Содержание

Доклад Роль бактерий в природе и жизни человека сообщение

В мире огромное число живых организмов. Каждый из них уникален по-своему. Но есть такие удивительные виды, которые непосредственно влияют на жизнь человека и саму природу. Они называются бактерии. Бактерия- это одноклеточный микроорганизм. Сегодня открыто свыше десяти тысяч различных видов бактерий, а их численность составляет примерно более одного миллиона. Как и многие микроорганизмы, бактерии бывают плохими и хорошими.

В природной системе данные микроорганизмы играют одну из важных ролей. Они обитают в верхнем слое земли, разрушая органические соединения (остатки мёртвых живых и растительных организмов). Они занимаются очищением земли от разлагающихся продуктов биологической деятельности, преобразовывая органические вещества в неорганические. Токай процесс поддерживает биологический круговорот химических элементов.

Одни из важнейших микроорганизмов те, которые способны к азотфиксированию. Это процесс, при котором азот, содержащийся в воздухе, связывается и преобразуется в более удобную для поглощения растениями форму. Этот процесс важен для растений, которым азот необходим для жизни. Этой способностью обладают клубеньковые бактерии, которые встречаются в корешках бобовых растений.

Для человека бактерии играют огромную роль. Они обитают как снаружи, так и изнутри организма. Они портят продукты и ускоряют их срок годности. Чтобы избежать этого люди подвергают продукты питания различными способами обработки: кипячение, стерилизация, заморозка, пастеризация. Еда, которая была повреждена бактериями, может привести к пищевым отравлениям. Также есть виды бактерий, которые вызывают различные заболевания у человека: брюшной тиф, коклюш, столбняк, туберкулёз. Они могут передаваться через насекомых, с грязью, попавшей на рану или воздушно-капельным путём (через слюну от человека к человеку через поцелуй, кашель или чихание)

Однако, не смотря на это, существуют и хорошие (полезные) бактерии. Внутри организма они способствуют улучшенному перевариванию пищи и расщепляют сложные вещества на простые, для быстрого усвоения организмом. Также бактерии используют для создания различных антибиотиков и лекарств, для приготовления кисломолочных продуктов, вина и других подобных вещей. К примеру, кефир, ряженку и йогурты получают путём добавления в молоко хороших бактерий, которые окисляют молочные продукты выработкой остатков своей жизнедеятельности.

Бактерии играют важную роль в жизни человека и природе. Однако стоит помнить, что бактерии, в любом случае, являются опасными микроорганизмами, способные сразить человека болезнью и недугом, а в некоторых случаях даже и убить. Следует помнить про различные способы защиты, против невидимых врагов. Обязательно следует тщательно вымывать руки с мылом, так как мыло имеет структуру, которая способна удалять бактерии с кожи человека. Также следует помнить, что бактерии обитают и на продуктах питания, поэтому следует их также мыть и подвергать различной обработке.

Если же организм подвергся атаке бактерий, то в первую очередь необходимо обратиться к квалифицированному специалисту и следовать его указаниям.

Вариант 2

Микроорганизмы широко распространены в природе. К ним относятся самые разнообразные морфологические и физиологические особенности растительного и животного мира — бактерии, грибы, актиномицеты, риккетсия, вирусы и простейшие. Некоторые из них являются постоянными обитателями почвы и воды, где они играют важную роль в круге веществ. Другие микроорганизмы в ходе своей эволюционной эволюции приспособились к жизни с человеческими, растительными и животными организмами. Отношения, которые возникают между микроорганизмами и макроорганизмами, слишком сложны.

Существует большое количество микроорганизмов в коже и слизистых оболочках человека, в полости рта и пищеварительном тракте. Некоторые из них являются постоянными жителями тела, в то время как другие временно присутствуют там.

Постоянные обитатели человеческого организма составляют его нормальную микрофлору. Они играют важную роль в качестве защитного механизма и естественной устойчивости.

В поврежденных физиологических защитных механизмах макроорганизма от инфекционных или неинфекционных заболеваний эти бактерии могут неблагоприятно воздействовать на жителей организма и наносить им вред, становясь вредными для причины инфекций.

Бактериальная клетка имеет только одну хромосому в форме кольца. Поскольку она очень тонкая, длинная и сложенная, с помощью светового микроскопа хромосома не видна как нить, а просто как «облако» в середине клетки. Мы можем сравнить ее с плетеной пряжей. Но бактериальная хромосома только кажется запутанной. Фактически, любая часть доступна для работы при необходимости. Некоторые бактерии, называемые бациллами, могут испытывать неблагоприятные условия, переходя на более устойчивый образ жизни. Их клетка обычно имеет форму палочки, но при необходимости она сжимается до небольшого шара и оборачивается в дополнительную оболочку. Эта форма бацилл, называемая спорой, не нуждается в еде, потому что имеет очень медленный обмен веществ.

Когда условия снова становятся благоприятными, спора снова превращается в палку.

Микробиология — относительно молодая наука, которая развивалась в течение прошлого столетия и изучает жизнь, развитие человека, а также природу мелких одноклеточных животных и растений, называемых микроорганизмами (микробами). Их можно наблюдать только под микроскопом. Впервые термин «микроб» был использован в 1878 году.

Сообщение 3

Бактерии — это отдел прокариотических организмов. Они одноклеточные со сферическими, прямыми или изогнутыми спиральными и другими ячейками. Бактерии — один из самых маленьких организмов, чаще всего от 0,001 до 0,005 мм. Около 1500 видов известны по всему миру.

Они имеют клеточную стенку, которая обладает характерным составом и структурой. У них нет ни одного ядра или органоидов, ограниченных цитомембраной. Их рибосомы меньше, чем у эукариотических организмов .

Они размножаются путем деления клетки на две части. В неблагоприятных условиях некоторые виды бактерий образуют постоянные споры (при пастеризации при температуре 80 С они обычно погибают). Большинство бактерий гетеротрофны (сапрофиты и паразиты), но есть и автотрофные (зеленые и пурпурные бактерии). Чтобы жить, некоторым нужен кислород (аэробные), другим нет (анаэробные).

Бактерии являются одними из самых древних организмов, останки которых были обнаружены в слоях около 3200 миллионов лет назад. Ближайшие родственники — сине-зеленые водоросли.

Бактерии широко распространены. Их небольшой размер и относительно большая поверхность являются предпосылкой интенсивного обмена веществ. Поэтому в связи с их способностью осуществлять различные процессы (ферментация, разложение, извлечение свободного азота, минерализация азотистых веществ и т. д.) бактерии имеют большое значение в биосфере и для человека. Их большая способность к размножению (в некоторых типах клеток деление выполняется каждые 20 минут) способствует быстрому увеличению количества бактерий (в почвах до 100 миллионов клеток в 1 г, в грязной воде до 10 миллиардов, но в питьевой воде их не более 50).

Бактерии распространены по всему миру. Они живут и размножаются в почве, в сладких и соленых водах, в ямах скал, на более крупных организмах и даже внутри их тел. В воздухе бактерии не могут активно двигаться и размножаться, но прикрепляются к пыли или микроскопическим капелькам. У некоторых типов бактерий кумулятивные клетки тесно связаны друг с другом. Они могут даже помогать друг другу, некоторые из них специализируются на одной жизненно важной функции, другие — на другой, и, в итоге, каждая клетка использует преимущества всех навыков. Такие кластеры клеток называются колониями, а вид является колониальным. Колония является промежуточным этапом от одной ячейки к многоклеточной организации.

Роль бактерий в природе и жизни человека

Интересные ответы

  • Чернозем — сообщение доклад (3, 4, 6, 8 класс)

    Чернозем — это не только тип почв, который богат гумусом, имеет темный цвет и зернистую структуру, а также благодаря высокой плодородности активно используется в сельском хозяйстве

  • Царь Соломон — сообщение доклад

    Исторических сведений о существовании царя Соломона не существует. Единственный источник, рассказывающий о великом и мудром царе Израиля – Библия. Согласно библейской легенде, царь Соломон был третьим и последним царем

  • Река Дон — доклад сообщение

    Доном называется большая река протяженностью около двух тысяч километров, протекающая по средней полосе России, включая Воронежскую, Тульскую, Рязанскую, Липецкую, Волгоградскую, Ростовскую области, и впадающая в Азовское море.

  • Доклад на тему Достопримечательности Москвы (2, 3, 4 класс окружающий мир сообщение)

    Москва — это столица России, столица моей Родины! Возраст Москвы насчитывает уже 850 лет. За этот многолетний период Москва многократно менялась и преображалась. Москва строилась и расширялась

  • Коррозия металлов — доклад сообщение 9 класс по химии

    Под воздействием атмосферных или иных условий эксплуатации металлические поверхности покрываются рыжей, рыхлой пленкой, которая называется ржавчиной или коррозией.

Роль бактерий в жизни человека

Бактерии — это примитивные одноклеточные живые организмы. Они распространены повсеместно: на поверхности или внутри других организмов (животных, растений, человека), в большом количестве встречаются в почве, водоемах. Прямо или косвенно бактерии играют важную роль в жизни человека.

Одной из сред жизни бактерий являются другие живые организмы, в том числе человек. Отношения, которые возникают при этом могут быть разными. Есть бактерии, которые приносят пользу. Так, в кишечнике человека живут бактерии (к примеру, кишечная палочка), которые способствуют процессам пищеварения, синтезируют некоторые витамины и препятствуют деятельности болезнетворных бактерий. В случае чрезмерного приема антибактериальных препаратов эти полезные бактерии погибают, что негативно отражается на здоровье. Сама же кишечная палочка, благодаря поселению в кишечнике человека, постоянно обеспечена питательными веществами.

В кишечнике домашних жвачных животных, которые составляют основу животноводства, (коров, коз, овец) также живут бактерии. Жвачные животные употребляют растительную пищу, богатую на клетчатку, но самостоятельно переваривать клетчатку не способны. Эту функцию выполняют бактерии.

Среди бактерий есть также немало паразитических видов, которые поселяясь в организме человека, растений и животных, провоцируют развитие разнообразных заболеваний. От больного в другой организм бактерии могут проникать вместе с едой, водой, воздухом, через покровы тела. Самый распространенный путь проникновения бактерий в организм человека – воздушно-капельный.

Болезнетворные бактерии могут переносить и кровососущие насекомые. Так, возбудителя чумы переносят блохи, а сыпного тифа – вши.

У человека бактерии вызывают такие заболевания, как ангину, дифтерию, туберкулез, тиф, дизентерию, холеру, и много других, у животных – бруцеллез, сибирскую язву, т.д. Бактериальные заболевания лечат с помощью антибиотиков и других лекарственных средств.

Бактерии широко используются в хозяйстве человека. Так, с древних времен человек применяет способность некоторых бактерий вызывать брожение для получения определенных продуктов: молочнокислой продукции (йогуртов, сыров, кефира), масляной и уксусной кислот, т. д. Без бактерий невозможно дубление кожи и изготовление льняного волокна.

Применяют определенные группы бактерий и в микробиологической промышленности для получения антибиотиков, витаминов и некоторых других веществ. В сельском хозяйстве их используют для силосования зеленых кормов.

Одна из важных проблем современности – это очищение сточных вод. В очистных сооружениях используют бактерии, которые разлагают органические остатки. Кроме того, изучая численность и видовой состав бактерий в воде можно определить степень загрязненности водоемов. С помощью некоторых бактерий человек борется с кровососущими животными, вредителями сельского и лесного хозяйства. Изобретены специальные бактериальные препараты, которые поражают только определенные виды вредных бактерий.

Бактерии могут наносить вред хозяйственной деятельности человека, к примеру, портить продукты питания. При этом бактерии вырабатывают ядовитые вещества, которые могут отравить организм человека или животного, если они будут употреблять в пищу испорченные продукты. Например, палочка ботулизма может развиваться в консервированных мясных и растительных продуктах, рыбе, колбасе, если при консервировании не придерживаться строгих правил технологического процесса. Чтобы полностью избавиться от бактерий в пищевых продуктах, предназначенных для длительного хранения, их стерилизуют либо пастеризуют.

Бактерии и их роль в жизни человека — сообщение

Окружающий нас мир поражает разнообразием видов его обитателей. По последней переписи этого «населения» Земли, на суше их обитает 6,6 млн. видов и еще 2,2 млн. — бороздят океанские глубины. Каждый из видов — звено в единой цепочке биосистемы нашей планеты. Из них самыми мельчайшими живыми организмами являются бактерии. Что же человечеству удалось узнать об этих крохотных существах?

Что такое бактерии и где они обитают

Бактерии — это одноклеточные организмы микроскопических размеров, одна из разновидностей микробов.

Их распространенность на Земле поистине удивительна. Они обитают во льдах Арктики и на океанском дне, в открытом космосе, в горячих источниках — гейзерах и в самых солёных водоемах.

Общий вес этих «очаровательных крох», оккупировавших организм человека достигает 2 кг! Это при том, что их размеры редко превышают 0,5 мкм. Огромное количество бактерий населяют организм животных, выполняя там разнообразные функции.

Живое существо и бактерии в его организме влияют на здоровье и благополучие друг друга. При вымирании какого-то вида животных, погибают и присущие только им бактерии.

Глядя на их внешний вид, только остается удивляться изобретательности природы. Эти «очаровашки» могут иметь палочковидную, сферическую, спиралевидную и другие формы. При этом большинство из них бесцветно, лишь редкие виды окрашены в зелёный и пурпурный вид. Причём на протяжении миллиардов лет они изменяются только внутренне, а их внешний вид остается неизменным.

Первооткрыватель бактерий

Первым исследователем микромира явился голландский натуралист Антони Ван Левенгук. Его имя прославилось благодаря занятию, которому он отдавал всё свободное время. Он увлекался изготовлением  и добился в этом деле удивительных успехов. Именно ему принадлежит честь изобретения первого микроскопа. По сути это была крохотная линза диаметром с горошину, дававшая увеличение в 200-300 раз. Пользоваться ею было можно, только прижимая к глазу.

В 1683 году он обнаружил, а позднее и описал «живых зверьков», увиденных с помощью линзы в капле дождевой воды. На протяжении последующих 50 лет он занимался исследованием различных микроорганизмов, описав более 200 их видов. Свои наблюдения он отсылал в Англию, где седовласые научные мужи в напудренных париках только качали головами, изумляясь открытиям этого безвестного самоучки. Именно, благодаря таланту и упорству Левенгука, зародилась новая наука — микробиологиия.

Общие сведения о бактериях

За прошедшие столетия микробиологи узнали о мире этих крохотных существ чрезвычайно много. Оказалось, что именно бактериям наша планета обязана зарождению многоклеточных форм жизни. Именно они играют главную роль в поддержании кругооборота веществ на Земле. Поколения людей сменяют друг друга, отмирают растения, накапливаются бытовые отходы и отжившие оболочки различных существ — все это утилизируется и с помощью бактерий разлагается в процессе гниения. А образующиеся при этом химические соединения возвращаются в окружающую среду.

А как сосуществует человечество и мир бактерий? Оговоримся, что существуют бактерии «плохие и хорошие». «Плохие» бактерии повинны в распространении огромного количества болезней, начиная от чумы и холеры до обычного коклюша и дизентерии. Попадают они в наш организм воздушно-капельным путём, вместе с едой, водой и через кожные покровы. Эти коварные попутчики могут обитать в различных органах, и пока наш иммунитет с ними справляется, они никак себя не проявляют. Поражает скорость их размножения. Каждые 20 минут их количество удваивается. Это значит, что один единственный патогенный микроб, за 12 часов порождает многомиллионную армию таких же бактерий, которые атакуют организм.

Существует ещё одна опасность, которую несут бактерии. Они вызывают отравление людей, потребляющих испорченные продукты — консервы, колбасные изделия и т. д.

Поражение в победоносной войне

Великим прорывом в борьбе с болезнетворными бактериями было открытие в 1928 году пенициллина — первого в мире антибиотика. Этот класс веществ способен подавлять рост и размножение бактерий. Первые успехи применения антибиотиков были огромными. Удавалось излечивать заболевания, которые ранее заканчивались летальным исходом. Однако бактерии обнаружили невероятную приспособляемость и умение видоизменяться таким образом, что имеющиеся антибиотики оказывались беспомощными в борьбе даже с простейшими инфекциями. Эта способность бактерий к мутации, стала настоящей угрозой для здоровья людей и привела к появлению неизлечимых инфекций (вызываемых супербактериями).

Бактерии, как союзники и друзья человечества

Теперь поговорим о «хороших» бактериях. Эволюция животных и бактерий происходила параллельно. Строение и функции живых организмов постепенно усложнялись. «Не дремали» и бактерии. Животные, включая человека, становятся их домом. Они поселяются во рту, на коже, в желудке и других органах.

Большая часть из них чрезвычайно полезна, поскольку помогает перевариванию пищи, участвует в синтезе некоторых витаминов и даже оберегает нас от своих болезнетворных собратьев. Неправильное питание, стрессы и беспорядочный приём антибиотиков могут стать причиной нарушения микрофлоры, что обязательно сказывается на самочувствии человека.

Интересно, что бактерии чутко реагируют на вкусовые пристрастия людей.

У американцев, традиционно потребляющих высококалорийную пищу (фастфуды, гамбургеры), бактерии способны переваривать пищу с высоким содержанием жиров. А у некоторых японцев кишечные бактерии адаптированы на переваривание водорослей.

Роль бактерий в хозяйственной деятельности человека

Использование бактерий началось еще до того как человечество узнало об их существовании. С древности люди изготавливали вино, заквашивали овощи, знали рецепты приготовления кефира, простокваши и кумыса, производили творог и сыры.

Значительно позднее, было выяснено, что во всех этих процессах участвуют крохотные помощники природы — бактерии.

По мере углубления знания о них, их применение расширялось. Их «обучили» бороться с вредителями растений и обогащать почву азотом, силосовать зелёные корма и очищать сточные воды, в которых они буквально пожирают различные органические остатки.

Вместо эпилога

Итак, человек и микроорганизмы являются взаимосвязанными частями единой природной экосистемы. Между ними, наряду с конкуренцией в борьбе за жизненное пространство, существует взаимовыгодное сотрудничество (симбиоз).

Чтобы отстоять себя как вид, мы должны оберегать свой организм от вторжения болезнетворных бактерий, а также чрезвычайно осторожно относиться к применению антибиотиков.

Одновременно с этим микробиологи работают над расширением сферы применения бактерий. Примером служит проект по созданию светочувствительных бактерий и их применения для производства биологической целлюлозы. Под воздействием света производство начинается, а при его выключении — производство останавливается.

Организаторы проекта уверены, что органы, созданные из этого натурального биологического материала, не будут испытывать отторжения в организме. Предлагаемая методика открывает перед миром удивительные возможности в создании медицинских имплантов.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:

Вы можете оставить комментарий к докладу.

Бактерии влияют на поведение человека, считают ученые | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

То, что симбиотические бактерии выполняют в организме человека ряд очень важных функций, известно уже давно. Без них невозможно пищеварение, они вносят важный вклад в формирование иммунной системы. Однако все новые и новые исследования указывают на то, то роль бактерий явно недооценивается. Это и побудило редакцию авторитетного научного журнала Science посвятить данной проблеме специальный выпуск. Одна из публикаций свидетельствует о том, что бактерии, похоже, в значительной степени причастны и к регуляции деятельности головного мозга, а тем самым, возможно, и нашего поведения.

Подлинные хозяева человеческого организма — бактерии

Вообще, если долго слушать Свена Петтерссона (Sven Pettersson), профессора Каролинского института в Стокгольме, становится как-то неуютно. Получается, что мы сами себе не хозяева. С другой стороны, это как бы вполне естественно, ведь один только желудочно-кишечный тракт человека населяют более тысячи видов бактерий, а их суммарная численность составляет около ста триллионов особей. И по генетическому разнообразию человеку далеко до симбиотических бактерий: их наследственный материал насчитывает в общей сложности в 150 раз больше генов, чем содержится в хромосомах клеток человека. Так стоит ли удивляться тому, что бактерии активно воздействуют на свою среду обитания, то есть на нас! Профессор Петтерссон говорит: «Наше тело может считаться своего рода жилищем для бактерий. И они генерируют сигналы, посредством которых регулируют температуру и поступление энергии в этом жилище. В то же время постоянство температуры и надежное энергоснабжение — это важные предпосылки для того, чтобы организм мог в процессе эволюции развить столь сложные органы как желудочно-кишечный тракт или головной мозг. Иными словами, бактерии — один из факторов, объясняющих наличие у человека такого высокоразвитого мозга».

Стерильность препятствует нормальному развитию мозга

И в самом деле, группа исследователей во главе с профессором Петтерссоном смогла экспериментально показать, что нормальное развитие мозга возможно лишь в присутствии бактерий. Правда, опыты проводились не на людях, а на мышах. Ученые выращивали животных в особых стерильных пластиковых изоляторах, а затем анализировали их поведение. «Мы обнаружили, что взрослые животные, не имевшие с самого рождения никакого контакта с бактериями, вели себя более беспокойно, более нервно, чем их сородичи, выросшие в нормальных условиях, — поясняет профессор Петтерссон. — Кроме того, эти стерильные мыши проявляли в ходе наших экспериментов большую готовность к риску, можно даже сказать — безрассудную смелость. Причем этот эффект сохранялся и после того, как мы подвергали безмикробных животных интенсивному контакту с бактериями».

Иными словами, взрослых особей вернуть в нормальное состояние было уже невозможно. Только если стерильные условия носили очень кратковременный характер и мышата уже в раннем детстве вступали в контакт с бактериями, их поведение во взрослом возрасте отвечало стандарту. Видимо, для полноценного развития организма контакт с микробами имеет ключевое значение.

