
• Риск накопления опасных токсинов: в тепле без доступа кислорода споры бактерии Clostridium botulinum прорастают и синтезируют смертоносный ботулотоксин, микроскопическая доза которого способна убить человека;
• Блокирование жизнедеятельности холодом: низкая температура холодильной камеры (+2...+4 °C) переводит бактерии в состояние анабиоза, останавливает деление клеток и позволяет безопасно сохранить свежесть продуктов на положенный срок.

Патогенные бактерии являются возбудителями тяжелых заразных заболеваний:

• Инфекции человека: холера (холерный вибрион), чума (чумная палочка), туберкулез (палочка Коха), дифтерия, брюшной тиф, столбняк, сифилис, бактериальная дизентерия, менингит, коклюш, а также ангина, острый бронхит, пневмония и кариес зубов;
• Смертельные пищевые отравления: ботулизм, развивающийся при потреблении зараженных консервов или колбас домашнего приготовления;
• Заболевания сельскохозяйственных животных: сибирская язва, сап, бруцеллез, туберкулез крупного рогатого скота;
• Бактериозы культурных растений: бактериальный рак томатов (вызывает гибель до 70–90% урожая), бактериальный ожог плодовых деревьев, черная ножка картофеля и капусты, пятнистость фасоли.

Эпидемическому распространению патогенных бактерий благоприятствуют следующие факторы:

• Нарушение санитарно-гигиенических норм: грязь, скопление бытового мусора и пищевых отходов, отсутствие регулярной дезинфекции и влажной уборки;
• Скученность людей: длительное пребывание больших групп людей в тесных непроветриваемых помещениях облегчает воздушно-капельную передачу патогенов при кашле, разговоре и чихании;
• Пренебрежение личной гигиеной: немытые перед едой руки, употребление немытых плодов и сырой некипяченой воды из сомнительных водоемов;
• Активность биологических переносчиков: размножение синантропных грызунов (крыс, мышей), мух, блох и вшей, разносящих возбудителей чумы, тифа и кишечных инфекций;
• Нарушение технологии консервирования: недостаточная стерилизация герметично закрытых консервов, создающая идеальные бескислородные условия для прорастания спор ботулизма.

Борьба с бактериальными инфекциями строится на системном комплексе научно обоснованных мер:

• Профилактическая вакцинация: введение в организм ослабленных вакцинных штаммов или анатоксинов (прививки против дифтерии, туберкулеза, столбняка, коклюша) для формирования стойкого приобретенного иммунитета;
• Специфическая терапия: экстренное применение лечебных антитоксических сывороток (при ботулизме и дифтерии) и назначение антибиотиков, избирательно разрушающих клеточные стенки и белковый синтез бактерий;
• Дезинфекция и антисептика: обеззараживание помещений хлорсодержащими препаратами, озонированием и бактерицидными ультрафиолетовыми лампами;
• Государственный санитарно-эпидемиологический контроль: очистка, коагуляция, фильтрация и хлорирование водопроводной воды на водоканалах, строгий ветеринарно-санитарный надзор за качеством пищевой продукции;
• Гигиеническое просвещение: соблюдение режима мытья рук с мылом, термическая обработка пищевых продуктов и кипячение питьевой воды.