Występowanie i rola mikroorganizmów w różnych środowiskach

Powietrze

Powietrze nie jest naturalnym środowiskiem mikroorganizmów. Wolne od zanieczyszczeń nie zapewnia im warunków do wzrostu i rozwoju. Występuje w nim jednak do 100 różnych gatunków drobnoustrojów ( z bakterii najczęściej Achromobacter, Bacillus, Micrococcus, Sarcina pochodzących z gleby, powierzchni roślin i zwierząt Przebywają w powietrzu na drobinach kurzu i stałych zanieczyszczeniach. Odżywiają się substancjami organicznymi rozpuszczonymi w kropelkach mgły. Nie rozmnażają się.

Czynniki zwiększające zapylenie powietrza np. wiatr, brak okrywy roślinnej, wzmożony ruch uliczny zwiększają ilość drobnoustrojów. Wiatr może przenosić mikroorganizmy na duże odległości, np. zarodniki Puccinia graminis (rdza źdźbłowa) na odległość tys. Km.

Zmniejszenie liczebności mikroorganizmów następuje w wyniku:

1. przesuszenia powietrza,

2. działania światła i

3. promieni UV,

4. Wystąpienia opadu atmosferycznego (deszczu, mokrego oczyszczającego śniegu),

5. Spadku temperatury związanej z porą roku,

6. Opadu drobnoustrojów pod wpływem sił grawitacji,

7. Zagospodarowania terenów miejskich i zielonych (trawniki), higieny terenów miejskich.

Najmniej drobnoustrojów znajduje się nad dużymi obszarami wód (oceany, morza), powierzchniami pokrytymi śniegiem (Antarktyda, z uwagi na brak zanieczyszczeń i niskie temp.), górami , lasami.

Najwięcej drobnoustrojów znajduje się nad dużymi, ruchliwymi ośrodkami miejskimi, przemysłowymi i rolniczymi.

Ilość drobnoustrojów maleje ze wzrostem wysokości i wynosi od kilka-kilkaset tys. Komórek na ulicach miast do 2-3 komórek na wys. 500 m i tylko 1 komórki na wys. 2000 m w 1 l powietrza.

Niesprzyjające warunki w powietrzu powodują śmierć bakterii i utratę zdolności kiełkowania zarodników grzybów. Największą szanse przeżycia mają:

1. ziarniaki (ze wzgl.. na niewielką powierzchnie w stosunku do objętości są najbardziej oporne na wysychanie,

2. formy przetrwalnikowe bakterii (endospory),

3. gruboobłonione zarodniki grzybów, formy ciemno i jaskrawo zabarwione (melaniny oraz barwniki czerwony i żółty chronią przed działaniem promieniowania słonecznego i UV),

4. formy wytwarzające śluz (chroni przed wysychaniem i działaniem promieniowania).

Mikrobiologiczna czystość powietrza jest ważna z punktu widzenia higieny komunalnej i medycyny.

1

W powietrzu mogą znajdować się drobnoustroje chorobotwórcze, np. prątki gruźlicy (Mycobacterium tuberculosis), laseczki wąglika (Bacillus anthracis), paciorkowce hemolityczne i inne występujące w płwocinie, kurzu ulic, w szpitalach i ośrodkach medycznych.

W zakładach przemysłu rolno-spożywczego (mleczarstwo, serowarstwo) i fermentacyjnego (winiarstwo i browarnictwo) zanieczyszczenie powietrza może rzutować na jakość i trwałość wytwarzanych produktów.

Woda

Woda jest naturalnym środowiskiem mikroorganizmów. Zapewnia możliwość wzrostu i rozmnażania. Woda posiada na ogół mniej liczną i mniej zróżnicowaną mikrobiotę niż gleba. Wyróżniamy słodką śródlądową i morską słoną wodę. Poza organizmami typowo wodnymi , inne przebywają w niej okresowo. Rozwój mikroorganizmów wodnych zależy od zawartości pokarmu, tlenu, temp., pH i obecności światła.