Даже гематоэнцефалический барьер регулируется бактериями

«Это самое важное из наших наблюдений, — говорит ученый, — но мы пока понятия не имеем, какой механизм на всем этим скрывается. Правда, кое-какие взаимосвязи, пусть и косвенные, мы обнаружили. Например, нам удалось показать, что бактерии в определенных участках мозга оказывают влияние на факторы роста, играющие важную роль в процессе формирования и развития мозга. Причем это те самые факторы, которые участвуют в регуляции моторных функций и чувства страха».

Профессор Петтерссон и его коллеги обнаружили также, что бактерии вляют на формирование синапсов — специализированных зон контакта между нейронами. Кроме того, бактерии, похоже, регулируют и концентрацию нейромедиаторов, то есть сигнальных веществ, обеспечивающих информационный обмен между нервными клетками. «Почему бактерии это делают, зачем им это вообще нужно, и почему это происходит не везде, а и лишь в некоторых строго определенных отделах мозга, мы не знаем, — признается ученый. — Но особенно интересно в этой связи то, что бактерии регулируют проницаемость гематоэнцефалического барьера. По крайней мере, на это указывает целый ряд признаков. Незадолго до появления младенца на свет бактерии посылают сигнал, извещающий организм плода о том, что пора закрывать этот барьер».

Гематоэнцефалический барьер выполняет в организме чрезвычайно важную защитную функцию: регулирует проникновение из крови в мозг биологически активных веществ, препятствуя поступлению в мозг чужеродных субстанций, токсинов, патогенных микроорганизмов. Если эмбрион даже в утробе лишен контакта с бактериями, гематоэнцефалический барьер, судя по всему, остается открытым и после появления такого стерильного организма на свет, так что вещества, которым обычно путь в мозг заблокирован, легко в него проникают. Возможно, в этом и заключается объяснение аномального поведения взрослых мышей, выросших в безмикробных условиях.

Сообщение Роль бактерий в природе и жизни человека биология 5 класс

Роль бактерий в природе и жизнедеятельности человека.

Для учащихся 5 классов

Бактерии разложения и гниения.

Бактерии — важнейшее звено общего круговорота веществ в природе Растения создают сложные органические вещества из углекислого газа, воды и минеральных солей почвы. Эти вещества возвращаются в почву с отмершими грибами, растениями и трупами животных. Бактерии разлагают сложные вещества на простые, которые снова используют растения. Они — своеобразные санитары нашей планеты.

Роль бактерий в круговороте веществ в природе

Почвенные бактерии. В 1 см3 поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов почвенных бактерий , которые превращают перегной в различные минеральные вещества и поглощаются из почвы корнями растений.

Некоторые почвенные бактерии способны поглощать азот из воздуха, используя его в процессах жизнедеятельности. Эти азотофиксирующие бактерии живут самостоятельно или поселяются в корнях бобовых растений.

Эти бактерии выделяют азотные соединения, которые используют растения. От растений бактерии получают углеводы и минеральные соли. Таким образом, между бобовым растением и клубеньковыми бактериями существует тесная связь. Это явление называется симбиоз.

Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями бобовые растения обогащают почву азотом, способствуя повышению урожая.

Роль бактерий в хозяйственной деятельности человека. В пищевой промышленности используют молочнокислые бактерии. Питаясь сахаром, содержащимся в молоке, они образуют молочную кислоту. Под её действием молоко превращается в простоквашу, а сливки — в сметану. Образовавшаяся молочная кислота предохраняет овощи от порчи.

Роль бактерий в хозяйственной деятельности человека

Некоторые бактерии делают продукты непригодными для питания. Поскольку бактерии не могут жить без воды и погибают в растворах соли и сахара, продукты сушат, солят, маринуют, засахаривают, консервируют. При консервировании плотно закрытые банки нагревают. При этом погибают не только бактерии, но и их споры. Поэтому консервы сохраняются долгое время.

Болезнетворные бактерии. Некоторые виды бактерий-паразитов проникают в организм человека и поселяются там, вызывая заболевания. В теле человека болезнетворные бактерии питаются, быстро размножаются и отравляют организм продуктами своей жизнедеятельности. Бактерии вызывают тиф, холеру, дифтерию, столбняк, туберкулёз, ангину, менингит, сап, сибирскую язву, и другие болезни .

Одними из этих болезней человек может заразиться при общении с больным через мельчайшие капельки слюны при разговоре, кашле и чихании, другими — при употреблении пищи или воды, в которую попали болезнетворные бактерии. Антисанитарные условия, грязь, большая скученность людей, несоблюдение правил личной гигиены создают благоприятные условия для быстрого размножения и распространения болезнетворных бактерий. Это может вызвать эпидемию, то есть массовое заболевание людей.

Бактерии — возбудители туберкулёза (слева) и сибирской язвы (справа)Чуму — одно из самых тяжёлых заболеваний — вызывают чумные палочки. Опустошительные эпидемии чумы в древности были самым страшным бедствием. Нельзя употреблять в пищу сырое молоко. Поражают бактерии и растения, вызывая пятнистость листьев, увядание, гниение стеблей.

Растения, поражённые болезнетворными бактериями

В настоящее время проводят специальные мероприятия для предупреждения заразных заболеваний. Установлен строгий врачебный контроль за источниками воды и пищевыми продуктами. На водопроводных станциях воду очищают в специальных отстойниках, пропуская её через фильтры, хлорируют.

Больные получают лекарства, которые убивают болезнетворных бактерий. Солнечный свет также губителен для многих бактерий, например для бактерий туберкулёза. Для предупреждения заразных заболеваний применяют предохранительные прививки.

Почему без деятельности бактерий жизнь на Земле была бы невозможна?

Микробиологический метод борьбы с насекомыми-вредителями основан на использовании бактерий — возбудителей болезней насекомых. Безвредность этих бактерий для растений и человека позволяет применять этот метод при выращивании сельскохозяйственных растений.

Итог: Бактерии — простейшие одноклеточные организмы. Большинство бактерий питаются готовыми органическими веществами, и лишь некоторые из них способны создавать органические вещества из неорганических. По способу питания бактерии, питающиеся готовыми органическими веществами, делят на две группы: 1. получающие органические вещества из отмерших организмов или выделений живых организмов, и 2.паразиты, питающиеся органическими веществами живых организмов. Паразитизм у бактерий распространён очень широко.

Бактерии гниения и почвенные бактерии разрушают сложные органические вещества, превращая их в более простые минеральные. Таким образом, бактерии участвуют в круговороте веществ в природе.

Человек использует бактерии в промышленности, сельском хозяйстве, для получения лекарств, очистки сточных вод и т. д. Среди бактерий есть болезнетворные.

Дмитриева Н.В.

Живущим в вашей толстой кишке тоже нужно здоровое питание

  • Адам Резерфорд
  • BBC Future

Автор фото, iStock

Чтобы сохранить здоровье и необходимое количество полезных бактерий в организме, мало просто есть йогурт с пробиотиками. Обозреватель BBC Future выяснил это, сдав один не очень приятный анализ.

Все началось с того, что не назовешь иначе как хитроумным изобретением. Это раскладывающийся лист с клейкими бумажками спереди и сзади, похожий на плоскую морскую звезду.

Бумажки приклеиваются к сидению унитаза. Закрепленный должным образом лист превращается в своеобразный гамак, на который и попадает образец для взятия пробы.

Готовясь к процедуре, я надел резиновые перчатки. Оставив свой биоматериал в «гамаке», я взял его пробу при помощи небольшой ложечки, закрепленной на внутренней стороне синей крышки от пробирки.

Затем я плотно завинтил крышку и завернул пластиковую пробирку в пакет со льдом, приготовленный мной заранее. Теперь ценный груз был готов к доставке.

А везти я его собрался в компанию Map My Gut, которая пообещала мне определить, какие именно микроорганизмы затаились в глубинах моего кишечника.

Результаты различных исследований, проведенных в последние годы, свидетельствуют о том, что микроорганизмы, живущие в нашей пищеварительной системе, намного более важны для нашего здоровья и самочувствия, чем считалось ранее.

Но вскоре я обнаружил, что мои собственные бактерии не слишком-то процветают, и что определенный рацион может полностью изменить нашу с ними общую жизнь.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

Methanobrevibacter помогает повысить усвояемость пищи

В кишечнике среднестатистического человека живет около тысячи различных видов бактерий.

Общее их количество определить затруднительно, но счет идет на триллионы, и почти все они выполняют полезную для нас работу.

Геном человека насчитывает около 20 000 генов, однако у живущих в нашем организме микроорганизмов в совокупности их примерно в 500 раз больше.

Это позволяет им справляться с довольно непростыми задачами: помогать переваривать пищу, вырабатывать витамины и минералы и даже предотвращать болезни, объединяясь в группы и уничтожая патогенные бактерии.

Но это лишь малая часть их работы; на самом деле от них зависит, кем мы являемся внутри и снаружи.

Как сказал мне Эд Янг, автор книги «Множества во мне» (I Contain Multitudes), «микробы помогают строить тело человека, они формируют и обновляют наши органы по мере того как мы стареем».

«Возможно, они даже могут влиять на наше поведение и образ мыслей. Многочисленные эксперименты на животных показали, что микроорганизмы в их кишечнике могут оказывать влияние на настроение, характер и устойчивость к тревоге и стрессу», — отмечает он.

Однако насколько эти результаты применимы к человеку, нам еще предстоит понять.

Наверняка известно лишь то, что микробиомы двух человек различаются намного больше, чем их геномы.

Состав микроорганизмов в организме человека зависит от истории его болезней, места жительства и рациона.

У каждого человека он индивидуален и может сильно отличаться даже у ближайших родственников.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Некоторые продукты гораздо лучше стимулируют рост полезных бактерий в организме, чем йогурт

Именно поэтому мне пришлось опорожниться на бумажку и отнести кусочек биоматериала на анализ.

Признаюсь, что, входя в офис Тима Спектора, профессора генетики из больницы Святого Фомы, чтобы узнать результаты, я слегка нервничал.

Что я узнаю о таинственном внутреннем мире своих бактерий? Что именно прячется в моей толстой кишке?

Если честно, мой анализ был хуже некуда.

«Ваш результат намного ниже среднего. По разнообразию вы попадаете в 10% населения с самыми худшими результатами», — сказал мне Спектор с еле заметной ноткой радости в голосе. Радости, которую испытывает ученый, обнаружив какое-либо отклонение от нормы.

Он объяснил, что разнообразие — это один из главных факторов, влияющих на здоровье кишечника.

Дело в том, что разные микробы выполняют разные задачи, и чем более разнообразна эта рабочая сила, тем больше пользы мы получаем.

Но мало того, что мне недоставало разнообразия, так еще и группы бактерий, поселившиеся в моем кишечнике, были не самыми доброжелательными.

Анализ показал, что у меня в 65 раз больше Clostridium perfringens, чем у среднестатистического человека, и в 211 раз больше E. coli. Обе эти бактерии способны вызвать заболевания желудочно-кишечного тракта.

«Эти результаты указывают на то, что у вас очень нездоровый микробиом», — говорилось в выданном мне документе с результатами анализов.

Я, конечно же, мог бы попытаться оправдать себя тем, что был в командировке и, возможно, съел что-то сомнительное.

Однако Спектор заявил, что однократная инфекция вряд ли способна сильно сместить баланс в худшую сторону.

А как насчет полезных бактерий? Менее 100 видов бактерий способны вызвать инфекционные заболевания, в то время как тысячи видов микроорганизмов, живущих в кишечнике человека, как сказал бы писатель Дуглас Адамс, «практически безвредны».

Так как же у меня обстоят дела с теми, кто на моей стороне?

В самом начале списка «наиболее желательных» микроорганизмов находятся такие бактерии, как Akkermansia и труднопроизносимая Christensenellaceae. Обе помогают предотвратить набор веса.

Methanobrevibacter способствует лучшей усвояемости пищи, в результате чего вы можете есть меньше. Oxalobacter обеспечивает профилактику появления камней в почках.

Сколько этих полезных бактерий обнаружилось у меня? Ноль.

Итак, меня не просто причислили к самой худшей группе, но и прописали моему кишечнику строгий режим питания, пообещав отменить его только в том случае, если он хорошенько подумает о своем поведении и решит измениться.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

Clostridium perfringens связывают с возникновением заболеваний желудочно-кишечного тракта

Что же я могу предпринять, чтобы улучшить свой микробиом? По-видимому, самое главное — это разнообразие.

Чем разнообразнее ваше питание, тем больше видов бактерий поселится в вашем кишечнике.

Особенно полезны для поддержания здорового микробиома ферментированные пищевые продукты.

«Люди знают о живых йогуртах, но восточный кисломолочный напиток под названием кефир — это совершенно другой уровень: в нем в пять раз больше микроорганизмов», — сказал мне Спектор.

Население наших внутренностей также будет очень радо другим ферментированным продуктам, в том числе супу мисо и кимчхи (квашеной капусте).

Если для вас все это звучит слишком экзотично, то имейте в виду, что полезные продукты с высоким содержанием пищевых волокон — это чеснок, артишоки, бананы и цельные злаки.

А полифенолы, содержащиеся в красном винограде — излюбленная пища бактерий Akkermansia. Я считаю это неплохим поводом выпить бокал вина.

В рекламе пробиотиков говорится, что они помогают повысить содержание бактерий в кишечнике, но на самом деле тратить на них деньги вряд ли стоит.

Доказательств того, что эти бактерии задерживаются в организме достаточно долго для того, чтобы изменить микробиом, слишком мало.

Однако было доказано, что они полезны как для очень маленьких, так и для пожилых пациентов и могут использоваться для профилактики расстройства желудка при приеме антибиотиков.

Но моему кишечнику они уже вряд ли помогут.

С тех пор, как я сделал это шокирующее открытие, я полностью изменил свое питание. С момента получения результатов анализа прошло больше месяца, и в течение всего этого времени я не ел мяса.

Суп мисо заменил мне фрикадельки, а кимчхи — рыбу с картошкой. Несмотря на то, что банка с кимчхи пахнет, гм… прикольно, моя жена заставляет меня держать ее в сарае.

Только время покажет, смогут ли эти перемены оказать долговременное влияние на мой микробиом.

Но я знаю, что сейчас я ем не только для себя, но и для триллионов микроорганизмов, населяющих мое тело.

Надеюсь, этот строгий режим не продлится слишком долго.

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

Полезные и вредные бактерии человека

Бактерии появились примерно 3,5-3,9 млрд лет назад, они были первыми живыми организмами на нашей планете. Со временем жизнь развивалась и усложнялась — появлялись новые, каждый раз более сложные формы организмов. Бактерии все это время не стояли в стороне, напротив, они были важнейшей составляющей эволюционного процесса. Именно они первыми выработали новые формы жизнеобеспечения, такие как дыхание, брожение, фотосинтез, катализ… а также нашли эффективные способы сосуществования практически с каждым живым существом. Исключением не стал и человек.

Но бактерии — целый домен организмов, насчитывающий более 10 000 видов. Каждый вид уникален и шел своим эволюционным путем, как следствие выработал свои уникальные формы сосуществования с другими организмами. Одни бактерии пошли на тесное взаимовыгодное сотрудничество с человеком, животными и прочими существами, — их можно назвать полезными. Другие виды научились существовать за счет других, используя энергию и ресурсы организмов-доноров, — их принято считать вредными или патогенными. Третьи пошли еще дальше и стали практически самодостаточными, все необходимое для жизнедеятельности они получают от окружающей среды.

Внутри человека, как и внутри прочих млекопитающих, живет невообразимо большое количество бактерий. В наших телах их в 10 раз больше, чем всех клеток организма вместе взятых. Среди них абсолютное большинство — полезные, но парадокс в том, что их жизнедеятельность, их присутствие внутри нас — это нормальное положение дел, они зависят от нас, мы в свою очередь от них и при этом признаков этого сотрудничества мы никак не ощущаем. Другое дело — вредные, например патогенные бактерии, оказавшись внутри нас их присутствие тут же становится заметным, а последствия их активности могут стать очень серьезными.

Полезные бактерии

Подавляющее большинство из них — это существа, живущие в симбиотических или мутуалистических связях с организмами-донорами (внутри которых живут). Обычно такие бактерии берут на себя часть функций, на которые не способен организм хозяина. Примером могут служить бактерии, живущие в пищеварительном тракте человека и перерабатывающие часть пищи, справиться с которой сам желудок не в состоянии.

Некоторые виды полезных бактерий:
Кишечная палочка (лат. Escherichia coli)

Является неотъемлемой частью флоры кишечника человека и большинства животных. Ее пользу трудно переоценить: расщепляет неусваиваемые моносахариды, способствуя пищеварению; синтезирует витамины группы K; предотвращает развитие патогенных и болезнетворных микроорганизмов в кишечнике.

Макрофотография: колония бактерий Escherichia coli

Молочнокислые бактерии (Lactococcus lactis, Lactobacillus acidophilus и др.)

Представители этого отряда присутствуют в молоке, молочных и ферментированных продуктах, и в то же время являются частью микрофлоры кишечника и ротовой полости. Способны сбраживать углеводы и в частности лактозу и вырабатывать молочную кислоту, которая является основным источником углеводов для человека. Посредством поддержания постоянно кислой среды сдерживают рост неблагоприятных бактерий.

Бифидобактерии

Наиболее значимое влияние бифидобактерии оказывают на грудных детей и млекопитающих, составляя до 90% их кишечной микрофлоры. По средством выработки молочной и уксусных кислот они полностью предотвращают развитие гнилостных и болезнетворных микробов в детском организме. Кроме того бифидобактерии: способствуют перевариванию углеводов; обеспечивают защиту кишечного барьера от проникновения микробов и токсинов во внутреннюю среду организма; синтезируют различные аминокислоты и белки, витамины группы K и B, полезные кислоты; способствуют всасыванию кишечником кальция, железа и витамина D.

Вредные (патогенные) бактерии

К патогенным обычно относят виды, которые паразитируют на других организмах. Но в некоторых случаях вредными для человека могут стать безопасные и даже полезные бактерии, например при ослаблении иммунитета продукты жизнедеятельности обычно невероятно полезной кишечной палочки могут привести к заболеваниям желудочно-кишечного тракта: отравления, диарея и пр.

Некоторые виды патогенных бактерий:
Salmonella typhi

Эта бактерия является возбудителем очень острой кишечной инфекции, брюшного тифа. Salmonella typhi вырабатывает токсины опасные исключительно для людей. При заражении происходит общая интоксикация организма, которая приводит к сильной лихорадке, высыпанию по всему телу, в тяжелых случаях — к поражению лимфатической системы и как следствие к смерти. Ежегодно в мире фиксируется 20 млн случаев заболевания брюшным тифом, 1% случаев приводит к смерти.

Колония бактерий Salmonella typhi

Столбнячная палочка (Clostridium tetani)

Эта бактерия — одна из самых стойких и одновременно самых опасных в мире. Clostridium tetani вырабатывает чрезвычайно токсичный яд, столбнячный экзотоксин, приводящий к практически полному поражению нервной системы. Люди, заболевшие столбняком, испытывают страшнейшие муки: самопроизвольно до предела напрягаются все мышцы тела, происходят мощные судороги. Смертность чрезвычайно высока — в среднем около 50% инфицированных погибают. К счастью, еще в 1890 году была изобретена вакцина от столбняка, ее делают новорожденным во всех развитых странах мира. В слаборазвитых странах от столбняка ежегодно погибает 60 000 человек.

Микобактерии (Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae и др.)

Микобактерии — семейство бактерий, часть из которых являются патогенными. Различные представители этого семейства вызывают такие опасные заболевания как туберкулез, микобактериоз, лепра (проказа) — все они передаются воздушно-капельным путем. Ежегодно микобактерии становятся причиной более 5 млн смертей.

Читайте также: Самые опасные бактерии

Бактерии создали всеобъемлющий невидимый мир. Наше существование полностью зависит от них, их в свою очередь не так сильно зависит от нас. Тем не менее наш и их миры тесно связаны друг с другом, они находятся в равновесии, которое будет сохраняться до тех пор, пока наше сотрудничество будет выгодно обеим сторонам.

Пересмотренные оценки количества клеток человека и бактерий в организме

Abstract

Приведенные в литературе значения количества клеток в организме различаются на порядки и очень редко подтверждаются какими-либо измерениями или расчетами. Здесь мы объединяем самую свежую информацию о количестве человеческих и бактериальных клеток в организме. По нашим оценкам, общее количество бактерий в «контрольном человеке» весом 70 кг составляет 3,8 · 10 13 . Для клеток человека мы определяем доминирующую роль гемопоэтического клона в общем количестве (≈90%) и пересматриваем прошлые оценки до 3.0 · 10 13 клеток человека. Наш анализ также обновляет широко цитируемое соотношение 10: 1, показывая, что количество бактерий в организме фактически того же порядка, что и количество клеток человека, а их общая масса составляет около 0,2 кг.

Введение

Сколько клеток в организме человека? Помимо заявлений о порядке величины, которые не содержат первичных справочных данных или оценок неопределенности, было выполнено очень мало подробных оценок (одно исключение [1] обсуждается ниже). Точно так же повсеместно распространенные утверждения о 10 14 –10 15 бактериях, обитающих в нашем теле, восходят к старым расчетам «обратной стороной конверта» [2–4].

Целью этого исследования является критический пересмотр прежних оценок количества человеческих и бактериальных клеток в организме человека. Мы предоставляем обновленные подробные оценки, в которых логика расчета и источники полностью задокументированы, а также определены диапазоны неопределенности. Обновляя количество клеток в организме, мы также пересматриваем значение 10: 1, которое было так тщательно повторено, чтобы достичь статуса установленного общеизвестного факта [4].Это соотношение недавно подверглось критике в письме в журнал Microbe [5], но необходима альтернативная подробная оценка, которая даст конкретные значения и оценивает диапазон неопределенности. Здесь мы приводим отчет о методологиях, использовавшихся до сих пор для подсчета клеток, и пересматриваем прошлые оценки. Поступая таким образом, мы повторяем и размышляем над допущениями, сделанными в предыдущих расчетах, также известных как проблемы Ферми. Мы находим такие оценки как эффективные проверки вменяемости и способ улучшить наше количественное понимание биологии.

Большая часть доступной литературы, используемой для определения количества клеток человека, была основана на когортах исключительно или в основном мужчин, и, поскольку мы используем эти источники, наш анализ начинается со взрослых мужчин. Как обсуждается ниже, для женщин применимы относительно скромные количественные различия из-за изменений характерной массы тела, объема крови и генитальной микробиоты. Для нашего анализа мы использовали определение стандартного эталонного мужчины, приведенное в литературе [6], как: «Эталонный мужчина определяется как человек в возрасте 20–30 лет, вес 70 кг, рост 170 см.«Наш анализ пересматривает оценки количества микробных клеток, человеческих клеток и их соотношения в организме такого стандартного человека.

Мы начинаем наш анализ с пересмотра количества бактерий, изучая более ранние источники, сравнивая количество бактерий в различных органах тела и, наконец, сосредотачиваясь на содержании толстой кишки. Затем мы оцениваем общее количество клеток человека в организме, сравнивая расчеты с использованием «репрезентативного» размера клеток с агрегацией по типу клеток. Затем мы сравниваем распределение количества клеток по типу ткани с массовым распределением.В заключение мы пересмотрим соотношение бактериальных и человеческих клеток и оценим влияние пола, возраста и ожирения.

Результаты

Происхождение распространенных в литературе утверждений о количестве бактериальных клеток у людей

Микробы встречаются по всему человеческому телу, в основном на внешней и внутренней поверхностях, включая желудочно-кишечный тракт, кожу, слюну, слизистую оболочку рта, и конъюнктива. Бактерии в микробиоме человека на 2–3 порядка численно превосходят эукариот и архей [7,8]. Поэтому мы иногда на практике называем микробные клетки человеческого тела бактериями. Разнообразие мест обитания микробов в организме затрудняет оценку их общего количества. Тем не менее, как только их количественное распределение показывает преобладание толстой кишки, как обсуждается ниже, проблема становится намного проще. Подавляющее большинство бактерий обитает в толстой кишке, по предыдущим оценкам, около 10 14 бактерий [2], за которыми следует кожа, которая, по оценкам, содержит около 10 12 бактерий [9].

Как мы недавно показали [4], все статьи, касающиеся количества бактерий в желудочно-кишечном тракте человека, которые ссылаются на указанное значение, могут быть связаны с одной оценкой «обратной стороной конверта» [3]. Такая оценка величины была сделана, если принять 10 11 бактерий на грамм содержимого кишечника и умножить это значение на 1 литр (или около 1 кг) вместимости пищеварительного тракта. Чтобы получить уточненную оценку общего количества бактерий в организме человека, сначала обсудим количественное распределение бактерий в организме человека. После демонстрации преобладания кишечных бактерий мы пересматриваем оценки общего количества бактерий в организме человека.

Распределение бактерий в различных органах человека

показывает типичные оценки порядка величины количества бактерий, обитающих в различных органах человеческого тела. Оценки основаны на умножении измеренных концентраций бактерий на объем каждого органа [9,10]. Значения округлены в большую сторону, чтобы получить верхнюю границу на порядок.

Таблица 1

Границы количества бактерий в различных органах, полученные на основе концентрации и объема бактерий.

Местоположение Типичная концентрация бактерий (1) (количество / мл содержание) Объем (мл) Порядок величины, ограниченный для количества бактерий
Толстая кишка (толстая кишка) 10 11 400 (2) 10 14
Зубной налет 10 11 <10 10 12
Ileum (нижний малый кишечник) 10 8 400 (5) 10 11
Слюна 10 9 <100 10 11
Кожа <10 11 за м 2 (3) 1. 8 м 2 (4) 10 11
Желудок 10 3 –10 4 250 (5) –900 (6) 10 7
Двенадцатиперстная кишка и тощая кишка (верхняя часть тонкой кишки) 10 3 –10 4 400 (5) 10 7

Хотя концентрации бактерий в слюна и зубной налет высоки, из-за их небольшого объема общее количество бактерий во рту составляет менее 1% от количества бактерий толстой кишки.Концентрация бактерий в желудке и верхних 2/3 тонкой кишки (двенадцатиперстная кишка и тощая кишка) составляет всего 10 3 –10 4 бактерий / мл из-за относительно низкого pH желудка и быстрого потока. содержимого через желудок и тонкий кишечник [10]. показывает, что бактериальное содержание толстой кишки превышает все другие органы как минимум на два порядка. Важно отметить, что в пищеварительном тракте толстая кишка является единственным существенным участником общей бактериальной популяции, тогда как желудок и тонкий кишечник вносят незначительный вклад.

Возвращаясь к первоначальной оценке количества бактерий в толстой кишке, полученной с обратной стороны конверта

Первичный источник часто цитируемого значения ~ 10 14 бактерий в организме восходит к 1970-м годам [3] и состоит только из длинного предложения «производное», которое предполагает, что объем пищеварительного тракта равен 1 литру, и умножает этот объем на численность бактерий, которая, как известно, составляет около 10 11 бактерий на грамм влажного содержимого. Такие оценки часто очень информативны, но их полезно пересматривать по мере накопления эмпирических данных.Эта новаторская оценка 10 14 бактерий в кишечнике основана на допущении постоянной плотности бактерий на 1 литр объема пищеварительного тракта (преобразование объема в массу через плотность 1 г / мл). Тем не менее, части пищеварительного тракта, проксимальные к толстой кишке, содержат незначительное количество бактерий по сравнению с содержимым толстой кишки, как можно понять из. Таким образом, мы заключаем, что соответствующий объем для высокой плотности бактерий 10 11 бактерий / г — это только объем толстой кишки.Как обсуждалось во вставке 1, мы объединили источники данных об объеме толстой кишки, чтобы получить 0,4 л.

Вставка 1. Объем содержимого толстой кишки человека

Это критический параметр в наших расчетах. Мы использовали объем 0,4 л на основе следующих исследований (см. Также данные S1, вкладка ColonContent). Объем содержимого толстой кишки у эталонного взрослого мужчины был ранее оценен в 340 мл (355 г при плотности 1,04 г / мл [6]) на основе различных косвенных методов, включая измерения потока, рентгеновские измерения бариевой муки и патологоанатомическое исследование. [13].Недавнее исследование [15] дает более подробные данные об объеме неповрежденной толстой кишки, которые были собраны с помощью МРТ. Авторы сообщают о стандартизированном по высоте внутреннем объеме толстой кишки для мужчин 97 ± 24 мл / м 3 (где наилучшее соответствие было найдено при делении объема толстой кишки на куб высоты). Принимая рост 1,70 м за эталонного человека [6], мы получаем объем толстой кишки 480 ± 120 мл (где, если не указано иное, ± относится к стандартному отклонению [SD]). Этот объем включает незарегистрированный объем газа и не включает прямую кишку.Совсем недавно исследования, анализирующие МРТ-изображения толстой кишки, предоставили наиболее подробные и полные данные. Общий объем внутренней толстой кишки в этой когорте составлял 760 мл [16,17]. Однако эта когорта была значительно выше, чем эталонный мужчина. Нормализовав рост, мы получаем общий объем 600 мл для стандартного человека. Чтобы вычесть объем, занимаемый газом, фракция стула в этом отчете была оценена на уровне ≈70% от объема толстой кишки, что привело к 430 мл стандартизированного влажного содержимого толстой кишки. Таким образом, этот наиболее надежный анализ вместе с более ранними исследованиями поддерживает среднее значение около 0. 4 L.

Мы можем проверить эту оценку объема, посмотрев на объем стула, который проходит через толстую кишку. Сообщается, что взрослый человек производит в среднем 100–200 граммов влажного стула в день [18]. Время прохождения через толстую кишку отрицательно коррелирует с суточным выделением каловых масс, и его нормальные значения составляют около 25-40 часов [18,19]. Умножая суточный выход и время прохождения через толстую кишку, мы получаем оценку объема 150–250 мл, что несколько ниже, но согласуется с приведенными выше значениями, учитывая неопределенности и очень грубую оценку, которая не учитывала воду в толстая кишка, которая рассасывается перед дефекацией.Подводя итог, можно сказать, что объем содержимого толстой кишки, оцененный недавним анализом изображений МРТ, соответствует предыдущим оценкам и динамике фекального транзита. Значения для эталонного взрослого мужчины составили в среднем 0,4 л (стандартная ошибка среднего [SEM] 17%, коэффициент вариации [CV] 25%), которые будут использоваться в расчетах ниже. После типичного приема пищи объем изменяется примерно на 10% [15], в то время как каждое событие дефекации снижает содержание на четверть или треть [18].

Общее количество бактерий в организме

Теперь мы можем повторить первоначальный расчет количества бактерий в толстой кишке [3].Учитывая 0,9 · 10 11 бактерий / г влажного стула, полученное во вставке 2, и 0,4 л толстой кишки, мы обнаруживаем 3,8 · 10 13 бактерий в толстой кишке со стандартной погрешностью 25% и отклонением 52% SD. свыше 70 кг самцов. Учитывая, что вклад в общее количество бактерий из других органов составляет не более 10 12 , мы используем 3,8 · 10 13 в качестве нашей оценки количества бактерий во всем теле «эталонного человека».

Вставка 2. Концентрация бактерий в толстой кишке

Наиболее широко используемый метод измерения плотности бактериальных клеток в толстой кишке — исследование содержания бактерий в образцах стула.Это предполагает, что образцы стула адекватно представляют содержимое толстой кишки. Мы вернемся к этому предположению в обсуждении. Первые такие эксперименты относятся к 1960-1970-м годам [20,21]. В этих ранних исследованиях подсчет был основан на прямом микроскопическом подсчете сгустков из разбавленных образцов стула. В более поздних экспериментах [22,23] использовалось окрашивание нуклеиновой кислотой DAPI и флуоресцентная гибридизация in situ [FISH] с бактериальной 16S РНК. Значения обычно выражаются в количестве бактерий на грамм сухого стула. Для наших расчетов нас интересует содержание бактерий во влажном, а не сухом содержимом толстой кишки.Для перехода от бактерий / г сухого стула к бактерий / г влажного стула мы используем долю сухого вещества, как указано в каждой статье. сообщает о значениях, которые мы извлекли из 14 исследований в литературе и перевели их на общую основу для сравнения.

Таблица 2

Значения плотности бактерий в стуле, как сообщалось в нескольких прошлых статьях.

900 —
Артикул bac. # / г сухого стула (x10 11 ) сухого вещества в% от стула bac.# / г влажный стул (x10 11 ) CV (%)
Автор Год
Houte & Gibbons 1966 — — 3,2 53%
Moore & Holdeman 1974 5 22% 1,1 78%
Holdeman, Good & Moore 1976 4. 1 31% 1 . 3 66%
Stephen & Cummings 1980 4 29% (1) 1 . 2 25%
Langendijk et al. 1995 — — 2,7 26%
Franks et al. 1998 2.9 — 0 . 74 (2) 39%
Simmering & Kleessen 1999 4,8 — 1 . 3 (2) 44%
Tannock et al. 2000 — — 0,95 40%
Harmsen, Raangs, He, Degener & Welling 2002 2. 1 30% 0,62 38%
Zoetendal et al 2002 2,9 — 0 . 77 (2) 24%
Zhong et al. 2004 1,5 23% 0 . 35 73%
Thiel & Blaut 2005 3. 5 25% 0,87 53%
He et al. 2008 1,5 — 0 . 39 (2) 43%
Uyeno, Sekiguchi & Kamagata 2008 — — 0,44 34%
Среднее значение 27% ± 2% 0. 92 ± 19% 46%

Отметим, что значение оценки неопределенности учитывает известные вариации в объеме толстой кишки, плотности бактерий и т. Д., Но не может учитывать неколичественные систематические ошибки. Одним из наиболее заметных таких предубеждений является пробел в знаниях о различиях между фактической плотностью бактерий в толстой кишке, со всей ее пространственной неоднородностью, и измерениями концентрации в кале, которые служат косвенным показателем для оценки количества бактерий.

Какова общая масса бактерий в организме? Из общего содержания толстой кишки около 0,4 кг и массовой доли бактерий около половины [21,24] мы получаем вклад бактерий в общую массу содержимого толстой кишки около 0,2 кг (сырой вес). Учитывая преобладание бактерий в толстой кишке над всеми другими популяциями микробиоты в организме, мы делаем вывод, что в организме всего около 0,2 кг бактерий. Учитывая содержание воды в бактериях, общий сухой вес бактерий в организме составляет около 50–100 г.Это значение согласуется с параллельной альтернативной оценкой общей массы бактерий, которая умножает среднюю массу кишечных бактерий примерно на 5 пг (сырой вес, соответствующий сухому весу 1-2 пг, см. Приложение S1) с обновленным общее количество бактерий. Мы отмечаем, что эта эмпирически наблюдаемая средняя кишечная бактерия в несколько раз больше, чем удобно выбранный «стандартный» 1 мкм 3 объем и 1 пг влажной массы бактерии, часто упоминаемой в учебниках. Общая масса бактерий, которую мы находим, составляет около 0.3% от общей массы тела, что значительно обновляет предыдущие утверждения о том, что 1–3% массы тела составляют бактерии или что нормальный человек является хозяином 1–3 кг бактерий [25].

Число человеческих клеток у «стандартного» взрослого мужчины

Во многих литературных источниках делаются общие утверждения о количестве клеток в человеческом теле в диапазоне от 10 12 до 10 14 клеток [26,27]. Необычный аргумент в пользу таких значений показан во вставке 3.

Вставка 3. Порядок величины, наивная оценка количества человеческих клеток в организме

Предположим, что человек массой 10 2 кг состоит из «репрезентативных» клеток млекопитающих. Каждая клетка млекопитающего при объеме клеток 1000–10 000 мкм 3 , и плотности клеток, аналогичной плотности воды, будет весить 10 –12 –10 –11 кг. Таким образом, мы получаем 10 13 –10 14 человеческих клеток всего в организме, как показано на рис. Для такого рода оценок, когда масса клеток оценивается с точностью до порядка величины, не учитываются факторы, влияющие на разницу менее чем в 2 раза.Таким образом, мы используем 100 кг в качестве массы эталонного человека вместо 70 кг и аналогичным образом игнорируем вклад внеклеточной массы в общую массу. Эти упрощения помогают сделать оценку краткой и прозрачной.

Обратная сторона оболочки — оценка количества клеток в теле взрослого человека на основе характерного объема и массы.

Альтернативный метод, не требующий учета репрезентативной «средней» ячейки, систематический подсчет ячеек по типу.Такой подход был использован в недавнем подробном анализе [1]. Было оценено количество человеческих клеток в организме каждой категории (по типу клеток или системе органов). Для каждой категории количество клеток было получено из литературных источников или путем расчетов, основанных на прямом подсчете в гистологических поперечных срезах. Суммирование 56 категорий клеток [1] ​​дало общую оценку в 3,7 · 10 13 человеческих клеток в организме (SD 0,8 · 10 13 , т.е. CV 22%).

Обновленный перечень человеческих клеток в организме

В наших усилиях по пересмотру приведенных измерений мы использовали подход, который пытается объединить подробный подход переписи с преимуществами эвристических вычислений, используемых в качестве проверки работоспособности. Мы сосредоточились на шести типах клеток, которые были недавно идентифицированы [1] и составляют 97% всех клеток человека: эритроциты (составляют 70%), глиальные клетки (8%), эндотелиальные клетки (7%), дермальные фибробласты. (5%), тромбоциты (4%) и клетки костного мозга (2%).Остальные 50 типов ячеек составляют оставшиеся 3%. В четырех случаях (эритроциты, глиальные клетки, эндотелиальные клетки и дермальные фибробласты) мы пришли к пересмотренным расчетам, подробно описанным во вставке 4.

Вставка 4. Пересмотренные оценки количества эритроцитов, глиальных клеток, эндотелиальных клеток. , и дермальные фибробласты

Наибольший вклад в общее количество клеток человека вносят эритроциты. Расчет количества эритроцитов производился путем взятия среднего объема крови, равного 4.9 л (SEM 1,6%, CV 9%), умноженные на среднее количество эритроцитов 5,0 · 10 12 клеток / л (SEM 1,2%, CV 7%) (см. Данные S1). Последнее можно проверить, посмотрев обычный общий анализ крови, нормальные значения варьируются от 4,6–6,1 · 10 12 клеток / л для мужчин и 4,2–5,4 · 10 12 клеток / л для женщин. Это привело в общей сложности к 2,5 · 10 13 эритроцитов (SEM 2%, CV 12%). Это похоже на предыдущий отчет о 2.6 · 10 13 ячеек [1].

Таблица 3

Соотношение B / H для разных групп населения.

Полный список см. В Таблице B в Приложении S1.

сегмент населения масса тела [кг] возраст [лет] объем крови [л] количество эритроцитов [10 12 / л] содержимое толстой кишки [г] bac. конц. [10 11 / г влажного] (1) всего клеток человека [10 12 ] (2) всего бактерий [10 12 ] B: H
исх. человек 70 20–30 4,9 5,0 420 0,92 30 38 1,3
исх. женщина 63 3,9 4,5 480 0,92 21 44 2,2
младенец 4,4 4 недели 0,4 3,8 48 0. 92 1,9 4,4 2,3
младенец 9,6 1 0,8 4,5 80 0,92 4 7 1,7
старший 70 66 3,8 (3) 4,8 420 0,92 22 38 1,8
ожирение 140 6. 7 5,0 (4) 610 (5) 0,92 40 56 1,4

Количество глиальных клеток ранее сообщалось как 3 · 10 12 [1]. Эта оценка основана на соотношении 10: 1 между глиальными клетками и нейронами в головном мозге. Это соотношение глия: нейроны считалось общепринятым в литературе. Однако недавний анализ [28] пересматривает это значение и, проанализировав вариации по областям мозга, приходит к выводу, что соотношение близко к 1: 1.В исследовании делается вывод о том, что в головном мозге имеется 8,5 · 10 10 глиальных клеток (CV 11%) и такое же количество нейронов, поэтому мы используем эти обновленные значения здесь.

Количество эндотелиальных клеток в организме ранее оценивалось в 2,5 · 10 12 клеток (CV 40%), исходя из средней площади поверхности одной эндотелиальной клетки [1] и общей площади поверхности кровеносных сосудов, исходя из общей длины капилляров 8 · 10 9 см. Мы не смогли найти первоисточник для общей длины капиллярного ложа и поэтому решили пересмотреть эту оценку.Мы использовали данные о процентном содержании объема крови в каждом типе кровеносных сосудов [29]. Используя средние диаметры для различных кровеносных сосудов [30], мы смогли получить (данные S1) общую длину каждого типа сосудов (артерии, вены, капилляры и т. Д.) И соответствующую им площадь поверхности. Разделив на среднюю площадь поверхности одной эндотелиальной клетки [31], мы получаем уменьшенную общую оценку 6 · 10 11 клеток.

Количество дермальных фибробластов ранее оценивалось как 1.85 · 10 12 [1], основанный на умножении общей площади поверхности (SA) человеческого тела (1,85 м 2 [32]) на поверхностную плотность дермальных фибробластов [33]. Мы хотели включить в расчет толщину дермы (d). Толщина дермы измерялась непосредственно в 17 точках тела [34], среднее значение этих измерений составило 0,11 ± 0,04 см. Дерма состоит из двух основных слоев: сосочкового слоя дермы (около 10% толщины дермы) и ретикулярной дермы (остальные 90%) [35].Плотность фибробластов выше в сосочковом слое дермы, сообщается о поверхностной плотности σ pap. из 10 6 клеток / см 2 (при толщине сосочка 100 мкм, что дает 10 8 клеток / см 3 ) [33]. Сообщалось, что плотность фибробластов в середине дермы составляет около 3 · 10 6 клеток / см 3 [36], что дает поверхностную плотность σ рет. = 3 · 10 5 клеток / см 2 . Объединяя их, мы находим: N der.фиб. = SA · (σ pap. + σ ret .) = 1,85 · 10 4 см 2 (10 6 + 3 · 10 5 ) клеток / см 2 = 2,6 · 10 10 ячеек. После этого 100-кратного уменьшения количества фибробласты кожи, по оценкам, составляют только ≈0,05% от количества клеток человека.

Наши пересмотренные расчеты количества глиальных клеток, эндотелиальных клеток и дермальных фибробластов дают только 0,9 · 10 12 клеток, в отличие от 7,5 · 10 12 клеток в предыдущей оценке.Это оставляет нам 3,0 · 10 13 человеческих клеток в «эталонном человеке» массой 70 кг с расчетной погрешностью 2% и 14% CV. Мы отмечаем, что оценки неопределенности и CV могут быть слишком оптимистично низкими, поскольку в них преобладает заявленная высокая степень достоверности исследований, посвященных эритроцитам, но могут недооцениваться систематические ошибки, пропуски некоторых типов клеток и аналогичные факторы, которые трудно определить количественно. . В разделе мы суммируем пересмотренные результаты по вкладу различных типов клеток в общее количество клеток человека.Представлены категории с вкладом> 0,4% в количество клеток. Все остальные категории вместе составляют около 2%. Мы обнаружили, что тело включает только 3 · 10 12 не связанных с кровью человеческих клеток, что составляет всего 10% от общего обновленного количества человеческих клеток. Визуализация подчеркивает, что, по оценкам, почти 90% клеток являются энуклеированными (26 · 10 12 клеток), в основном эритроцитами и тромбоцитами, в то время как остальные ≈10% состоят из ≈3 · 10 12 ядер. клетки. Поразительное преобладание кроветворной линии в количестве клеток (90% от общего числа) противоречит здравому смыслу, учитывая состав тела по массе.Это предмет следующего анализа.