W wodach czystych, ubogich w substrat organiczny, występują wyłącznie drobnoustroje oligotroficzne (zadowalające się śladowymi ilościami związków organicznych).

W miarę wzrostu zasobności wody, ilość i różnorodność drobnoustrojów wzrasta. W wodach występują drobnoustroje organotroficzne i litotroficzne, utleniające organizmy tlenowe i beztlenowe.

W zbiornikach wodnych występują głównie psychrofilne( 15-20 C) i mezofile (30o -40o)

W powierzchniowych wodach płytkich zbiorników śródlądowych, wierzchnich warstwach wód tropikalnych, gorących źródłach mogą pojawiać się drobnoustroje termofilne (40o -70o

Wśród nich są drobnoustroje:

Autochtoniczne, tubylcze dla których woda jest naturalnym środowiskiem występowania, np. bakterie siarkowe rodzajów Beggiatoa, Thiobaccillus, Thiothrix i Chlorobium, bakterie żelaziste rodzajów Crenothrix, Gallionella, Leptothrix oraz wiele innych.

Allochtoniczne, naniesione, pochodzące z powietrza , gleby, przewodu pokarmowego człowieka, zwierząt, ścieków, przenoszone przez wodę. Z uwagi na brak zarodnikowania w środowisku wodnym, w wodach powierzchniowych przeżywają do kilku tygodni, w wodzie wodociągowej do kilku dni.

W wodzie słodkiej

Żyją przedstawiciele wszystkich grup drobnoustrojów. Ruchliwe urzęsione bakterie rodzajów Pseudomonas, Vibrio, Spirillum, Spirochaeta.

Bakteria wiążące wolny azot z rozpuszczonego w wodzie powietrza ( Azotobacter vinelandii, Azomonas agilis) Osiedlające się na podwodnych przedmiotach bakterie styliskowe (C aulobacter), nitkowate i inne bakterie siarkowe i żelaziste.

2

W górnych warstwach wód, głównie śródlądowych, w warunkach dostępu tlenu i światła rozwijają się glony. Są one pierwszym ogniwem łańcucha troficznego. Często produkują substancje antybiotyczne eliminujące pewne grupy bakterii. Decydują o populacjach bakterii, pierwotniaków, ryb i innych organizmów.

Głębiej w osadach dennych rozwijają się niekiedy bardzo intensywnie, bakterie beztlenowe rozkładające substancje organiczne opadające na dno zbiornika. Okresowo znajdują się tutaj również drobnoustroje glebowe, spłukiwane przez deszcz z okolicznych pól.

Na głębokościach ubogich w tlen i pozbawionych światła rozwijają się fotosyntetyzujące bakterie zielone i purpurowe.

W morzach i oceanach, z uwagi na wysokie ciśnienie osmotyczne Związane z zasoleniem oraz niską zaawartością składników pokarmowych występuje nie wiele bakterii.

W głębszych warstwach mórz do których nie dociera światło, mogą występować bakterie bioluminescencyjne współżyjące z rybami.

Zanieczyszczenia chemiczne

Woda bywa zanieczyszczana związkami chemicznymi z instalacji przemysłowych, rolnictwa, lub gospodarki komunalnej.

Mogą one powodować wiele negatywnych skutków dla środowiska wodnego i otoczenia.

Rtęć, ołów, kadm, cynk, miedź mogą być przeprowadzane przez bakterie w formy przyswajalne dla roślin i ryb.

Mogą dostać się do organizmu człowieka powodując groźne zaburzenia układu nerwowego . Bardzo groźne są pozostałości pestycydów i syntetyczne detergenty.

Eutrofizacja wód

W zrównoważonych biocenozach wodnych czynnikami ograniczającymi rozwój organizmów jest zawartość azotu i fosforu.