Распределение количества клеток человека по типу клеток.

Представление в виде карты дерева Вороного, где площадь многоугольника пропорциональна количеству ячеек. Визуализация выполняется с помощью онлайн-инструмента по адресу http://bionic-vis.biologie.uni-greifswald.de/.

Массовоцентрированный подход как проверка работоспособности для подсчета клеток

При таких оценках целесообразно подходить к анализу с разных сторон. В этом духе мы теперь спрашиваем, попадает ли совокупная масса подсчитанных клеток в ожидаемый диапазон для контрольного взрослого человека? Чтобы правильно ответить на этот вопрос, нам сначала нужно указать, каков ожидаемый результат, т.е.е., общая масса клеток тела. Для эталонного человека с массой 70 кг 25% составляет внеклеточная жидкость [37], еще 7% — внеклеточные твердые вещества [37], поэтому нам необходимо учитывать ≈46 кг клеточной массы (включая жир).

Исчерпывающий систематический источник состава общей клеточной массы (а не общего количества клеток) — это Отчет Рабочей группы по эталонному человеку [6], в котором приводятся значения массы основных тканей человеческого тела. Этот анализ массы на ткань включает как внутри-, так и внеклеточные компоненты.Чтобы различать внутри- и внеклеточные части каждой ткани, мы можем использовать измерения общего калия в организме [38], как подробно описано в Приложении S1. сравнивает основные ткани, которые вносят вклад в человеческое тело, с точки зрения количества и массы клеток.

Распределение количества и массы клеток по разным типам клеток в организме человека (для взрослого человека весом 70 кг).

Верхняя полоса отображает количество клеток, а нижняя полоса отображает вклад каждого из основных типов клеток, составляющих общую клеточную массу тела (не включая внеклеточную массу, которая добавляет еще ≈24 кг).Для сравнения, справа показан вклад бактерий, составляющий всего 0,2 кг, что составляет около 0,3% от веса тела.

Поразительным результатом этого сопоставления является очевидное несоответствие между вкладчиками в общую клеточную массу и количество клеток. В количестве клеток преобладают эритроциты (84%), один из самых маленьких типов клеток в организме человека с объемом около 100 мкм 3 . Напротив, 75% общей клеточной массы состоит из двух типов клеток, жировых клеток (адипоцитов) и мышечных клеток (миоцитов), причем обе большие клетки (обычно> 10 000 мкм 3 по объему), которые составляют лишь мельчайшую долю (≈ 0. 2%) от общего количества ячеек. С другой стороны, бактерии вносят незначительный вклад с точки зрения массы, но количество клеток сравнимо со всеми человеческими клетками вместе взятыми, как обсуждалось выше. Баланс массы хорошо учитывает всю ожидаемую массу тела, что подтверждает наш анализ. Возможность пропустить набор очень маленьких ячеек, достаточно многочисленное, чтобы изменить общее количество ячеек, дополнительно обсуждается в Приложении S1.

Отношение бактерий к человеческим клеткам в организме взрослого человека

С пересмотренными оценками количества людей (3.0 ∙ 10 13 ) и бактериальных клеток (3,8 ∙ 10 13 ) в организме (числитель и знаменатель отношения B / H), мы можем дать обновленную оценку B / H = 1,3 с погрешностью на 25% и на 53% больше, чем у стандартных самцов весом 70 кг. Это значение B / H около 1: 1 (с соответствующим диапазоном неопределенности) должно заменить значения 10: 1 или 100: 1, указанные в литературе, до тех пор, пока не станут доступны более точные измерения.

Отметим, что если кто-то решит сравнить количество бактерий в организме человека (3.8 · 10 13 ) к количеству ядерных клеток человека (≈0,3 · 10 13 ) соотношение будет примерно 10: 1. Это связано с тем, что преобладающая популяция безъядерных эритроцитов не включается в расчет. Отметим, что это соотношение является результатом того, что количество бактерий и количество ядерных клеток человека в организме в несколько раз ниже, чем в исходной оценке 1970-х годов (которая не ограничивала анализ ядросодержащими клетками). Вопрос о том, следует ли включать или исключать клетки без ядра при подсчете количества человеческих клеток и, таким образом, отношения B / H, по-видимому, является вопросом определения.Мы рассматриваем эритроциты как настоящие клетки, как следует из их названия. Но также возможно не включать их, поскольку некоторые могут подумать о них как о «мешках, полных гемоглобина». Включение тромбоцитов в подсчет, которое соответствует их включению в предыдущий подсчет, также потенциально спорно, но имеет лишь незначительный количественный эффект. В самом деле, это открывает интересную косвенную дискуссию о том, что следует определять как ячейка.

Вариации соотношения бактерий и человеческих клеток в разных популяционных сегментах

После рассмотрения соотношения B / H для «эталонного человека» мы обобщаем наши результаты, обращаясь к другим слоям населения.Глядя на нашу оценку, мы определяем четыре основных параметра, которые доминируют в расчетах:

  1. объем толстой кишки

  2. плотность бактерий в толстой кишке

  3. объем крови

  4. гематокрит (т. Е. Количество красных кровяных телец на единицу объема ).

Это управляющие параметры из-за доминирующего вклада бактерий толстой кишки и количества эритроцитов в общее количество бактериальных клеток и клеток человека, соответственно.Чтобы оценить влияние пола, возраста и ожирения на соотношение Ч / Н, мы исследуем изменение этих параметров в этих группах.

собирает изменения каждого из ранее упомянутых параметров для лиц, которые представляют различные сегменты человеческой популяции: эталонная взрослая женщина (1,63 м, 60 кг [39]), младенец (возраст 4 недели), младенец (возраст 1 год). ), пожилые (66 лет) и страдающие ожирением (140 кг).

Обзор литературы не показывает значительного влияния на концентрацию бактерий в толстой кишке с возрастом от месячного ребенка до пожилого [40,41].Колонизация желудочно-кишечного тракта новорожденных от незначительных концентраций бактерий в толстой кишке ≤10 5 бактерий / мл до концентраций, эквивалентных таковым у взрослых, происходит менее чем за один месяц [42]. Для этого динамического периода, который еще не был нанесен на карту с высоким разрешением, мы не предоставляем оценку отношения B / H. Как и с возрастом, экстремальные веса мало влияют на количество бактериальных клеток. [43]. Сообщенные значения для младенцев и ожирения находятся в диапазоне вариаций «эталонного мужчины». Кроме того, мы не смогли найти в литературе никаких сообщений о гендерных различиях в плотности бактерий в толстой кишке.Как можно понять из, соотношение B / H варьируется в 2 раза в разных группах населения от низкого уровня 1,3 до максимума 2,3.

Отметим, что дополнительные факторы, такие как раса и этническая принадлежность, могут влиять на соотношение B: H. Было показано, что популяция бактерий в толстой кишке сильно зависит от географического положения [47], но текущих данных недостаточно, чтобы сделать надежный вывод о концентрациях в толстой кишке, и они представляют собой пробел в данных.

Обсуждение

В этом исследовании, помимо предоставления актуальных оценок средних значений количества ячеек, мы стремились дать репрезентативные диапазоны неопределенности и вариации между сегментами населения.Это основано на сравнении независимых исследований и вариаций, наблюдаемых в исследованиях.

Самый большой пробел в знаниях, который мы обнаруживаем, заключается в том, насколько реалистично использование измеренной плотности фекальных бактерий для представления также средней плотности бактерий в толстой кишке. Существует неизбежный градиент концентрации бактерий вдоль самой толстой кишки, от низких концентраций, переходящих от подвздошной к слепой кишке, примерно 10 8 бактерий / г до ~ 10 11 бактерий / г, измеренных в стуле. Изменение концентрации бактерий возникает из-за нескольких факторов, включая поглощение воды, которое концентрирует бактерии в толстой кишке, а также из-за роста бактерий в течение 1-2 дней транзита и выделения бактерий с поверхности слизистой оболочки. В некоторых отношениях выполненная нами оценка умножения наблюдаемой плотности фекальных бактерий на объем содержимого толстой кишки может считаться верхним пределом. Дополнительная информация о соотношении между фактической плотностью бактерий в толстой кишке и плотностью, измеренной в фекалиях, станет большим шагом вперед в улучшении оценок этого исследования.Еще одним элементом неопределенности является ограниченная информация об объеме содержимого толстой кишки у разных людей и состояний. Эти пробелы в знаниях указывают на то, что могут быть систематические ошибки, выходящие за рамки того, что мы могли бы учесть в диапазонах неопределенности, о которых мы сообщаем.

При анализе различных слоев населения наша статья явно ограничена по объему. Мы коснулись ожирения, новорожденных и пожилых людей, а также влияния пола, но не коснулись многих других представляющих интерес сегментов, таких как люди, проходящие курс лечения антибиотиками или подготовка кишечника к колоноскопии, люди с инфекциями, хронические заболевания желудочно-кишечный тракт и др.

Пока мы анализировали количество клеток, многие исследователи интересовались количеством генов как отражением, например, разнообразия метаболических возможностей микробиома. Чтобы правильно оценить, в какой степени гены в бактериях, которые мы несем, превосходят по численности наши собственные двадцать тысяч генов, необходимо должным образом определить очень деликатный вопрос о том, что следует считать разными генами, что выходит за рамки данного исследования.

Попутно отметим, что количество эндосимбиотических бактерий, которые мы несем в форме митохондрий, вероятно, в несколько раз превышает количество бактерий в организме.Это можно понять, отметив, что большинство типов клеток (за исключением красных кровяных телец) содержат сотни (или более) митохондрий на клетку [48].

Следует ли нам заботиться об абсолютном количестве человеческих клеток в организме или соотношении бактериальных и человеческих клеток? Обновление соотношения бактерий и клеток человека с 10: 1 или 100: 1 до 1: 1 не умаляет биологической важности микробиоты. Тем не менее, мы убеждены, что широко заявленные числа должны основываться на наилучших доступных данных, чтобы сохранять строгость количественного биологического дискурса.Изучение абсолютных чисел также актуально для конкретных биологических вопросов. Например, недавнее исследование показало, как знание количества клеток в разных тканях может быть важным показателем в понимании различий в риске рака среди тканей [49]. Другие приложения относятся к динамическим процессам развития и накопления мутаций. Наконец, использованный здесь числовой фокус выявляет и привлекает внимание к пробелам в знаниях, таких как плотность бактериальной популяции в проксимальном отделе толстой кишки и насколько хорошо они представлены современными методами анализа. Таким образом, благодаря этому исследованию мы узнали о многообещающих шагах вперед в выполнении дельфийской максимы «познай себя» с количественной точки зрения.

Границы | От редакции: Хорошее, плохое и уродливое: множественные роли бактерий в жизни человека

Введение

« Если вам не нравятся бактерии, вы оказались не на той планете».

(Бренд, 2010).

Цитируя писателя и редактора Стюарта Брэнда, суммирует неопровержимые факты, знания и восхищение, которые мы все разделяем в отношении самых маленьких и простых организмов на Земле.Бактерии не только считаются колыбелью жизни, но, как показывает история и столетия научного интереса, они являются живыми организмами, которые больше всего влияют на нас, людей. С того момента, как Антони ван Левенгук впервые наблюдал за крошечными бактериальными клетками под микроскопом, до текущих проектов по секвенированию человеческого микробиома, это было и остается захватывающим путешествием по пониманию, борьбе и использованию бактерий в наших интересах. Часто мы склонны антропоморфизировать наши объекты исследования, что не обязательно является неправильной практикой, если мы остаемся в курсе наших действий и наших выводов, поэтому мы можем искусственно классифицировать бактерии на «полезные или патогенные» в неравной пропорции.Однако с учетом знаний, накопленных на протяжении многих лет, у нас все еще создается впечатление, что все еще остается загадкой, можем ли мы считать бактерии «хорошими» или «плохими» и «уродливыми», которые сосуществуют с нами. Именно это мы и пытались сделать в рамках этой темы исследования с таким известным антропологическим названием, в которой мы попытались объединить различные аспекты бактериального мира и показать, как бактерии сильно влияют на наш образ жизни. Конечно, мы понимаем, что рисование линий — рискованное занятие, потому что что делать, когда «Хорошее» превращается в «Плохое» и «Уродливое»? Энтерококки — хороший пример: будучи респектабельным членом кишечного микробиома, они могут стать уродливыми при определенных обстоятельствах (низкий иммунный ответ их хозяина, мы, люди). Будучи учеными и пытаясь руководить данной темой исследования, мы применяем научный подход к решению такой сложной и трудной задачи, представляя факты и делая выводы, которые должны помочь читателям оценить увлекательный полный спектр ролей, которые бактерии играют в жизни человека.

Прежде всего, молекулярная биология не была бы там, где она стоит сегодня, если бы не знание основных блоков жизни, то есть ДНК, РНК и белков, а также таких процессов, как экспрессия генов и ее контроль, репликация хромосом и деление клеток, горизонтальный перенос генов, межклеточная коммуникация, восстановление ДНК, клеточный иммунитет и гибель клеток, которые были получены в результате исследований на бактериях.Поскольку все эти процессы относительно легко измерить у бактерий и что основные принципы биологической регуляции одинаковы для всех организмов, знания, полученные при изучении бактерий, приносят пользу биологическим наукам в целом, включая биотехнологию и развивающуюся область молекулярной медицины. В них важную роль играют плазмиды и фаги, то есть бактериальный мобилом. Плазмиды и фаги были не только главной платформой фундаментальных биологических открытий, но они также являются универсальным инструментом для доставки генов всем организмам и главной причиной распространения устойчивости к антибиотикам, которая наносит тяжелый урон человеческим жизням и экономике.Поскольку многие бактерии, являющиеся условно-патогенными микроорганизмами, живут в симбиозе с растениями или населяют загрязненную среду, несут плазмиды с генами устойчивости или производства определенного фермента, научное сообщество находится в поисках новых антибиотиков для борьбы с инфекциями, вызванными патогенными бактериями. повышают урожайность растений и стимулируют биодеградацию. Бактериальные плазмиды также были связаны и считаются «виновниками» полезного производства продуктов питания и напитков для животных и человека.Пробиотики, которые стимулируют иммунитет и противовоспалительное действие, а также растущее число сообщений о бактериях, связанных с раком, являются двумя яркими примерами противоположных хороших и уродливых сторон бактерий. До недавнего времени мы знали только, что бактерии населяют почву, воду, экстремальные условия, такие как кислые горячие источники и радиоактивные отходы, и живут в симбиотических и паразитических отношениях с растениями и животными. Проект микробиома человека открыл новые возможности для нашего понимания тесной взаимосвязи между бактериями и людьми.Тот факт, что внутри и на поверхности нашего тела много бактерий, требует более глубокого исследования, и мы надеемся, что текущая тема предоставит новые ключи к разгадке и ценную информацию, подтверждающую важность изучения бактерий.

Тема исследования

Несмотря на обширную информацию, доступную на сегодняшний день, и общее убеждение, что бактерии более вредны, чем полезны для человеческой популяции, простое намерение предложить эту тему исследования состояло в том, чтобы проверить текущее состояние знаний о бактериях и выяснить, влияют ли они на нашу жизнь просто в негативном / позитивном ключе, или картина окажется более сложной, чем мы могли себе представить. Мы были рады видеть, что тема привлекла внимание 214 авторов с 5 континентов, которые с энтузиазмом откликнулись на 40 оригинальных исследовательских и обзорных статей. Наши коллеги были из разных научных областей с разными интересами и точками зрения, что чрезвычайно обогатило наше понимание и знания по этому вопросу. Поэтому мы с удовольствием представляем участникам темы исследования «Хорошее, плохое и уродливое: множественная роль бактерий в жизни человека» с их бесценными отчетами.

Разделы

Глава 1: Благоприятный микромир

1.1. Источник фундаментальных биологических знаний

1.2. Использование в биотехнологии

1.3. Пробиотики

1,4. Экологическая биоремедиация

Глава 2: Обнаружены патогены

2.1. Молекулярные механизмы

2.2. Глубокая устойчивость к антибиотикам

2.3. Геномика и эволюция патогенных бактерий

2.4. Инфекционные болезни и связь с раком

Глава 3: Бактерии и жизнь человека

3. 1. Новые антибиотики

3.2. Доставка лекарств и лечение рака

3.3. Новые аспекты

Тема начинается с статей, сообщающих об фундаментальных биологических открытиях, которые позволяют глубже понять экспрессию бактериальных генов и построить более точные модели для прогнозирования бактериальных мишеней транскрипции (Djordjevic et al.), Схем регуляции генов репликации в бактериальных плазмидах для их успешное внедрение в новых хозяевах (Ruiz-Masó et al.) и обзор возможных биологических ролей токсин-антитоксиновых модулей типа II как в плазмидах, так и в хромосомах, демонстрирующий доказательства функционального перекрытия этих модулей независимо от их геномного расположения (Díaz – Orejas et al.). В следующих двух статьях рассматриваются фундаментальные открытия в области мобилома, такие как обнаружение двух ранее неизвестных белков, участвующих в мобилизационном комплексе (релаксосоме), кодируемом плазмидой pLS20 (Miguel-Arribas et al.), И характеристика загадочного белка. кодируется лямбда- и лямбдоидными фагами (Dydecka et al.), которые могут играть важную роль в регуляции решения этих фагов стать «уродливыми» (лизогения) или «по-настоящему плохими» (литическими) в данном случае для бактериального хозяина. Еще две статьи относятся к образу жизни Firmicutes: как бороться с хромосомными суперспиралями и экспрессией генов пневмококка (Де Ла Кампа и др.), Одного из «Плохих», обычно действующего как безобидный комменсал в нашей носоглотке. , но готовы поразить пневмонию, когда наша иммунная система падает, а вторая связана с реакцией бактерий на стрессовые ситуации, которые приводят к другому решению: быть унесенным стрессом или выжить в спящем персистирующем состоянии, таким образом позволяя бактерии, чтобы справиться с неблагоприятными (для бактерий) ситуациями, такими как лечение антибиотиками (Moreno-del Álamo et al.).

Использование бактерий в биотехнологии описано в обширном обзоре бактериальных промоторов стационарной фазы и их применении для создания улучшенных систем экспрессии генов в производстве рекомбинантных белков и в процессах биоремедиации (Джайшанкар и Шривастава). «Горячая» тема бактериальной иммунной системы CRISPR-Cas, которая широко использовалась в последние годы для редактирования генов клеток млекопитающих, решается путем более тщательного изучения ее тонко настроенной регуляции и предполагаемой эффективной экспрессии малых РНК в узкий временной интервал (Rodic et al.). Подробно представлены новые сведения о генотипе, производстве ферментов и физиологических свойствах полезных бактерий, таких как хорошо известные пробиотические бифидобактерии (Alnajar et al.) И недавно описанный Pediococcus parvulus (Pérez-Ramos et al.). с особым акцентом на роли их плазмид, таких как Lactobacillus sakei (Nácher-Vázquez et al.). Плазмиды также являются основным медиатором биоремедиации загрязненных почв, как сообщили две независимые группы (Garbisu et al.; Ван и др.).

Тема бактериальных мобильных генетических элементов, плазмид и фагов подробно рассматривается в нашей следующей главе («Патогены раскрыты»), поскольку они являются движущей силой горизонтального переноса генов и основной причиной устойчивости к антибиотикам и вирулентности. Мы узнали интересный факт, что вирулентность патогена Pseudomonas syringae опосредуется природными химерами из разных семейств плазмид (Bardaji et al.). Lean и Yeo исследуют наши текущие знания о плазмидах размером менее 10 т.п.н., обычно обнаруживаемых у нозокомиального патогена, Acinetobacter baumannii , в мини-обзоре.Некоторые из этих небольших плазмид несут в себе гены устойчивости и потенциальной вирулентности, тогда как другие поистине загадочны. Интересная статья связывает широко распространенный мир прокариотических систем токсин-антитоксин с бактериальной вирулентностью важного патогена из рода Campylobacter , одного из «плохих» из-за их множественной устойчивости к антибиотикам и их клинической значимости. Sprenger et al. показывают, что в Campylobacter fetus подвида venerealis активность некоторых белков FIC (филаментация, индуцированная циклическим АМФ) напоминает классические системы ТА и, по-видимому, связана с вирулентностью.Грасиела Пуччарелли и др. подробно изучить роль дисульфидной связи в основной периплазматической петле белка внутренней мембраны IgaA другого патогена, Salmonella enterica серовара Typhimurium, в регуляции фосфорелейной системы RcsCDB, которая участвует в регуляции экспрессии множества клеточных процессов, включая подвижность, производство биопленок и вирулентность. Потенциальное использование лектина, продуцируемого съедобной улиткой, агглютинина Helix pomatia (HPA) в качестве нового диагностического инструмента для идентификации Streptococcus pneumoniae , предложено Доменеком и Гарсиа, которые показали, что лектин HPA специфически распознает конечный αGalNAc. остатки тейхоевой и липотейхоевой кислот клеточной стенки S.пневмония .

Роль бактериальных вирусов, бактериофагов (или просто фагов) в быстром распространении устойчивости к антибиотикам представлена ​​Валеро Релло и др., Тогда как весь спектр их воздействия на здоровье человека резюмирован в обзорной статье Наварро. и Муньеса. Важно помнить, что бактериальные фаги играли (и продолжают играть!) Ключевую роль на ранних этапах исследований молекулярной биологии, поскольку они позволили изучить контроль экспрессии генов и реакции принятия решений, что привело к развитию контролируемые системы экспрессии для сверхэкспрессии белка.Кроме того, количество бактериофагов на планете Земля (около 10 31 ) больше, чем у любого другого организма, включая бактерии, вместе взятые, что делает их грозной движущей силой эволюции.

Плазмиды как средства горизонтальной (латеральной) передачи признаков устойчивости к антибиотикам и их «злые» действия вносят важный вклад в развитие как грамположительных, так и грамотрицательных бактериальных патогенов. Идентификация этих генетических элементов и того, как они выполняют свою роль в переносе генов, является серьезной проблемой в наши дни, когда количество новых антибактериальных средств сокращается.Превосходный обзор механизмов репликации нескольких стафилококковых плазмид, которые опосредуют устойчивость к противомикробным препаратам, представлен Kwong et al. Агила-Аркос и др. показали, что во всех 25 исследованных клинических изолятах стафилококков, образующих биопленку, были обнаружены гены горизонтального переноса и релаксации двух распространенных плазмид устойчивости к стафилококкам, pSK41 и pT181, что предполагает возможность распространения устойчивости к антибиотикам на другие клинические изоляты. В другой статье Ares-Arroyo et al.анализировать различные репликоны ColE1 с использованием биоинформатики и экспериментальных подходов. Они разработали новую систему на основе ПЦР для обнаружения и анализа плазмид ColE1 и подтвердили их важную роль в распространении устойчивости к антибиотикам. Секвенирование полного генома (WGS) регулярно применяется для идентификации и наблюдения за Salmonella в Справочном отделе общественного здравоохранения Англии по желудочно-кишечным бактериям с 2014 года. Neuert et al. оценили прогноз фенотипической устойчивости к противомикробным препаратам у нетифоидной Salmonella enterica на основе генотипических профилей, полученных из полных геномных последовательностей 3491 изолята, полученного в период с 2014 по 2015 год Службой общественного здравоохранения Англии, и показали, что расхождения между фенотипическими и генотипическими профилями были низкими и что в общем, WGS подходит как быстрое средство определения профилей устойчивости к противомикробным препаратам для наблюдения.

С другой стороны, исследование кишечной микробиоты и изменений экспрессии генов и метаболизма глюкозы, вызванных лечением антибиотиками, показывает сложный характер нашего выбора способов борьбы с вредными бактериями (Родригес и др.).

Принимая во внимание воздействие бактериальных патогенов на медицину и окружающую среду, особое внимание уделяется пониманию их геномики и эволюции. Escherichia coli и Bordetella , два из наиболее разрушительных патогенов человека и животных, широко описаны (Pasqua et al.и Хамиду Сумана и др.). Очень важный пример изменения наших взглядов с «забытых» на «по-настоящему плохие» бактерии — это возбудитель туберкулеза. Две статьи показывают, что Mycobacterium tuberculosis , вызывающая длительные инфекции, может приобретать ограниченное генетическое разнообразие, и тем не менее существуют штаммы, склонные к микроэволюции внутри инфицированного хозяина (Herranz et al .; Navarro et al.). Лира и др. представить сравнительный геномный анализ условно-патогенного микроорганизма, Stenotrophomonas maltophila , полученный из клинических образцов, а также образцов окружающей среды, и показать, что не существует четких или отдельных клинических и экологических линий патогена. Это указывает на то, что инфекция в основном вызвана нарушенным иммунным ответом инфицированных пациентов, и, учитывая биотехнологический потенциал S. maltophila , его использование в естественной среде обитания, вероятно, приведет только к возрастающему риску заражения инфекциями.

Morris et al. представить всесторонний обзор роли вторичных бактериальных инфекций в повышении заболеваемости и смертности от инфекций гриппа, особенно во время эпидемий и пандемий. Растущая устойчивость к противомикробным препаратам и уклонение от вакцинации, вызванные этими бактериальными патогенами, сделали еще более важным мониторинг их эпидемиологии, чтобы лучше направлять клиническое лечение и развитие, особенно во время эпидемии или пандемии гриппа.В другом обзоре Sahan et al. показать, как патогенные микроорганизмы могут вызывать различные уровни воспаления, которое может приводить к повреждению ДНК, тем самым создавая риск развития рака. Обзор посвящен Helicobacter pylori -опосредованному воспалению и раку желудка, а также потенциальной роли Fusobacterium nucleatum в колоректальном раке, а также указывает на важную роль путей репарации ДНК в предотвращении развития таких видов рака.

Последняя глава (Бактерии и жизнь человека) начинается с решения нынешней проблемы нехватки эффективных средств лечения бактериальных инфекций и поиска новых антибиотиков, что является приоритетом научного микробиологического сообщества.В статье «Перспектива» Гримуэйд и Леонард исследуют наши текущие знания о стадии инициации бактериальной хромосомной репликации, опосредованной бактериальной орисомой, и выявляют потенциальные цели, которые могут предотвратить бактериальную хромосомную репликацию, которые, следовательно, могут служить мишенями для новых антибактериальных соединений.

Были предложены молекулы, которые способны ингибировать конъюгацию (COINS), и считается, что они обеспечивают новый путь борьбы с распространением признаков устойчивости к антибиотикам, кодируемых мобильными элементами.Некоторые эффективные COINS были обнаружены несколько лет назад, и стратегии их выявления и дальнейшего развития рассмотрены Cabezón et al. Другой подход к борьбе с патогенами связан с ограничением их образа жизни. Многие бактерии (и Плохие — не исключение) становятся счастливее, когда они срастаются, образуя биопленки, которые прилипают к живым (зубы, носоглотка) или имплантатам (катетеры, протезы) поверхности, чтобы лучше общаться между ними, а также колонизировать новые ниши. Ингибиторы образования биопленок представляют собой интересный источник потенциальных противомикробных препаратов, что было зарегистрировано Vaishampayan et al.

Одна из основных трудностей в области открытия лекарств — это то, как доставить желаемое лекарство, чтобы оно достигло своей конечной цели. Стратегии доставки лекарств могут быть дорогостоящими и требовать много времени: это может сделать правильно разработанный лекарственный препарат непригодным для использования из-за отсутствия надлежащих процедур доставки. Изучение этой области было предметом лаборатории Льосы в течение многих лет. Теперь они предоставляют проницательный обзор того, как использовать пути системы секреции бактерий типа IV для доставки и стабильной интеграции в хромосомы клеток млекопитающих с желаемыми характеристиками, которые со временем приведут к противоопухолевым препаратам (Guzmán-Herrador et al. ).

Использование нескольких видов бактерий в терапии рака рассмотрено в статье «Перспектива» Габриэлы Крамер и др., Что контрастирует с «плохой» стороной других видов бактерий, которые, как было показано, являются потенциальными возбудителями рака (Sahan et al. .). Интересно, что аттенуированные мутанты патогена Salmonella enterica серовара Typhimurium вторгаются и разрушают широкий спектр типов раковых клеток in vitro и до сих пор являются наиболее эффективными противоопухолевыми бактериями в экспериментальных моделях рака.

Наконец, последние 2 статьи в нашей теме раскрывают неожиданные факты о бактериях. Молина-Гарсия и др. показывают, что бактерии могут быть идеальной моделью для изучения нейродегенеративных заболеваний человека, тогда как Javan et al. доклад о бактериальном танатомикробиоме, который может помочь в судебно-медицинских исследованиях.

Что дальше?

Несмотря на обширные знания о бактериях, включая текущую тему исследований, каждый день появляются новые интересные научные отчеты. Среди них проект микробиома человека играет центральную роль в выявлении истинного взаимодействия между нами, людьми и теми «примитивными», но мощными живыми организмами, которые, как теперь было показано, играют центральную роль в формировании нашего здоровья и окружающей среды.Как показал сборник статей в этой теме исследования, бактерии действительно проявляют все грани «хорошего», «плохого» и «уродливого», и, как и все остальное в этом нашем мире, все три грани совпадают. существуют как динамическое, хаотическое целое.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Финансирование

Пока писалась эта редакционная статья, авторы финансировались FRGS / 1/2016 / SKK11 / UNISZA / 01/1 (CCY) и BIO2015-69085-REDC (ME).

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы сердечно благодарим всех авторов этой электронной книги, преданных рецензентов и редакционную поддержку журнала.

Список литературы

Бренд С. (2010). Дисциплина всей Земли: зачем нужны плотные города, атомная энергия, трансгенные культуры, восстановленные дикие земли и геоинженерия. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательская группа Penguin.

Микробы дали нам жизнь

Каждую неделю приходят новости о супербактериях, редких паразитах и ​​плотоядных бактериях. Как два микробиолога, работающие в медицинской школе, мы прекрасно знаем, что эти угрозы реальны и не могут быть отвергнуты. Но плохие новости, к сожалению, отодвигают в сторону неописуемые истории о микробах, которые положили начало жизни на Земле, и о различных микробах, которые продолжают поддерживать нашу жизнь.

Последние три года мы фотографировали следы самых ранних микробов, а также продукцию тех, кто работает сегодня.Мы сделали тысячи снимков микробов на далеких ландшафтах и ​​в фантастических микромасштабах. То, что мы увидели, побудило нас поделиться красотой микробного мира в книге фотоэссе «Жизнь на грани видимости». Это сообщение о микробах иное, чем то, которое часто появляется в заголовках: самые фундаментальные реальности микробного мира исключительно позитивны. Вот некоторые из этих положительных реалий и даже параллели, которые можно провести между людьми и микробами.

Большой призматический источник в Йеллоустонском национальном парке окружен красочными микробными циновками. Скотт Чимилески и Роберто Колтер

Первые микробы

Около 4 миллиардов лет назад первичные клетки начали формироваться в горячем, богатом химическими веществами бульоне. Одна заслуживающая доверия сюжетная линия начинается внутри извержения гейзеров в термальном регионе на суше, похожем на современный Йеллоустонский национальный парк. Минералы на стенках гейзера катализировали образование простых типов молекул жира и извергали их в близлежащие бассейны. По мере того как молекулы собирались и взаимодействовали, эти пулы становились инкубаторами микроскопических сфер, называемых везикулами. Между тем молекулы РНК возникли в результате других химических реакций и начали самовоспроизводиться внутри пузырьков. Колебания тепла и турбулентность в окружающей среде в конечном итоге запустили жизненный цикл примитивных клеток, и эти прото-клетки начали делиться и воспроизводиться. Это были первые микробы; это была первая жизнь на Земле.

объявление

Связанный:

Смотрите: Эпизод 10: Гигантская чашка Петри, набитая супербактериями, показывает эволюцию, как это происходит

Вскоре после того, как в геологической летописи появляются первые следы жизни, появляются окаменелые останки сообществ микробов .В этих сообществах микробы сотрудничали, конкурировали и развивали способы общения друг с другом. Гораздо позже внутри этих микробных экосистем — и никогда не отделяется от них — возникли более крупные многоклеточные организмы. Включая нас.

Чай Комбуча ферментируется плавающей биопленкой, состоящей из симбиотического сообщества бактерий и дрожжей, или сокращенно СКОБИ. Скотт Чимилески и Роберто Колтер

Невидимые повара

Хотя мы неразрывно связаны с первыми невидимыми организмами в непрерывной эволюционной цепочке, наши предки не имели ни малейшего представления о микробах, даже когда они помогали им.Вот история приготовления чайного гриба, напитка, который стал бешено популярным.

Все начинается с того, что однажды приготовил кувшин сладкого чая и оставил его сидеть в покое. (Некоторые говорят, что это произошло в древнем Китае, другие говорят, что это произошло совсем недавно в России.) Открыв чай ​​заново, несколько недель спустя забывчивый заметил толстый белый слой, плавающий на поверхности жидкости. Чувствуя себя авантюристом, он налил чай в чашку, оставив белый слой позади, и сделал глоток.»М-м-м!» — воскликнул экспериментатор. Он был острым и шипучим.

объявление

Мало ли первые любители чайного гриба знали, что они потребляли микробы каждым глотком. Все, что они знали, это то, что они могут продолжать переделывать напиток и делиться рецептом с другими, пока они переносят часть слизистого белого слоя на следующую партию.

Без микроскопа первые люди, которые производили ферментированные продукты и напитки, которые смаковали на протяжении тысячелетий по всему миру — от сыров до хлеба, пива, саке и т. Д., — не имели представления о микробных сообществах, которые их создали.В случае чайного гриба белый слой представляет собой разнообразную экосистему биопленок дрожжей, плесени и бактерий, удерживаемых вместе лесом перекрещенных целлюлозных волокон. Бактерии, вырабатывающие уксусную кислоту, придают чайному грибу кисловатый оттенок, от которого у вас морщится во рту.

Диатомовые водоросли с зелеными пигментами хлорофилла внутри, разбросанные среди сотен других видов микробов, собранные с пятнышка грязи. Скотт Чимилески и Роберто Колтер

Меньшинство плохих актеров

Когда в 1800-х годах зародилась современная микробиология, такие пионеры, как Роберт Кох и Луи Пастер, обнаружили, что микробы ответственны за ферментацию, примерно в то же время, когда они узнали, что определенные микробы вызывают смертельные заболевания. Работа с так называемыми патогенными микробами была и остается необходимым приоритетом. Микробиологи добились больших успехов в медицине, выделяя болезнетворные микроорганизмы и находя способы их убить. Но работы Коха, Пастера и других быстро и без разбора представили микробы как микробы.

Колонии, образованные множеством видов бактерий и грибов. Скотт Чимилески и Роберто Колтер.

Легко понять, как это произошло. Технологии, необходимые для изучения всего разнообразия и изобилия микробной жизни, просто не были изобретены.Теперь мы знаем, что на Земле существует до 1 триллиона видов микробов, и лишь малая часть из них вызывает болезни. Тем не менее страх перед микробами в значительной степени сохраняется в общественном сознании. Представьте себе, что каждый маленький мальчик, продающий лимонад на угловой лавке, каждая бабушка, печущая торт, и каждый добрый самаритянин внезапно попадали в список самых разыскиваемых ФБР. Оскорбление всех микробов ради немногих — несоответствие в равной степени.

Клетки Pseudomonas aeruginosa связаны внутри внеклеточного матрикса сообщества биопленок. Скотт Чимилески и Роберто Колтер

Смена пристрастий

Даже идея болезнетворного микроба не так проста, как кажется. Возьмите синегнойную палочку. Эта бактерия действительно заслуживает своего места в списке самых разыскиваемых микробов; он может вызывать многие виды инфекций, некоторые из которых опасны для жизни. Однако многие люди, контактирующие с микробом, не страдают от него; большинство из тех, кто пострадал от него, имеют основное заболевание или ослабленную иммунную систему.Это означает, что иммунная система постоянно меняется, и именно это взаимодействие, а не только присутствие микроба, определяет, вызовет ли он болезнь.

Связанный:

ВОЗ опубликовала список самых опасных супербактерий

в мире

Фактически, многие бактерии, способные вызывать инфекции, могут и действительно живут честно в наших телах, в почве и в других местах окружающей среды. Еще больше нюансов: некоторые микробы вредны или нейтральны в зависимости от того, какие другие микробы находятся поблизости.Один вид бактерий может быть совершенно цивилизованным, когда он обитает вокруг другого вида, но отсутствие этого вида обнаруживает в нем самое худшее. Это явление верно в отношении золотистого стафилококка, вида бактерий, обитающих в носовых полостях примерно 25 процентов населения. Вероятно, его контролируют другие близлежащие бактерии. В противном случае это может вызвать кожные и другие серьезные инфекции стафилококка.

Эти примеры демонстрируют, что все взаимодействия между микробами и людьми находятся в спектре симбиоза.Есть паразитические «патогены», которые вредят людям, «комменсальные» микробы, которые живут внутри нас и внутри нас без каких-либо известных положительных или отрицательных последствий, и те, которые приносят пользу нам, в то время как мы взаимно приносим им пользу. Все эти категории микробов являются симбионтами, а не только теми, которые помогают нам, и один вид микробов может переходить от одного статуса взаимоотношений к другому в разное время и в разных местах.

Митохондрии (зеленый), видимые с ядрами (синий) и цитоскелет (красный) внутри клеток млекопитающих, произошли от древнего эндосимбиоза с помощью бактерий. Дилан Бернетт / Дженнифер Липпинкотт-Шварц / NIH

Создатели и хранители биосферы

Мир микробов — это фундамент, на котором держится вся остальная жизнь. Митохондрии, которые производят энергию в наших клетках, и хлоропласты, обеспечивающие фотосинтез растений, начали свое существование как свободноживущие бактерии. Океанические цианобактерии шириной менее одной тысячной миллиметра производят большую часть кислорода, которым мы дышим. Микробы в почве питают корни растений и превращают инертный газообразный азот из атмосферы в биологически пригодную форму, играя ключевую роль в круговороте азота и других химических круговоротах.Бактерии и грибки на самом деле создают почву, поскольку они медленно разрушают растительный и животный материал, в том числе листья на заднем дворе.

Микробы соединяют глобальную пищевую сеть. Посмотри на свой ужин сегодня вечером. Если вы едите мясо, вегетарианец или веган, на вашей тарелке не было бы еды без микробов. Допустим, это филе дикого лосося. Лосось был аккуратно нарезан и упакован, но когда-то он был живой частью экосистемы. По мере роста рыба поедала насекомых и более мелкую рыбу.Эти животные питались еще более мелкими — ракообразными и другими видами зоопланктона. А зоопланктон, в свою очередь, питался одноклеточными водорослями, называемыми фитопланктоном. Уберите микробы в нижней части сети, и лосось тоже исчезнет.

Цветки голубых водорослей, производящих кислород (кокколитофориды), видны в океане из космоса. Проект SeaWiFS / НАСА / Центр космических полетов Годдарда / ORBIMAGE

О микробах и людях

На протяжении всего человечества микробы помогали обществам и создавали для них серьезные проблемы.Они сделают то же самое в нашем будущем. Все страдают простудой и острыми инфекциями, а некоторые пострадают от более серьезных взаимодействий с микробами. Но именно благодаря этим невидимым организмам мы живы в первую очередь и способны переживать лучшие стороны жизни.

Как мы видим, микробная жизнь иллюстрирует внутреннюю двойственность природы. Микробы производят одни из самых восхитительных вещей на планете, такие как вино и шоколад, и они способны на невообразимые разрушения, такие как Черная смерть.Микробы — это социальные существа, которые живут в сообществах, сформированных сотрудничеством и конкуренцией, и меняют свое поведение, иногда в худшую сторону, в зависимости от компании, которую они составляют. Звучит знакомо?

Точно так же, как мы принимаем добро в человечестве, несмотря на немногие ужасные, мы должны стремиться уравновесить наш негативный взгляд на микробную жизнь с этими всеобъемлющими положительными сообщениями: микробы дали нам жизнь, и они продолжают давать нам жизнь каждый раз. день.

Скотт Чимилески — научный сотрудник и специалист по визуализации в лаборатории Кольтера Гарвардской медицинской школы. Роберто Колтер, который руководит этой лабораторией, является профессором микробиологии и иммунобиологии и директором Гарвардской инициативы по микробным наукам. Они являются авторами « Жизнь на краю поля зрения: фотографическое исследование микробного мира » (Harvard University Press, сентябрь 2017 г.). Изображения из книги в настоящее время демонстрируются на выставке « World in a Drop » в Гарвардском музее естественной истории, предшественнице выставки «Microbial Life», открытие которой запланировано на февраль 2018 года.

Основные этапы исследований микробиоты человека

Микробиом кишечника человека в зависимости от возраста и географии

Считается, что микробиом кишечника человека формируется как диетой хозяина, так и генетикой. Используя выборку из более чем 500 человек, принадлежащих примерно к 150 семьям из трех разных стран, Яцуненко и др. проанализировать влияние обоих факторов на состав и функциональный репертуар фекальной микробиоты.

Стойкая незрелость кишечной микробиоты у голодающих детей Бангладеш

Недоедание в детском возрасте является серьезной проблемой для здоровья во многих странах с низким уровнем дохода, и, хотя смертность можно снизить с помощью лечебного питания, трудно добиться полного восстановления здорового роста в случаях тяжелого острого недоедания. Здесь Джеффри Гордон и его коллеги определяют группу из 24 видов бактерий, пропорциональное представительство которых в микробиоте определяет, как здоровая микробиота собирается в течение первых двух постнатальных лет в когорте здоровых детей в Бангладеш. Они определяют «индекс относительной зрелости микробиоты» и «Z-показатель микробиоты к возрасту», которые позволяют сравнивать людей и используют эти индексы, чтобы продемонстрировать, что тяжелое недоедание связано со значительной относительной незрелостью микробиоты, которая лишь частично улучшается двумя широко используемыми пищевые вмешательства.Эта работа предполагает, что могут потребоваться более длительные вмешательства на основе пищевых продуктов и / или добавление кишечных микробов для достижения длительного восстановления незрелости микробиоты при детском недоедании и улучшения клинических результатов.

Пейзаж геномных вариаций микробиома кишечника человека

Сотрудничество между участниками проектов European MetaHIT и американского NIH Human Microbiome привело к разработке основы для анализа метагеномных вариаций, которая используется для анализа однонуклеотидных полиморфизмов, коротких индексов и структурных вариантов в 252 фекальных метагеномах 207 человек из Европы. и Северная Америка.Паттерны изменчивости предполагают, что у людей могут быть уникальные метагеномные генотипы, которые могут предоставить данные, относящиеся к персонализированному выбору диеты или лекарств.

Фактор микробного симбиоза предотвращает воспалительные заболевания кишечника.