Duża zawartość obu pierwiastków wywołana zanieczyszczeniami wód (w wyniku odprowadzania

nieoczyszczonych ścieków komunalnych, ścieków z farm bydlęcych, wody z gleb rolniczych nawożonych solami azotowymi) powoduje niezwykle bujny wzrost glonów.

W przypadku wiążących azot atmosferyczny sinic do silnego ich rozwoju wystarczy zwiększenie zawartości fosforanu.

Znaczny wzrost biomasy glonów powoduje zwiększenie:

populacji bakterii tlenowych, które korzystają z obumarłych i rozkładających się komórek glonów W wyniku ich aktywności dochodzi do:

wyczerpania rozpuszczonego w wodzie tlenu,

rozwoju bakterii beztlenowych,

rozkładu w warunkach beztlenowych i humifikacji,

nagromadzenie jonów amonowych, nagromadzenie toksycznego siarkowodoru, metanu i wodoru

Życie w zbiorniku stopniowo zamiera.

3

Zanieczyszczenia biologiczne

Do wody z zanieczyszczeniami komunalnymi dostają się m.in. drobnoustroje chorobotwórcze np.

Vibrio cholerae (cholera),

Salmonella typhi (dur brzuszny),

Shigella flexneri i Sh. Sonni (czerwonka),

Pasteurella tularensis (tularemia),

Brucella abortus (brucelloza),

Leptospira icterohaemorrhagiae (żółtaczka zakaźna),

Leptospira grippotyphosa (gorączka błotna),

Escherichia coli (pałeczka okrężnicy),

i inne, wirus polio

Mikrobiologiczne badanie jakości wód

Woda używana w gospodarstwie domowym, w przemyśle rolno-spożywczym i fermentacyjnym nie może zawierać bakterii chorobotwórczych dla człowieka.

Z uwagi na specjalne wymagania pokarmowe oraz niewielką liczebność, bezpośrednie badanie obecności tych mikroorganizmów w wodzie jest trudne, długotrwałe, pracochłonne i wykonywane w wyjątkowych przypadkach.

Długotrwałość analizy bezpośredniej nie da się pogodzić z wymaganiami higieny komunalnej oraz koniecznością podejmowania szybkich działań.

Dlatego, do określenia stanu mikrobiologicznego wody używa się organizmów testowych – bakterie, które zawsze towarzyszą organizmom chorobotwórczym i nie występują w wodach czystych.

Organizmami testowymi są:

Escherichia coli (pałeczka okrężnicy typu feralnego, typy I i II),

Streptococcus faecalis (paciorkowiec z przewodu pokarmowego),

Staphylococcus aureus (gronkowiec złocisty zasiedlający skórę ludzką).

Najczęściej wykorzystuje się Escherichia coli. Daje się ona łatwo hodować na pożywkach sztucznych. Tworzy charakterystyczną, łatwo rozpoznawalną kolonię. Występuje pospolicie w przewodzie pokarmowym człowieka i zwierząt.

Jej obecność w glebie lub wodzie wskazuje na fakt kontaktu ze ściekami (zawierającymi odchody). W przypadku jej obecności w próbie , istnieje duże prawdopodobieństwo występowania bakterii chorobotwórczych z rodzajów Salmonella i Shigella.

4

Opracowano standardowe metody rozpoznawania i określania liczebności E. coli. Pomocna w testach okazała się znajomość cech morfologicznych , fizjologicznych i biochemicznych bakerii.

Escherichia coli typu fekalnego to:

Gram ujemna pałeczka tlenowa lub względnie beztlenowa

o optimum wzrostu w temp. 37-44oC,

fermentująca laktozę do kwasów organicznych z wydzielaniem CO2

Wyniki podaje się w formie miana lub indeksu Coli

Miano Coli to najmniejsza objętość wody (cm3 lub ) w jakiej stwierdza się obecność E. coli.

Miano Coli = 10 oznacza, że w 10 cm3 lub 10g się co najmniej jedna komórka E. coli. Gdy miano coli wynosi 0,1

(10-1) to w 0,1 cm3 obecna jest jedna komórka E.coli.

Indeks Coli to liczba komórek E. coli w określonej objętości (1dcm3) wody. Między mianem i indeksem Coli występuje zależność. Miano Coli = 1000/ indeks Coli

W próbach wody określa się również całkowitą liczbę mikroorganizmów metodą płytkową. Woda pitna z instalacji wodociągowej obsługującej co najmniej 50 tys. mieszkańców powinna mieć miano Coli powyżej 100.

Całkowita liczba drobnoustrojów na agarze odżywczym nie powinna przekraczać 5, a na żelatynie 25w 1 cm3

wody.\

Woda pitna z instalacji wodociągowej obsługującej poniżej 50 tys. mieszkańców powinna mieć miano Coli poniżej 50. Całkowita liczba drobnoustrojów na agarze odżywczym nie powinna przekraczać 20, a na żelatynie 100 w 1 cm3 Wody

Woda używana w zakładach przemysłu rolno-spożywczego i fermentacyjnego pod względem sanitarnym powinna odpowiadać wodzie pitnej.

Samooczyszczanie wody

Samooczyszczanie wody to naturalny proces usuwania zanieczyszczeń chemicznych i mikrobiologicznych.

Zależy od: zawartości tlenu, temperatury, odczynu wody, obecności subs. toksycznych i radioaktywnych.

Zanieczyszczenia po rozcieńczeniu wodą odbieralnika ulegają sedymentacji, adsorbcji i mineralizacji przy udziale mikroorganizmów wodnych.

Przy zawartości tlenu w wodzie i efektywnej mineralizacji oczyszczona woda jest klarowna i pozbawiona zapachu.

Przy braku wolnego tlenu w wodzie proces mineralizacji przeprowadzony jest przez bakterie beztlenowe, a produktami rozkładu są kwasy organiczne, aminy, amoniak, metan, siarkowodór, indol, skatol i inne związki, które nadają wodzie przykry zapach ( indol, skatol) lub właściwości trujące ( amoniak, siarkowodór) Woda jest mętna i cuchnąca.

Przy dużym zanieczyszczeniu dochodzi do zupełnego zanieczyszczenia życia biologicznego.

5

Powszechnie stosowanymi wskaźnikami zanieczyszczenia wód są

1. biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT5)

2. chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT)

Biochemiczne zapotrzebowanie na tlen w ciągu pięciu dni (BZT5) jest miarą zawartości rozkładanych biochemicznie związków organicznych. Jest to ilość tlenu (w mg/1 litr wody), która zostaje zużyta przez heterotrofy do mineralizacji zanieczyszczeń.

Chemiczne zapotrzebowanie na tlen jest miarą zawartości wszystkich rozkładalnych związków organicznych.

BZT5 jest około trzy razy mniejsze od ChZT.

Uzdatnianie wody

Uzdatnianie wody polega na oddzieleniu cząstek stałych, mineralnych (żelaza, manganu) i organicznych (m.in.

drobnoustrojów) metodą filtrowania, stosując np. filtry piaskowe.

Dla wytrącenia substancji koloidalnych stosowane są koagulanty, np. siarczan glinowo-potasowy. Uzdatnianie pozwala na usunięcie 99% mikroorganizmów.

Woda po uzdatnieniu nie powinna zawierać bakterii E. coli typu fekalnego. Indeks Coli nie może przekroczyć 1.

Liczba kolonii na agarze odżywczym , po inkubacji przez 24 h w temp. 37oC nie może przekraczać 10 w 1 cm3 , a po 72 h w temp. 20oC, 50 w 1 cm3 wody.

Zupełne wyeliminowanie drobnoustrojów uzyskujemy poprzez chlorowanie lub ozonowanie wody.

Oczyszczanie ścieków

Ścieki bytowe, przemysłowe i rolnicze różnią się składem.