Микробиологи начинают понимать, как и почему млекопитающие колонизируются множеством симбиотических бактерий.Но что отличает «хорошие» от доброкачественных или вредных бактерий, остается в значительной степени неизвестным. В 2005 году было показано, что кишечный микроб Bacteroides fragilis оказывает сильное влияние на иммунную систему млекопитающих, эффект, приписываемый одной молекуле, капсульному полисахариду А (ПСА). Теперь показано, что PSA B. fragilis защищает животных как от бактериального, так и от химического колита в процессе с участием Т-клеток, продуцирующих интерлейкин-10. Это говорит о том, что B. fragilis помогает поддерживать здоровье человека, подавляя воспалительную реакцию кишечника, и что факторы симбиоза могут открыть путь к новым методам лечения.На обложке (Тома Дисере, Саркиса Мазманяна и Денниса Каспера) на обложке ПСА (желтый) окружает B. fragilis (зеленый) в кишечнике, поглощается дендритными клетками и обрабатывается внутри эндосомного пути до уменьшенный размер молекул. Деполимеризованный ПСА представляет собой молекулу главного комплекса гистосовместимости класса II для CD4 + Т-клетки (зеленый, белый, желтый), которая становится активированной. Работа в этой области поддерживается несколькими крупными усилиями по характеристике микробиоты человека и определению ее роли в здоровье и болезнях, включая Проект «Микробиом человека».В статье News Features Ашер Маллард исследует различные подходы, а Апурва Мандавилли сообщает о редкой возможности наблюдать колонизацию кишечника с нуля после трансплантации кишечника.

Статья | | Природа

Врожденный иммунитет и микробиота кишечника в развитии диабета 1 типа

Заболеваемость аутоиммунным диабетом у мышей NOD (диабет без ожирения), лабораторная модель диабета 1 типа, варьируется в зависимости от условий, в которых они содержатся. В частности, мыши NOD, подвергшиеся воздействию убитых микобактерий и других микробных продуктов, защищены от развития диабета, что предполагает участие быстрого врожденного иммунного ответа. Эксперименты на мышах NOD с дефицитом врожденного иммунитета — из-за отсутствия адаптивного белка MyD88 для сигналов Toll-подобных рецепторов — теперь показывают, что и врожденный иммунитет, и кишечная микробиота влияют на предрасположенность к диабету. У свободных от микробов MyD88-отрицательных мышей развился устойчивый диабет, однако у мышей с набором кишечных микробов, аналогичных нормальному кишечнику человека, диабет был снижен.Это увеличивает вероятность того, что живые «дружественные» микробы или микробные продукты могут быть терапевтическими вариантами лечения диабета 1 типа.

Эксклюзивная метаболическая ниша позволяет штамму приживаться в кишечной микробиоте.

Точно настроенный контроль приживления штаммов и численность микробиоты кишечника мышей был достигнут с использованием морского полисахарида порфирана, который мог использоваться исключительно введенной подгруппой штаммов Bacteroides дикого типа или генетически модифицированных.

Микробиом кишечника, связанный с ожирением, с повышенной способностью собирать энергию

Наши кишечные микробы оказывают нам услугу, выполняя метаболические рутинные операции, которые мы не научились делать сами. В некотором смысле их гены являются частью «метагенома», которым является Homo sapiens. Это иллюстрируется двумя связанными статьями в этом выпуске, в которых представлены доказательства микробной составляющей ожирения. Изучение численности двух доминирующих групп бактерий в кишечнике людей с ожирением показывает, что увеличение количества бактерий Bacteroidetes коррелирует с потерей веса. А исследование мышей с генетическим ожирением показывает, что их кишечное микробное сообщество обладает большей способностью собирать энергию, чем у тощих однопометников: эта черта передается при пересадке сообщества мышам, свободным от микробов.Эта работа предполагает, что микробиом кишечника, связанный с ожирением, может быть биомаркером и, возможно, терапевтической мишенью.

Статья | | Природа

Микробы кишечника человека, вызывающие ожирение

Наши кишечные микробы оказывают нам услугу, выполняя метаболические рутинные операции, которые мы не научились делать сами. В некотором смысле их гены являются частью «метагенома», которым является Homo sapiens. Это иллюстрируется двумя связанными статьями в этом выпуске, в которых представлены доказательства микробной составляющей ожирения. Изучение численности двух доминирующих групп бактерий в кишечнике людей с ожирением показывает, что увеличение количества бактерий Bacteroidetes коррелирует с потерей веса. А исследование мышей с генетическим ожирением показывает, что их кишечное микробное сообщество обладает большей способностью собирать энергию, чем у тощих однопометников: эта черта передается при пересадке сообщества мышам, свободным от микробов.Эта работа предполагает, что микробиом кишечника, связанный с ожирением, может быть биомаркером и, возможно, терапевтической мишенью.

Краткое сообщение | | Природа

Бифидобактерии могут защитить от энтеропатогенной инфекции за счет выработки ацетата.

Бифидобактерии, которые иногда используются в йогуртах и ​​других пищевых продуктах в качестве «пробиотиков», являются естественными обитателями кишечника человека и, как известно, защищают нас от инфекций.Возможный механизм по крайней мере части этого защитного действия теперь обнаружен в форме ацетата. Пероральное применение подтипа Bifidobacterium longum у мышей, по-видимому, защищает их от потенциально фатальной Escherichia coli O157: H7, стимулируя механизмы защиты хозяина в эпителиальных клетках.

Прецизионное восстановление микробиома восстанавливает опосредованную желчной кислотой устойчивость к Clostridium difficile

Лечение антибиотиками может убить многих представителей нормальной комменсальной микробиоты кишечника, делая пациентов восприимчивыми к кишечной инфекции.Среди инфекций, которые могут возникнуть в результате разрушения комменсальной флоры, опосредованной антибиотиками, колит Clostridium difficile является одним из наиболее распространенных и трудно поддающихся лечению. Эрик Памер и его коллеги провели скрининг микробиоты мышей с помощью панели антибиотиков и искали отчетливые изменения микробиоты, связанные с восприимчивостью к C. difficile. Они определили связанные с устойчивостью компоненты микробиоты, общие для мышей и людей, включая Clostridium scindens, который, как они показали, придает устойчивость к инфекции путем синтеза C.difficile-ингибиторы метаболитов желчных солей хозяина. Эти результаты могут указать путь к новым подходам к лечению и профилактике колита C. difficile, таким как восполнение вторичных желчных кислот или биосинтез-компетентных бактерий в качестве дополнений к трансплантатам фекальной микробиоты.

Структура, функции и разнообразие микробиома здорового человека

Проект «Микробиом человека» (HMP), поддерживаемый Общим фондом Национальных институтов здравоохранения, имеет цель охарактеризовать микробные сообщества, которые населяют человеческое тело и взаимодействуют с ним во время болезни и в состоянии здоровья.В двух статьях этого выпуска журнала Nature Консорциум HMP представляет первые подробные сведения об организменном и функциональном составе микробиоты в пяти областях тела в масштабе популяции. Связанные новости и обзоры обсуждают первоначальные результаты, которые, наряду с результатами ряда совместных публикаций, уже составляют самый обширный каталог организмов и генов, связанных с микробиомом человека, из когда-либо опубликованных, и освещают некоторые из основных вопросов, которые Проект будет реализован в ближайшие несколько лет.

Статья | Открытый доступ | | Природа

Основа для исследования микробиома человека

Проект «Микробиом человека» (HMP), поддерживаемый Общим фондом Национальных институтов здравоохранения, имеет цель охарактеризовать микробные сообщества, которые населяют человеческое тело и взаимодействуют с ним во время болезни и в состоянии здоровья. В двух статьях этого выпуска журнала Nature Консорциум HMP представляет первые подробные сведения об организменном и функциональном составе микробиоты в пяти областях тела в масштабе популяции. Связанные новости и обзоры обсуждают первоначальные результаты, которые, наряду с результатами ряда совместных публикаций, уже составляют самый обширный каталог организмов и генов, связанных с микробиомом человека, из когда-либо опубликованных, и освещают некоторые из основных вопросов, которые Проект будет реализован в ближайшие несколько лет.

Статья | Открытый доступ | | Природа

Окружающая среда преобладает над генетикой хозяина в формировании микробиоты кишечника человека

Состав микробиома кишечника человека определяется многими факторами.Эран Сигал и его коллеги выполнили обширный статистический анализ самой большой когорты людей, секвенированной метагеномами, чтобы определить вклад генотипа хозяина в состав микробиома. Генетика хозяина имеет лишь незначительное влияние на изменчивость микробиома, которая в большей степени связана с факторами окружающей среды, такими как диета. Авторы предлагают «индекс ассоциации микробиома», который описывает ассоциацию микробиома с фенотипом хозяина. Сочетание этого измерения с генетическими данными хозяина и данными окружающей среды повышает точность прогнозов о некоторых метаболических особенностях человека, таких как глюкоза и признаки ожирения.

Статья | | Природа

Микробиом влагалища и преждевременные роды

В рамках второй фазы проекта микробиома человека исследование мультиомного микробиома: Инициатива по беременности представляет собой ресурс сообщества, который помогает лучше понять, как микробиом и профили хозяина меняются на протяжении всей беременности, а также для выявления новых возможностей оценки риска преждевременных родов. рождение.

Лонгитюдная множественность динамики микробов и хозяев при предиабете

Глубокое профилирование транскриптомов, метаболомов, цитокинов и протеомов, наряду с изменениями в микробиоме, в образцах от людей с преддиабетом и без него позволяет получить представление об индивидуальной вариабельности и взаимосвязи между изменениями микробиома и другими факторами.

Статья | Открытый доступ | | Природа

Многокомпонентность микробной экосистемы кишечника при воспалительных заболеваниях кишечника

База данных мультиомных воспалительных заболеваний кишечника включает продольные данные, охватывающие множество анализов кала, крови и биопсий более чем 100 человек, и предоставляет всестороннее описание активности хозяина и микробов при воспалительных заболеваниях кишечника.

Статья | Открытый доступ | | Природа

Микробиом кишечника охотников-собирателей хадза

Микробы кишечника влияют на наше здоровье и могут способствовать адаптации человека к разному образу жизни. Здесь авторы описывают микробиом кишечника сообщества охотников-собирателей и идентифицируют уникальные особенности, которые могут быть связаны с образом жизни, добывающим пищу.

Индукция Treg рационально подобранной смесью штаммов Clostridia из микробиоты человека

Дисбаланс кишечной микробиоты значительно способствует воспалительным и аллергическим состояниям, и поэтому манипуляции с кишечными микробами обещают лечить эти иммунные расстройства. В этой статье сообщается о выделении 17 штаммов Clostridia человеческого происхождения, способных стимулировать иммунный ответ, вызывая накопление и функциональное созревание регуляторных Т-клеток. Пероральное введение коктейля из этих Clostridia ослабляет болезнь на мышиных моделях колита и аллергической диареи, предполагая, что эти штаммы могут быть кандидатами для разработки пероральных бактериальных терапевтических средств для лечения воспалительных заболеваний.

Метаболиты, продуцируемые комменсальными бактериями, способствуют образованию периферических регуляторных Т-клеток.

Несколько линий доказательств указывают на то, что подмножества комменсальных микробов формируют иммунную систему кишечника.Например, колонизация Clostridia способствует экстратимической генерации регуляторных T (Treg) -клеток, которые играют центральную роль в подавлении воспалительных и аллергических реакций. Однако молекулярная основа такой индукции Treg, опосредованной микробами, остается неизвестной. Две статьи в этом выпуске Nature показывают, что продукт микробной ферментации толстой кишки бутират значительно ускоряет дифференцировку Treg-клеток толстой кишки и облегчает колит в сочетании с увеличением ацетилирования гистона h4 на промоторе Foxp3.Это открытие связывает бутират с индукцией функциональных Treg-клеток в слизистой оболочке толстой кишки, а также дает молекулярное понимание терапевтического применения бутирата.

Комменсалы человека, продуцирующие новый антибиотик, ухудшают колонизацию патогенов

Большинство системных бактериальных инфекций вызывается эндогенными патогенами из микробиоты человека, а условно-патогенный микроорганизм Staphylococcus aureus, обычно обнаруживаемый в наружном отверстии ноздрей, является одним из наиболее клинически значимых из-за преобладания штаммов с множественной лекарственной устойчивостью. Механизмы, которые позволяют или препятствуют колонизации патогенов, остаются неясными. Это исследование показывает, что S. lugdunensis, комменсальная бактерия, которая разделяет носовую нишу с S. aureus и связана со сниженным уровнем носительства S. aureus у людей, производит новый циклический пептидный антибиотик (лугдунин), который ингибирует колонизацию S. aureus в моделях на животных. Лугдунин обладает бактерицидным действием в отношении основных патогенов и не склонен вызывать развитие устойчивости у S. aureus, что позволяет предположить, что лугдунин или комменсалы, продуцирующие лугдунин, могут быть полезны для предотвращения стафилококковых инфекций.

Статья | | Природа

Разоблачение сахарного диабета 2 типа и метформина в микробиоте кишечника человека

В результате исследований ассоциаций в масштабе всего метагенома появляется все больше свидетельств того, что несколько распространенных заболеваний человека, таких как сахарный диабет 2 типа (СД2), связаны с дисбактериозом кишечника, нездоровым дисбалансом микробиоты кишечника. Однако вклад противодиабетической лекарственной терапии в развитие дисбактериоза часто не учитывается. Олуф Педерсен и его коллеги проанализировали два предыдущих метагеномных исследования пациентов с СД2, которые дали разные выводы относительно связи заболевания с дисбактериозом, вместе с новой когортой, чтобы определить эффекты широко назначаемого противодиабетического препарата метформина. Они обнаружили, что метформин действительно является смешивающим фактором, но что единая сигнатура сдвигов кишечного микробиома при СД2 все еще очевидна.

Определенный комменсальный консорциум вызывает CD8 Т-клетки и противораковый иммунитет.

Консорциум из 11 бактериальных штаммов из здоровой кишечной микробиоты человека может сильно индуцировать интерферон-γ-продуцирующие CD8 Т-клетки в кишечнике и повышать как устойчивость к бактериальной инфекции, так и терапевтическую эффективность ингибиторов иммунных контрольных точек.

Статья | | Природа

Новый геномный план микробиоты кишечника человека

Репертуар известных видов коллективной кишечной микробиоты человека значительно расширился с открытием 1952 некультивируемых видов бактерий, что значительно улучшило классификацию малоизученных образцов из Африки и Южной Америки.

Статья | Открытый доступ | | Природа

Новые выводы из некультивируемых геномов глобального микробиома кишечника человека

Черновые варианты геномов прокариот из фекальных метагеномов различных популяций человека обогащают наше понимание микробиома кишечника человека, выявляя более двух тысяч новых таксонов на уровне видов, которые имеют многочисленные ассоциации с болезнями.

Статья | Открытый доступ | | Природа

У людей больше бактериальных клеток, чем у человека

Мы навязчиво моем руки, опрыскиваем столешницы и гримасничаем, когда кто-то чихает рядом с нами — фактически, мы делаем все возможное, чтобы избежать ненужных встреч с миром микробов. Но правда в том, что мы практически ходим по чашкам Петри, изобилующим бактериальными колониями от нашей кожи до самых глубоких уголков нашего кишечника.

Все бактерии, живущие внутри вас, заполнят кувшин на полгаллона; По словам Кэролайн Бохач, микробиолога из Университета Айдахо (U.I.), в вашем теле в 10 раз больше бактериальных клеток, чем клеток человека, а также по другим оценкам научных исследований. (Несмотря на свою огромную численность, бактерии не занимают так много места, потому что бактерии намного меньше человеческих клеток.) Хотя это звучит довольно грубо, на самом деле это очень хорошая вещь.

Заражение начинается при рождении: младенцы глотают бактерии во время родов и получают гораздо больше с кожи и молока матери — во время кормления грудью молочные железы становятся колонизированными бактериями. «Наше взаимодействие с матерью — это самый большой всплеск микробов, который мы получаем», — говорит Гэри Хаффнагл, микробиолог и терапевт из Мичиганского университета в Анн-Арборе. И это только для начала: на протяжении всей своей жизни мы потребляем бактерии в пище и воде, «и неизвестно где еще», — говорит Хаффнагл.

Начинаясь во рту, носу или других отверстиях, эти микробы проходят через пищевод, желудок и / или кишечник — места, где большинство из них разбивают свои лагеря. Хотя, по оценкам, более 500 видов одновременно обитают в кишечнике взрослого человека, большинство из них принадлежит к двум типам: Firmicutes (которые включают Streptococcus, Clostridium и Staphylococcus ) и Bacteroidetes (которые включают Flavobacterium ).

Долгое время ученые полагали, что эти бактерии, несмотря на их численность, не принесли нам большого вреда и пользы. Но за последнее десятилетие исследователи изменили свою настройку.

Во-первых, бактерии производят химические вещества, которые помогают нам использовать энергию и питательные вещества из нашей пищи, — объясняет Хаффнагл. Грызуны без микробов должны потреблять почти на треть калорий больше, чем нормальные грызуны, чтобы поддерживать свой вес, и когда тем же животным позже вводили дозу бактерий, уровень их жира в организме резко увеличивался, даже если они не ели больше, чем у них было раньше.

Кишечные бактерии также поддерживают здоровье нашей иммунной системы. Несколько исследований показывают, что микробы регулируют популяцию и плотность кишечных иммунных клеток, помогая развитию лимфоидных тканей, связанных с кишечником, которые опосредуют различные иммунные функции.

Бактерии, по-видимому, также влияют на функцию иммунных клеток, таких как дендритные клетки, Т-клетки и В-клетки, хотя ученые еще не знают точных механизмов. И одно химическое вещество, выделяемое бактерией Bacteroides fragilis , способно управлять процессом созревания развивающейся иммунной системы.

Кроме того, было доказано, что пробиотики — пищевые добавки, содержащие потенциально полезные микробы, повышают иммунитет. Кишечные бактерии не только «помогают защитить от других болезнетворных бактерий, которые могут появиться с пищей и водой», — говорит Хаффнагл, — «они действительно представляют собой еще одно плечо иммунной системы».

Конечно, они не могут защитить от каждого нападения, поэтому нам все еще приходится полагаться на антибиотики, чтобы избавить нас от некоторых болезнетворных инфекций. Но антибиотики не просто убивают «плохие» микробы, они уничтожают и «хорошие».Вот почему использование антибиотиков может вызвать диарею и расстройство желудка: лекарства нарушают баланс нашей бактериальной флоры, вызывая у нас болезни, объясняет Хаффнэгл.

Но бактериальное тело внесло еще один вклад в человечество — гены. Вскоре после того, как в 2001 году проект «Геном человека» опубликовал свои предварительные результаты, группа ученых объявила, что небольшое количество человеческих генов — сегодня их насчитывается около 40 — по-видимому, имеют бактериальное происхождение.

Однако остается вопрос, как именно они туда попали.Некоторые ученые утверждают, что гены, должно быть, были переданы человеку от бактерий относительно недавно в истории эволюции, потому что гены не обнаружены у наших ближайших животных предков. Другие утверждают, что это могут быть древние реликвии эволюционных событий, имевших место в начале истории нашего вида, и по неизвестным причинам гены этих предков были потеряны. На данный момент невозможно узнать наверняка.

«Насколько мне известно, не осталось явных случаев, когда человеческие гены были недавно получены от бактерий», — говорит Седрик Фешотт, биолог из Техасского университета в Арлингтоне.«Это не значит, что их нет, но они плохо документированы».

Одно можно сказать наверняка: наша жизнь и даже наша личность более тесно связаны с микробным миром, чем мы думаем. Бактерии очень важны для нашего здоровья, и ученые только начинают раскрывать свои ценные секреты. Как говорит Бохач из U.I.: «Мы не до конца понимаем влияние нашей бактериальной флоры на наше здоровье и физиологию».

Микробы и болезни | Микробы и организм человека

Несколько вредных микробов, например менее 1% бактерий, могут проникнуть в наше тело (хозяина) и вызвать у нас болезни.Микробы вызывают инфекционные заболевания, такие как грипп и корь.

Есть также убедительные доказательства того, что микробы могут способствовать развитию многих неинфекционных хронических заболеваний, таких как некоторые формы рака и ишемической болезни сердца. Различные заболевания вызываются разными типами микроорганизмов. Микробы, вызывающие заболевание, называются патогенами.

Инфекционная болезнь Микроб, вызывающий заболевание Вид микроба
Холодный Риновирус Вирус
Ветряная оспа Ветряная оспа Вирус
Немецкая корь Краснуха Вирус
Коклюш Бордателла коклюшная Бактерия
Бубонная чума Yersinia pestis Бактерия
ТБ (туберкулез) Mycobacterium tuberculosis Бактерия
Малярия Плазмодий falciparum Простейшие
Стригущий лишай Trichophyton rubrum Гриб
Стопа спортсмена Trichophyton mentagrophytes Гриб

Важно помнить, что:

  • Патоген — это микроорганизм, который потенциально может вызывать заболевание.
  • Инфекция — это вторжение и размножение патогенных микробов у человека или популяции.
  • Заболевание — это когда инфекция вызывает повреждение жизненно важных функций или систем человека.
  • Инфекция не всегда приводит к болезни !

Чтобы вызвать инфекцию, микробы должны проникнуть в наш организм. Сайт, на который они входят, известен как входной портал.

Микробы могут попасть в организм через четыре перечисленных ниже участка:

  • Дыхательные пути (рот и нос) e.г. вирус гриппа, вызывающий грипп.
  • Желудочно-кишечный тракт (ротовая полость) напр. Холерный вибрион , вызывающий холеру.
  • Урогенитальный тракт напр. Escherichia coli , вызывающая цистит.
  • Трещины на поверхности кожи, напр. Clostridium tetani , вызывающий столбняк.

Чтобы нас заболели микробы должны:

  • достигают своего целевого участка в теле;
  • прикрепляются к целевому сайту, который они пытаются заразить, чтобы их не вытеснили;
  • быстро размножаются;
  • получают свои питательные вещества от хозяина;
  • избежать и пережить атаку иммунной системы хозяина.

  • Иммунная система

    Инфекцию можно рассматривать как битву между вторгающимися патогенами и хозяином. Как работает иммунная система?

  • Пути передачи

    Узнайте, как можно заразить микробы и передать их другим.

  • Вакцинация

    Просто выстрел в руку — что делают вакцины?

  • Антибиотики

    Антибиотики — мощные лекарства, которые борются только с бактериальными инфекциями.

Введение в микробиологию пищевых продуктов

Микроорганизмы

Самые крошечные формы жизни — это бактерии, дрожжи, плесень и вирусы, которые называются «микроорганизмами» из-за их размера («микро» означает «маленький», а «организм» означает живое существо).

Бактерии

Бактерии — самые важные микроорганизмы для кухонного комбайна. Большинство из них безвредны, многие очень полезны, некоторые указывают на возможное присутствие грязи, болезнетворных организмов, порчи, а некоторые вызывают болезни. Существуют тысячи видов бактерий, но все они одноклеточные и делятся на три основные формы: сферические, прямые стержни и спиральные стержни. Чтобы их увидеть, вам понадобится микроскоп с увеличением примерно в 1000 раз. Все бактерии размножаются, делясь на две клетки. Затем две ячейки делятся на 4, 4 становятся 8 и так далее. В идеальных условиях это удвоение может происходить каждые 15 минут, так что в течение 5 часов будет более миллиона ячеек от исходной отдельной ячейки.Если будет 1000 исходных ячеек вместо одной, то за 5 часов будет более 1 миллиарда ячеек.

Некоторые палочковидные бактерии способны существовать в двух формах: спящие споры и активные вегетативные клетки. Вегетативные клетки образуют споры в неблагоприятных условиях как средство выживания. Формы спор предохраняют бактерии от голода, высыхания, замораживания, воздействия химикатов и тепла. Когда условия становятся благоприятными, споры прорастают, и каждая спора снова становится вегетативной клеткой, способной к размножению. Среди бактерий споруляция не является средством размножения, поскольку каждая клетка образует единую спору, которая позже снова превращается в единую клетку. Большинство спорообразующих бактерий, которые растут в присутствии воздуха, принадлежат к роду Bacillus, а большинство, которые растут только в отсутствие воздуха, относятся к роду Clostridium.

Дрожжи и плесень

Дрожжи имеют овальную форму и немного крупнее бактерий. Размножаются чаще всего бутонами. При почковании каждая клетка может производить несколько зачатков или вздутий, которые отламываются, образуя новые, полностью сформированные дочерние клетки.

Плесень, обнаруживаемая на хлебе, фруктах, влажной бумаге или других поверхностях, на самом деле состоит из миллионов микроскопических клеток, соединенных вместе в цепочки. Цепи обычно имеют многочисленные ответвления, называемые гифами. Плесень может процветать в условиях, слишком неблагоприятных для бактерий или дрожжей. Они размножаются спорами, которые часто присутствуют в виде зеленых или черных масс на выступающих гифах.

Дрожжи и плесень растут на большинстве пищевых продуктов, на оборудовании и поверхностях зданий, где есть небольшие количества питательных веществ и влаги.Поскольку бактерии растут быстрее, их количество в большинстве продуктов намного превышает количество дрожжей и плесени. Однако бактерии считают неблагоприятными условия с низким pH, влажностью или температурой, а также с высоким содержанием соли или сахара. В такой среде преобладают дрожжи или плесень. Таким образом, они могут быть проблемой в сухих кормах, соленой рыбе, хлебе, соленьях, фруктах, джемах, желе и подобных товарах.

Вирусы

Вирусы — мельчайшие и простейшие микроорганизмы. В отличие от бактерий, дрожжей и плесени, вирусы не могут воспроизводиться самостоятельно.Вместо этого они должны сначала вторгнуться в клетки другого живого организма, называемого хозяином, прежде чем они смогут размножиться. Следовательно, они паразитируют. Вирусы обычно специфичны в выборе клеток-хозяев: одни заражают только один вид, а другие способны инфицировать близкородственные виды. В результате вирусы, поражающие бактерии, называемые бактериофагами, не могут инфицировать людей или других животных. С другой стороны, несколько вирусов животных, известных как зоонотис, могут инфицировать людей.

Вирусы важны для пищевого процесса в двух отношениях:

  1. Как бактериофаг молочнокислых или других ферментативных бактерий.Инфекции бактериофагами заквасок могут серьезно повлиять на производство сыра, пахты, квашеной капусты, солений, вина, пива и других желательных ферментативных продуктов.
  2. Как болезнь, передающаяся человеку с пищей. Хотя вирусам требуется живая клетка-хозяин и они не могут размножаться в пищевых продуктах, они могут оставаться жизнеспособными и заразными в течение длительных периодов времени даже в очень неблагоприятных условиях, таких как сушка, замораживание и пастеризация.

Факторы, влияющие на рост микроорганизмов

Кухонный комбайн снижает потенциальные проблемы, связанные с микроорганизмами, несколькими способами:

  • Удаление или уничтожение их путем обрезки, мытья, нагревания, травления, добавления химикатов или поощрения конкуренции со стороны кислотообразующих или спиртообразующих организмов.
  • Сведение к минимуму загрязнения от оборудования, людей, окружающей среды и от необработанных пищевых продуктов.
  • Сведение к минимуму роста микробов на оборудовании за счет очистки и дезинфекции, а также в самом продукте путем регулирования температуры хранения, pH и других факторов окружающей среды.

Хотя в нижеследующем обсуждении каждый фактор, влияющий на рост, рассматривается отдельно, в природе эти факторы возникают одновременно. Когда более чем одно состояние несколько неблагоприятно для роста микробов, их ингибирующие эффекты накапливаются.

Температура

Температура — наиболее эффективное средство контроля роста микробов. Исходя из их толерантности к широкому диапазону температур, микроорганизмы примерно классифицируются следующим образом:

  1. Психрофии растут только при низких температурах.
  2. Психротрофы хорошо растут при низких температурах, но лучше при комнатной температуре.
  3. Мезофилы лучше всего растут при температуре человеческого тела или около нее, но хорошо растут при комнатной температуре.
  4. Термофилы растут только при температурах, примерно равных температуре, которую может выдержать человеческая рука, и обычно совсем не при температуре тела или ниже.

Если говорить более конкретно об этих температурных пределах роста, значит вступить в противоречие, которое продолжается с момента зарождения микробиологии, поскольку существует множество видов, которые растут в температурных диапазонах, перекрывающих эти. Однако для пищевой микробиологии эти выводы актуальны:

Рисунок 1. Низкие температуры ограничивают рост организмов, вызывающих пищевые отравления и порчи продуктов. (Берр и Эллиот, 1960; Лейстнер и др., 1975)

  1. Некоторые психротрофные микроорганизмы очень медленно растут в пищевых продуктах при температуре ниже нуля, но обычно не ниже 19 ° F.Есть несколько сообщений о росте, обычно плесени, при 14 ° F, но нет достоверных сообщений о росте при температуре ниже этой. Это означает, что стандартная температура хранения замороженных продуктов, 0 ° F, не допускает роста микробов. Однако многие микроорганизмы выживают при замораживании (Michener and Elliott, 1964).
  2. Большинство психротрофов с трудом вырастают выше 90 ° F.
  3. Большинство организмов, вызывающих болезни пищевого происхождения, являются мезофилами. Кухонный комбайн может чувствовать себя в безопасности, зная, что продукты, находящиеся выше или ниже пределов, указанных на Рисунке 1, и правильно повернутые, останутся безопасными.Хорошее практическое правило — хранить скоропортящиеся продукты при температуре ниже 40 ° F или выше 140 ° F.
  4. В диапазоне температур, в котором растут как мезофильные, так и психротрофные организмы (от 41 ° F до примерно 90 ° F), психротрофы растут быстрее, вызывая порчу и в то же время часто препятствуя росту болезнетворных организмов пищевого происхождения (Elliott and Michener, 1965).

Рис. 2. Рост бактерий на курице при трех температурах. (По данным Ayres et. Al., 1950)

Рисунок 3.Влияние температуры на время порчи куриного мяса (по данным Lochhead and Landerkin, 1935 и Barnes and Shrimpton, 1957).

В пределах диапазона роста скорость роста быстро увеличивается при повышении температуры (рис. 2). И наоборот, скорость роста микробов быстро снижается при понижении температуры, и, следовательно, порча пищевых продуктов происходит намного медленнее. Этот эффект особенно заметен вблизи точки замерзания. Обратите внимание на рис. 3, что при падении примерно с 41 ° F и до примерно 32 ° F срок годности при хранении (время до порчи) увеличивается более чем вдвое.

Активность на воде

Активность воды (a w ) — это термин, описывающий доступность воды для микроорганизмов. Это лишь приблизительно связано с процентом влажности. Чистая вода имеет коэффициент w , равный 1,00, а атмосфера над водой в закрытом контейнере будет иметь равновесную относительную влажность (ERH), равную 100%. Если мы добавим унцию камней в литр воды в таком контейнере, ERH и a w не изменятся. Но если мы добавим унцию соли, ERH упадет примерно до 98%, а a w до 0. 98. Камни не растворяются в воде, но соль растворяется, тем самым уменьшая долю воды, которая может попасть в атмосферу. Точно так же количество воды, доступной для микроорганизмов, присутствующих в растворе, уменьшается. И все же процент влажности в емкости с камнями такой же, как и в емкости с солью, а именно 98%.

Правила GMP для консервированных пищевых продуктов с низким содержанием кислоты определяют активность воды как давление пара пищевого продукта, деленное на давление пара чистой воды при идентичных условиях давления и температуры.Правила определяют продукты с низкой кислотностью как продукты питания, кроме напитков, с конечным равновесным значением pH более 4,6 и активностью воды более 0,85.

Клостридий ботулинический
Таблица 1. Пределы активности воды (a w ) для роста основных болезнетворных организмов пищевого происхождения. *
Микроорганизм Минимальный Вт для роста Номер ссылки
Сальмонелла 0,945 Кристиан и Скотт, 1953 год
Clostridium botulinum 0. 95 Скотт, 1957 год
Clostridium perfringens 0,93 Канг и др., 1969
Золотистый стафилококк 0,86 ** Скотт, 1962
Vibrio parahaemolyticus 0,94 Беушат, 1974

* Эти ограничения являются самыми низкими из зарегистрированных, при всех остальных оптимальных условиях роста. Если другие условия менее оптимальны, минимальное значение a w будет выше.

** Троллер и Стинсон (1975) показали, что минимальное значение w для продукции токсина выше, чем для роста — 0,93 в их экспериментах.

Большинство бактерий не могут расти в пище или другой среде, где a w ниже 0,94. Бактериям требуется более высокое значение w , чем дрожжам, которые, в свою очередь, требуют более высокое значение w , чем плесени. Таким образом, любое состояние, которое снижает a w , сначала подавляет бактерии, затем дрожжи и, наконец, плесень (Elliott and Michener, 1965). Но у каждого вида есть свои пределы, которые взаимосвязаны с другими факторами роста. В таблице 2 приведены пределы роста основных болезнетворных организмов пищевого происхождения, содержащиеся в оптимальных условиях, a w .

Определенные плесени и бактерии могут расти на рыбе, погруженной в насыщенный солевой раствор, где a w составляет около 0,75. Некоторые плесневые грибки могут расти в пищевых продуктах с w 0,62–0,65 (Elliott and Michener, 1965). На этих нижних пределах рост идет очень медленно. A w полностью высушенных продуктов, таких как крекеры или сахар, составляет около 0.10 и такие продукты микробиологически стабильны только благодаря этому фактору. Стабильность кормов со средней влажностью (aw 0,75 — 0,90), таких как сухофрукты, джемы и мягкие влажные корма для домашних животных, зависит от сочетания факторов, таких как низкий a w , низкий pH, пастеризация, химические добавки и непроницаемость. упаковка.

pH

pH — это термин, используемый для описания кислотности или щелочности раствора. При pH 7 содержится равное количество кислоты (ион водорода: H +) и щелочи (ион гидроксила: OH-), поэтому раствор является «нейтральным».Значения pH ниже 7 являются кислыми, а значения выше 7 — щелочными. pH выражает концентрацию H + логарифмически, то есть кратно 10. Например, при pH 5 H + в 10 раз больше, чем при pH 6; при pH 3 H + в 100 раз больше, чем при pH 5, и так далее.

pH оказывает сильное влияние на рост микроорганизмов. Большинство бактерий лучше всего растут при pH около 7 и плохо или совсем не растут при pH 4. Следовательно, дрожжи и плесень преобладают в продуктах с низким pH, где бактерии не могут конкурировать.Исключение составляют молочнокислые бактерии; они могут расти в продуктах с высоким содержанием кислоты и фактически производить кислоту, которая дает нам кислое молоко, соленые огурцы, ферментированное мясо и подобные продукты. Некоторые штаммы, называемые Leuconostoc, придают апельсиновому соку неприятный привкус. Значения pH некоторых пищевых продуктов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Средние значения pH выбранных пищевых продуктов (Lopez, 1987)
Значение pH Избранные продукты
2,3 Лимонный сок (2.3), Клюквенный соус (2.3)
3,0 ревень (3,1)
яблочное пюре (3,4), вишня, RSP (3,4) 9 1970 ягод (3,0 — 3,9), квашеная капуста (3,5), персики (3,7), апельсиновый сок (3,7) 9 1970 абрикосы (3,8)
4,0 Капуста красная (4,2), груши (4,2) 9 1970 Помидоры (4,3)
4,6 Равиоли (4,6)
Пимиентос (4,7)
5,0 Спагетти в томатном соусе (4.9)
Инжир (5.0) Лук (5,2) 9 1970 Морковь (5,2) 9 1970 Зеленая фасоль (5,3), Фасоль со свининой (5,3) Спаржа (5,5), Картофель (5,5)
6.0 фасоль лима (5,9), тунец (5,9), тамалес (5,9)
треска (6,0), сардины (6,0), говядина (6,0) 9 1970 свинина (6,1), сгущенное молоко (6,1)
сосиски (6,2), курица ( 6,2) 9 1970 Кукуруза (6,3) 9 1970 Лосось (6,4)
7,0 Крабовое мясо (6,8), молоко (6,8)
Спелые оливки (6,9)
Мясо (7,0)

Самые низкие пределы pH для роста болезнетворных организмов пищевого происхождения показаны в таблице 3. Многие исследователи, сообщившие об этих значениях, также определили, что неблагоприятные факторы, такие как низкая температура или низкая активность воды, увеличивают минимальный pH для роста. Но процессор может быть уверен, что эти минимальные значения предотвратят рост этих патогенов при любых обстоятельствах.

Таблица 3. Минимальный минимальный уровень pH для роста основных болезнетворных организмов пищевого происхождения *
Микроорганизм Рост зарегистрирован на уровне, но не ниже Номер ссылки
Золотистый стафилококк pH 4.5
Сальмонелла 4,0 Чанг и Гепфер, 1970
Clostridium botulinum
Типы A и B 4,8 Национальная ассоциация канцеров, 1971a
Тип E 5,0 Национальная ассоциация канцеров, 1971a
Clostridium perfringens 5,0
Vibrio parahaemolyticus 4. 8 Беушат, 1973
Bacillus cereus 4,9 Ким и Гепфер, 1971 год

* Примечание. Эти ограничения являются самыми низкими из зарегистрированных, при всех остальных оптимальных условиях роста. Если другие условия менее оптимальны, предел pH будет выше.

Население

Высокая начальная бактериальная нагрузка увеличивает вероятность того, что порча произойдет в предельных условиях (Chung and Goepfert, 1970) (см. Рисунки 4 и 5).Этот факт имеет большое значение для переработчика охлажденных пищевых продуктов, срок годности которых увеличивается за счет хорошей санитарии. Высокий уровень спор также увеличивает вероятность того, что некоторые из них выживут и испортят продукты, подвергшиеся термической обработке.

Кислород

Кислород необходим для роста некоторых микроорганизмов; их называют аэробами. Другие не могут расти в его присутствии и называются анаэробами. Третьи могут расти как с кислородом, так и без него, и их называют микроаэрофильными. Строгие аэробы растут только на пищевых поверхностях и не могут расти в пищевых продуктах, хранящихся в жестяных банках или других герметично закрытых емкостях. Анаэробы растут только под поверхностью продуктов или внутри контейнеров. Аэробный рост быстрее анаэробного. Следовательно, в продуктах, в которых существуют оба условия, например, в свежем мясе, поверхностный рост очевиден, а подповерхностный рост — нет.

Рисунок 4. Влияние количества заражающих бактерий на порчу куриного мяса. (Ayres et.др., 1950)

Рис. 5. Влияние количества заражающих бактерий на время порчи куриного мяса. (Эйрес и др., 1950)

Смертельное воздействие температуры

Тепло — наиболее практичное и эффективное средство уничтожения микроорганизмов. Уменьшение количества микробных клеток происходит медленно, чуть выше максимальной температуры роста. Однако с повышением температуры уровень смертности заметно возрастает. Пастеризация, разрушение вегетативных клеток болезнетворных микроорганизмов, заключается в температуре 140 ° F в течение 30 минут или около 161 ° F в течение 16 секунд. Дрожжи, плесень и вегетативные клетки бактерий, вызывающих порчу, также погибают при температурах пастеризации. Чтобы сделать пищевые продукты коммерчески стерильными, необходима реторта, способная работать при температурах выше 212 ° F. Консервы обрабатывают определенные консервы при температуре 240 ° F или 250 ° F в течение значительного периода времени, иногда часа или более, в зависимости от продукта и размера банок. Коммерческая стерильность — это уничтожение и / или подавление организмов, имеющих значение для общественного здравоохранения, а также организмов, не имеющих значения для здоровья, которые могут испортить продукт.Микробиологи стерилизуют среду при 250 ° F (121 ° C) в течение 15 или 20 минут. Эти примеры иллюстрируют необходимость высоких температур и достаточного времени, чтобы убить популяцию бактерий.

В исследованиях термического разрушения, также называемых исследованиями времени термической смерти, логарифм числа выживших наносится в зависимости от продолжительности времени, в течение которого тестируемые культуры подвергаются воздействию данной температуры. Результатом обычно является прямая линия (рис. 6), хотя есть много исключений (Humphrey and Nickerson, 1961).Наклон этой линии становится более крутым с повышением температуры, указывая на то, что для уничтожения популяции при более высоких температурах требуется меньше времени. Также требуется больше времени, чтобы убить большую популяцию организмов, чем убить небольшую популяцию (Таблица 4).

Рисунок 6. Уменьшение количества бактериальных спор при воздействии смертельных температур (Williams et. Al., 1937)

Скорость термического разрушения выше у продуктов с высоким a w , чем у продуктов с низким a w (Calhoun and Frazier, 1966).Микробные загрязнители в сухих пищевых продуктах, таких как шоколад (Goepfert and Biggie, 1968) или сушеная костная мука (Riemann, 1968), трудно уничтожить с помощью тепла. Рекомендуемый процесс пастеризации для уничтожения сальмонеллы в жидком яичном белке перед замораживанием составляет 140 ° F (60 ° C) в течение 3,5 минут (USDA, 1969), тогда как для высушенного яичного белка — от 140 (60 ° C) до 158 ° F (70 ° C) в течение нескольких минут. дней (Banwart and Ayres, 1956). Риман (1968) смог убить сальмонеллу в мясокостной муке более легко при температуре 194 ° F (90 ° C) после добавления воды, чтобы довести a w до 0.90.

Таблица 4. Влияние размера исходной популяции спор на время разрушения. (Из Рида и Борера, 1961 г.)
Микроорганизм Споры (количество) Температура ° F (° C) Время разрушения (минуты)
Плоский кислый # 26 45 000 239 (115,9) 62–65
400 239 (115,9) от 25 до 28
Clostridium botulinum № 90 90 000 221 (105.8) 18-20
900 221 (105,8) 12 до 14

Споры Clostridium botulinum обладают высокой устойчивостью к термическому разрушению при активности воды от 0,2 до 0,4 (сухой жар) и гораздо менее устойчивы к теплу при активности воды выше этого диапазона. Это открытие может быть практичным для высокотемпературной кратковременной стерилизации сухим жаром (Национальная ассоциация консервных заводов, 1976a).

Другими факторами, влияющими на скорость термического разрушения бактерий, являются наличие или отсутствие органических веществ, масла или жира, pH, штамм организмов, качество доступных питательных веществ и возраст культуры.Как правило, бактерии погибают быстрее при более низких и более высоких значениях pH, чем в более нейтральных диапазонах. При переработке многих пищевых продуктов важным фактором является тщательный контроль pH.

Охлаждение до температур ниже диапазона роста, но выше нуля останавливает размножение, но убивает несколько клеток, за исключением чрезвычайно чувствительных организмов, таких как вегетативные клетки Clostridium perfringens. Замораживание убивает часть микробной популяции в течение нескольких часов, и хранение продолжает быть смертельным, но гораздо медленнее.Скорость сокращения населения зависит от вида пищи, как показано на Рисунке 7; наиболее быстрое падение аэробного подсчета на чашке («общего подсчета») произошло в апельсиновом соке, который является кислым продуктом. Споры бактерий умирают очень медленно, если вообще умирают, во время замораживания и хранения в замороженном виде. Например, вегетативные клетки Clostridium perfringens обычно все погибают, но споры выживают. Золотистый стафилококк и родственные ему организмы хорошо выживают, но в большинстве случаев существует широкий разброс чувствительности среди микроорганизмов, даже среди близкородственных видов (рис. 8).В любом случае замораживание не является надежным средством уничтожения микроорганизмов, поскольку некоторые клетки исходной популяции почти всегда выживают.