Zawsze jednak posiadają cząstki stałe, liczne związki organiczne i nieorganiczne rozpuszczalne i nierozpuszczalne w wodzie.

Ścieki są z reguły dobrym podłożem dla rozwoju drobnoustrojów, zwłaszcza bakterii. Dlatego, w ich oczyszczaniu, procesy mikrobiologiczne odgrywają ważną rolę.

Oczyszczanie odbywa się z wykorzystaniem takich procesów mikrobiologicznych: oddychanie tlenowe, beztlenowe, fermentacja mlekowa, masłowa, alkoholowa, nitryfikacja.

Oczyszczanie biologiczne ścieków przeprowadzone jest najczęściej w warunkach tlenowych.

Oczyszczanie biologiczne metodą napowietrzania

Oddzielenie tzw. Osadu pierwotnego odbywające się w specjalnych zbiornikach sedymentacyjnych, w których stałe cząstki osiadają na dnie pod wpływem sił grawitacji. Proces ten może być połączony z wytrąceniem substancji koloidalnych.

Usunięcie rozpuszczalnych substancji organicznych oraz obniżenie BZT 5 odbywające się w procesach biochemicznych.

6

Ścieki przebywają przez kilka godzin w specjalnych, silnie napowietrzonych zbiornikach. Liczne mikroorganizmy przeprowadzają w tym czasie utlenianie związków organicznych do CO2 i H2O. Zawartość zbiornika, następnie, jest przenoszona do odstojników, w których zbiera się tzw. Osad aktywny. Składa się on z cząstek mineralnych, organicznych i mikroorganizmów. Część osadu powraca do zbiornika napowietrzającego w celu „zaszczepienia”

następnej partii ścieków. Reszta gromadzona jest w magazynie osadu. Ten sposób oczyszczania pozwalana obniżenie BZT 5 o 75-90%. Instalacja do oczyszczania ścieków oparta jest na idei hodowli ciągłej.

Oczyszczanie biologiczne metodą zraszania złoża przeprowadza się w ogromnych filtrach zawierających wypełnienie z drobnych kamieni (lawy lub żużlu) lub innego materiału o nieregularnym kształcie i średnicy 6-8

cm (np. elementów plastikowych).

Filtr od góry zraszany jest ściekami.

Przez otwory wentylacyjne, od dołu jest powietrze i jak „w kominie” przechodzi przez warstwę kamieni ku górze.

Na powierzchni kamieni, na całej powierzchni złoża, tworzy się warstwa osadu aktywnego, w której rozwijają się mikroorganizmy, które dzięki stałemu dopływowi powietrza, utleniają składniki ścieków do CO2, H

2

2O, NO3, SO4 ,

PO 3-

4 . Oczyszczone ścieki spływają przez utwory w dnie złoża i odprowadzane są na zewnątrz. Filtry zmniejszają BZT 5 o 80-85%.

Następny etap oczyszczania przeprowadza się w warunkach beztlenowych. Osady (szlam) pierwotny i wtórny mogą być poddawane dalszej przeróbce w zbiornikach fermentacyjnych o dużej pojemności.

Mikroorganizmy beztlenowe prowadzą w nich rozkład fragmentów i związków organicznych nierozpuszczalnych w wodzie do prostych związków, kwasów karboksylowych, alkoholi.

Fermentacja jest tak sterowana, aby przy okazji oczyszczania, powstawały produkty gazowe (CO, metan), które mogą być wykorzystywane jako paliwo.

Pozostałość po fermentacji jest usuwana n a wysypisko. Jeżeli nie zawiera związków toksycznych (np. metali ciężkich) można ją stosować do nawożenia gleby.

Ścieki odprowadzane zawierają jeszcze około 50% pierwotności ilości azotu i 70% fosforu, a także pewną ilość substancji organicznych. Istnieje konieczność usunięcia tych składników metodami fizycznymi lub chemicznymi.

7