Рисунок 7. Влияние замороженного хранения на уровень бактерий в различных пищевых продуктах.

Рисунок 8. Выживаемость сальмонелл при хранении в замороженном состоянии.

Организмы-индикаторы

«Индикаторы» называются так потому, что их присутствие в пище в больших количествах означает одну из трех возможностей заражения: болезнетворные бактерии или грязь; брак или некачественная; или подготовка в антисанитарных условиях.

Подсчет аэробных чашек

Подсчет в аэробных чашках (APC) измеряет только ту фракцию бактериальной флоры, которая способна вырасти до видимых колоний в произвольных условиях теста, предусмотренных в отведенный период времени. Он не измеряет общую бактериальную популяцию в образце пищи, но является наилучшей оценкой. Изменение условий, таких как состав агаровой среды или температура инкубации, изменяет спектр организмов, которые будут расти. Необходимо строго придерживаться стандартных условий испытаний, которые побудили некоторых называть APC «стандартным подсчетом планшетов».”

В зависимости от обстоятельств высокий APC может указывать на грубое обращение с пищей или на то, что она содержит ингредиент низкого качества. Интерпретация зависит от знания нормального АПК для этой пищи. Аномальный APC указывает на то, что что-то вышло из-под контроля. Микробиолог часто может предложить эту причину, тем самым помогая санитарам. Вот некоторые из проблем, которые может выявить расследование высокого APC:

  • Несоблюдение операций сортировки, обрезки, мойки и уничтожения для надлежащего удаления или уничтожения бактерий из сырых ингредиентов.
  • Неадекватная термическая обработка.
  • Санитарное оборудование, особенно в конце технологического процесса.
  • Срок хранения продукта в холодильнике подошел к концу.
  • Продукт слишком долго хранился при комнатной температуре или выше.
  • Пища, по крайней мере, частично разложилась.

Колиформные бактерии

Колиформные бактерии представляют собой стержни, не образующие споры, которые в больших количествах встречаются в фекалиях человека и животных.Обычно они присутствуют в сырых продуктах животного происхождения, таких как мясо, молоко и яйца, а также естественным образом встречаются в почве, воде и поверхностях растений. Они чувствительны к нагреванию и быстро умирают во время бланширования или пастеризации. Большое количество колиформ после теплового процесса указывает на неприемлемую степень загрязнения после нагревания или указывает на температурно-временное злоупотребление пищей, достаточное для роста. Высокий уровень колиформ требует исследований для определения источника загрязнения или неправильного обращения с температурой.

Присутствие в пище Escherichia colia, члена группы кишечной палочки, обычно указывает на прямое или косвенное заражение фекалиями человека или животных. Хотя это может быть правдой в широком смысле, нельзя предполагать количественную связь между количеством кишечной палочки и степенью заражения фекалиями. E. coli хорошо растет вне тела животного и процветает в нечистом оборудовании для обработки пищевых продуктов.

Пищевое отравление

Болезни человека, вызываемые пищевыми микроорганизмами, обычно называют пищевым отравлением.Обычное использование единой классификации связано, прежде всего, со сходством симптомов различных болезней, связанных с пищевыми продуктами (см. Таблицу 5). Помимо болезней, вызванных пищевой аллергией или пищевой чувствительностью, болезни пищевого происхождения можно разделить на два основных класса: пищевая инфекция и пищевая интоксикация. Пищевая инфекция возникает при употреблении в пищу продуктов, зараженных патогенными, инвазивными бактериями пищевого отравления. Затем эти бактерии размножаются в организме человека и в конечном итоге вызывают болезнь. Пищевая интоксикация возникает после приема заранее сформированных токсичных веществ, которые накапливаются в процессе роста определенных типов бактерий в пищевых продуктах.

Период времени между употреблением зараженных пищевых продуктов и появлением болезни называется инкубационным периодом. Инкубационный период может составлять от менее одного часа до более трех дней, в зависимости от возбудителей или токсичного продукта.

Таблица 5. Характеристики основных бактериальных пищевых отравлений и пищевых инфекций. (NAS-NRC, 1975) *
Болезнь Этиологический агент Инкубационный период Признаки
Ботулизм Clostridium botulinum A.B.E.F токсин Обычно 1-2 дня; от 12 часов до более 1 недели Затруднение оттока, двоение в глазах, затруднение речи. Иногда тошнота, рвота и диарея на ранних стадиях. Запор и аномальная температура. Дыхание затрудняется, часто наступает смерть от паралича дыхательной мускулатуры.
Стафилококковое пищевое отравление Стафилоккальный энтеротоксин от 1 до 6 часов; в среднем 3 часа Тошнота, рвота, спазмы в животе, диарея и острая прострация.Температура ниже нормы во время острого приступа, позже может повыситься. Быстрое выздоровление — обычно в течение 1 дня.
Сальмонеллез Специфическое заражение Salmonella spp. В среднем около 18 часов; диапазон от 7 до 72 часов Боли в животе, диарея, озноб, лихорадка, частая рвота, прострация. Продолжительность болезни: от 1 дня до 1 недели.
Шигеллез (бациллярная дизентерия) Shigella sonnei, s. flexneri, s.dysenteriae, s. Boydii Обычно от 24 до 48 часов; диапазон от 7 до 48 часов Спазмы в животе, лихорадка, озноб, диарея, водянистый стул (часто содержащий кровь, слизь или гной), спазм, головная боль, тошнота, обезвоживание, прострация. Продолжительность: несколько дней.
Энтеропатогенная Инфекция Escherichia coli Escherichia coli серотипов, ассоциированных с инфекциями младенцев и взрослых Обычно от 10 до 12 часов; диапазон от 5 до 48 часов Головная боль, недомогание, лихорадка, озноб, диарея, рвота, боль в животе.Продолжительность: несколько дней.
Clostridium perfringens пищевое отравление Clostridium perfringens Обычно от 10 до 12 часов; диапазон от 8 до 22 часов Спазмы и диарея в животе, тошнота и недомогание, очень редко рвота. Обычно речь идет о мясных и птицеводческих продуктах. Быстрое восстановление.
Bacillus cereus пищевое отравление Bacillus cereus Обычно около 12 часов; диапазон от 8 до 16 часов Аналогично Clostridium perfringens отравление
Vibrio Parahaemolyticus пищевое отравление Vibrio Parahaemolyticus Обычно от 12 до 14 часов; диапазон от 2 до 48 часов Боль в животе, водянистая диарея, обычно тошнота и рвота, легкий жар, озноб и головная боль. Продолжительность: от 2 до 5 дней.

* Повторяется из раздела «Предотвращение микробных и паразитарных опасностей, связанных с обработанными пищевыми продуктами», страницы 6-7, с разрешения Национальной академии наук, Вашингтон, округ Колумбия.

Организмы пищевого происхождения

кишечная палочка

Некоторые штаммы E. Coli, обнаруженные в кале человека, сами по себе являются патогенными, вызывая инфекции и болезни. Их называют энтеропатогенной кишечной палочкой или ЕЕС. В одном обширном исследовании фекалий тех, кто занимается обработкой пищи (Hal and Hause, 1966), 6.4% рабочих являлись носителями организмов ЕЭС.

Золотистый стафилококк

S. aureus, обычно называемый «стафилококком», обычно присутствует на коже, слизистых оболочках, а также в прыщах и нарывах у людей и других животных. Он почти всегда присутствует в небольших количествах в сыром мясе и в продуктах, которые интенсивно обрабатываются руками человека. Штаммы пищевого отравления обычно происходят из человеческих источников. Пастеризация или приготовление пищи разрушает организм, но не его токсин.Пища, загрязненная стафилококками, может вызвать пищевое отравление после того, как эти организмы были уничтожены жарой.

Наличие стафилококка в приготовленной пище имеет два уровня значимости.

  1. Низкие числа (не более нескольких сотен на грамм) указывают на степень контакта с кожей человека или слизистой носа, перекрестное заражение от сырого мяса или выживших из более крупного населения.
  2. Высокие числа (100 000 или более на грамм) указывают на то, что бактериям было позволено расти в пище, что создает потенциальную серьезную опасность присутствия токсина.

Уберечь продукты от заражения стафилококками часто бывает трудно или невозможно. Таким образом, комбайн должен хранить продукты при температуре, исключающей рост стафилококка (см. Таблицу 1). Только во время роста стафилококк образует токсин. Эпидемиологическое расследование для определения источника возбудителя утомительно, но визуальный осмотр рук рабочих может оказаться полезным. Хорошо информированный санитарий также будет стремиться к изменению температуры и температуры пищевых продуктов, загрязненных стафилококком.

Национальный исследовательский совет Национальной академии наук перечислил следующие шаги по ограничению заболеваемости и уровня стафилококка в пищевых продуктах (NAS-NRC, 1975):

  1. Максимально сокращайте прямое и косвенное воздействие продуктов, особенно приготовленных, на человека. При необходимости использования используйте резиновые или пластиковые перчатки или продезинфицируйте руки. Людям с инфицированными порезами, ссадинами, фурункулами или прыщами никогда не следует трогать приготовленную пищу.
  2. Проверьте сырье и исключите производственные партии, содержащие высокие уровни S.aureus.
  3. Процесс уничтожения микроорганизмов.
  4. Устранение перекрестного загрязнения сырых и приготовленных продуктов.
  5. Храните приготовленную пищу не более 2–3 часов при температуре от 40 ° F до 140 ° F.

Контроль роста стафилококка в ферментированных продуктах, таких как сыр или колбасы, требует контроля ряда факторов обработки (см. NAS-NRC, 1975). Низкий pH, относительно высокий уровень молочнокислых бактерий, соли и нитрита помогают подавить образование токсинов.

Сальмонелла

Инфекция, вызванная сальмонеллой, или сальмонеллезом, почти всегда вызывается употреблением зараженной пищи или напитков.Заражение происходит из кишечного тракта людей или животных, являющихся носителями сальмонеллезных организмов. Большинство взрослых могут противостоять инфекции из нескольких клеток, но заболевают, проглатывая миллионы. Младенцы, пожилые люди и инвалиды намного более чувствительны и могут быть поражены некоторыми клетками сальмонеллы. После выздоровления жертва может оставаться носителем в течение периода от недели до постоянного проживания.

Домашние животные, такие как собаки, домашние птицы, свиньи, лошади, овцы и крупный рогатый скот, являются переносчиками этих патогенов. На момент убоя носители не проявляют внешних симптомов болезни. Пока на бойни продолжают поступать носители сальмонеллы на убой, заражение готового сырого мяса сальмонеллой неизбежно. Даже при явно удовлетворительных санитарных условиях процедуры убоя и разделки могут распространять следы фекалий от животного-носителя на впоследствии убитых животных посредством оборудования, воды и контакта рук (NAS-NRC, 1969).

Сальмонеллу часто обсуждают, как если бы это был единый организм.Фактически в пределах рода Salmonella идентифицировано более 1300 серотипов. Все они довольно чувствительны к теплу, поэтому свежепастеризованные или приготовленные продукты не попадают в организм (USDA, 1966). Основные пути его попадания в готовую пищу — это перекрестное заражение от сырых пищевых продуктов или животных (через руки, оборудование, воздух, вода), повторное заражение от людей-носителей или грубое недогревание. Регулирующие органы незамедлительно возбуждают аресты, отзыва и другие судебные иски против продуктов и фирм, поставляющих обработанные пищевые продукты, зараженные сальмонеллой.

Сухие и полусухие ферментированные колбасы редко вызывают пищевые заболевания. Однако недавние исследования Министерства сельского хозяйства США показали, что сальмонелла может выжить в процессе ферментации и сушки (Смит и др., 1975). Сальмонелла в натуральных оболочках животных также переживает короткие периоды засолки, но погибает быстрее в кислых или щелочных оболочках (Gabis and Silliker, 1974).

Сальмонелла также может расти вне тела животного при благоприятных условиях. По этой причине он появился в самых разных продуктах питания и кормах, в дополнение к продуктам из мяса и птицы.Некоторые из них — пивные дрожжи, кокосовое мясо, краситель кошенили, сушеные или замороженные яйца, лапша, заварной крем, сушеные корма для животных, хлопковая мука, конфеты, шоколад, сухое молоко, рыба и моллюски, выпечка с кремовой начинкой, колбасные оболочки и арбузы. . NAS-NRC (1969-1975) дал обширные рекомендации по оценке, контролю и искоренению проблемы сальмонеллы.

Costridium botulinum

C. botulinum вызывает редкое, но часто смертельное заболевание, называемое ботулизмом. Это вызвано нейротоксином, который вырабатывается во время роста в отсутствие воздуха.За исключением детского ботулизма, неповрежденные споры безвредны. У младенцев, глотающих споры, обычно содержащиеся в меде, развиваются симптомы ботулизма. Ботулизм обычно возникает после приема пищи, содержащей предварительно сформированный токсин, но иногда организм заражает раны, образуя токсин в мышцах жертвы. Существует семь типов C. botulinum (от A до G), четыре из которых (A и B, связанные с мясом и овощами, E, морская среда и F) вызывают заболевания человека. Только однажды сообщалось, что тип C вызывает заболевание человека.Тип G — новое, не полностью изученное открытие (Schmidt, 1964, USPHS, 1974).

К счастью, токсины, независимо от их типа, обладают очень низкой устойчивостью к нагреванию и инактивируются при кипячении в течение 10 минут. Таким образом, все свежеприготовленные, но правильно приготовленные продукты безопасны (Riemann, 1973). Все штаммы C. botulinum могут образовывать споры, которые проявляют различную устойчивость к нагреванию. Споры типов A и B обладают высокой устойчивостью. Споры типа E погибают за доли минуты при 212 ° F (Perkins, 1964). Консервная промышленность под техническим руководством Национальной ассоциации производителей пищевых продуктов (бывшая Национальная ассоциация производителей консервов) установила время и температуру автоклавирования, необходимые для обеспечения коммерческой стерильности консервов с низким содержанием кислоты (NCA, 1968, 1971b, 1976b). .NFPA также подало в FDA первоначальную петицию, которая в конечном итоге была преобразована в правила GMP для консервов с низким содержанием кислоты.

Споры ботулина широко распространены в почвах. Тип А преобладает в западных штатах и ​​в Новой Англии; тип B, в восточных и южных штатах. Тип E обычно ассоциируется с морской или пресной водой во всем мире и является психротропным (Riemann, 1973). Тип F был изолирован слишком редко, чтобы установить его характер распределения (Eklund et. др., 1967).

C. botulinum не растет ниже pH 4,8. Следовательно, ботулизм вызывает беспокойство только в продуктах с низким содержанием кислоты, которые определяются как продукты с конечным равновесным pH выше 4,6. Большинство вспышек происходит из-за домашних консервов из овощей, мяса, рыбы и перезрелых фруктов (USPHS, 1974).

Консервы вяленые содержат соль и нитрит. Консерванты защищают от разрастания спор ботулина, которые могли пережить минимальную обработку, часто при кипячении или ниже (Halvorson, 1955; Ingram and Hobbs, 1954; Pivnick et.др., 1969).

Было зарегистрировано 34 вспышки ботулизма типа E среди рыбных продуктов, приготовленных в США и Канаде (Lechowich, 1972). Большинство из них были копчеными или слабосолеными. FDA выделило ботулинический тип B, E и F из пастеризованного мяса синего краба (Kautter et. Al., 1974). NAS-NRC (1975) рассмотрел меры по минимизации возможности вспышек копчения рыбы, а FDA опубликовало правила, предназначенные для борьбы с этой проблемой (FDA, 1970).

Clostridium perfringens

с.perfringens — спорообразующий организм, который, как и ботулин, растет только при отсутствии воздуха. Лучше всего он растет в блюдах из мяса или птицы, тушеных блюдах или подливках, хранящихся в тепле. Такие продукты соответствуют его строгим требованиям к питанию, а температура выдержки до 122 ° F способствует их росту. Сами по себе споры безвредны, но вегетативные клетки, которые могут вырасти в огромных количествах в этих продуктах, образуют споры в кишечном тракте жертвы. Во время процесса споруляции остатки вегетативных клеток растворяются, высвобождая яд, вызывающий болезнь.

Вегетативные клетки, вызывающие заболевание, очень нежные. Их можно уничтожить или уменьшить до безопасного низкого уровня путем приготовления или замораживания. Споры широко распространены в природе и в небольшом количестве присутствуют в различных продуктах питания (Hall, Angelotti, 1965; Strong et. Al., 1963). Они встречаются в кале, почве, пыли, воде, морских отложениях, сырой пище и даже приготовленной пище.

Отравление C. perfringens — проблема, характерная для пищевой промышленности. Только правильный контроль температуры предотвращает проблему.Хорошее практическое правило — держать готовые к употреблению влажные продукты при температуре ниже 40 ° F или выше 140 ° F. Злоупотребление временем-температурой — серьезная опасность для здоровья. Поскольку споры повсюду, эпидемиологическое исследование штаммов для определения источника спор является относительно бесполезным занятием. Однако, если серологические тесты показывают, что те же самые типы присутствуют в пище и фекалиях жертвы, определенное блюдо может быть инкриминировано. К сожалению, биологические материалы (антисыворотки) для этой цели пока отсутствуют в продаже.Таким образом, определение наличия большого количества клеток C. perfringens остается наиболее подходящим исследовательским тестом.

Bacillus cereus

B. cereus — спорообразующий организм, который растет в присутствии кислорода и широко распространен в большинстве сырых продуктов. Поскольку споры выдерживают кипячение в течение нескольких минут, они остаются жизнеспособными в приготовленной пище в небольшом количестве. Организм плохо конкурирует с другими бактериями в сырой пище, но во влажных, приготовленных блюдах, нагретых до температуры (до 122 ° F), он вырастает до миллионов на грамм за несколько часов.В этих условиях пища становится ядовитой. B. cereus хорошо растет в самых разных готовых продуктах, таких как мясо, птица, соусы, пудинги, супы, рис, картофель и овощи. Заболевание аналогично таковому перфрингенсу (см. Таблицу 5), хотя механизм заболевания неизвестен. У взрослых симптомы довольно легкие, но маленькие дети могут серьезно заболеть. В большинстве случаев пострадавшие быстро выздоравливают и не обращаются за медицинской помощью. Таким образом, регистрируются только крупные вспышки, и они становятся частью статистической записи.

Подобно C. perfringens, B. cereus в первую очередь вызывает озабоченность в сфере общественного питания. Надлежащий контроль — поддерживать горячую пищу в горячем состоянии (более 140 ° F), а холодную — в холодной (до 40 ° F). Эпидемиологическое исследование штаммов для определения источника спор также оказывается бесполезным.

Vibrio parahaemolyticus

V. parahaemolyticus — это не образующий спор, слегка изогнутый стержень, тесно связанный с организмом, вызывающим холеру. Он широко распространен и растет в солоноватых водах, эстуарных отложениях, сырой рыбе и моллюсках по всему миру.Он хорошо конкурирует с организмами порчи при температуре 41 ° F и выше. В наибольшем количестве это происходит летом, когда более высокие температуры вызывают быстрый рост.

V. parahaemolyticus — основная причина пищевых отравлений в Японии, где регулярно употребляется сырая рыба. В других местах заболевание встречается реже, поскольку организм быстро умирает во время пастеризации или приготовления пищи. Тем не менее, приготовленные морепродукты могут быть повторно загрязнены водой или сырыми морепродуктами. Первые подтвержденные вспышки в США произошли в 1971 и 1972 годах от мяса крабов, креветок и лобстеров. Во время одной вспышки в Японии 22 человека умерли, еще 250 заболели.

Патогенность организма человека определяется путем его культивирования на специальной среде — соляном агаре, содержащем кровь человека. Если организм может расти и разрушать клетки крови в этой среде, так называемый тест Канагавы, он помечается как «положительный по Канагаве» и считается способным вызывать заболевание человека. Японцы обнаружили, что около 1% штаммов V. parahaemolyticus из прибрежных вод являются положительными в Канагаве (Sakazaki et.др., 1968). С другой стороны, Twedt et. al. (1970) сообщили, что до 90% штаммов из устьевых вод США являются положительными по Канагаве. Однако значение теста Канагавы до конца не изучено.

Чтобы снизить частоту этих вспышек, рыбная промышленность должна:

  • Храните сырые морепродукты при температуре 40 ° F или ниже;
  • Тщательно храните приготовленные морепродукты отдельно от сырых морепродуктов, морской воды, антисанитарного оборудования и нечистых контейнеров; и
  • Храните приготовленные морепродукты при температуре ниже 40 ° F или выше 140 ° F
Листерия

До 1980-х годов большинство проблем, связанных с болезнями, вызываемыми Listeria, касалось крупного рогатого скота или овец. Ситуация изменилась со вспышками заболеваний, связанных с пищевыми продуктами, в Новой Шотландии, Массачусетсе, Калифорнии и Техасе. В результате широкого распространения в окружающей среде, способности выживать в течение длительного времени в неблагоприятных условиях и способности расти при низких температурах, листерия теперь признана важным патогеном пищевого происхождения.

Люди с ослабленным иммунитетом, такие как беременные женщины или пожилые люди, очень чувствительны к вирулентным листериям. Listeria monocytogenes — это наиболее патогенный вид, вызывающий листериоз.У людей попадание бактерий в организм человека может сопровождаться гриппоподобным заболеванием, или симптомы могут быть настолько легкими, что остаются незамеченными. Может развиваться носительское состояние.

После инвазии макрофагов вирулентные штаммы Listeria могут размножаться, что приводит к разрушению этих клеток и септицимии. В это время организм имеет доступ ко всем частям тела. У здоровых взрослых смерть наступает редко; тем не менее, уровень смертности может составлять около 30% у людей с ослабленным иммунитетом, новорожденных или очень молодых.

Как упоминалось ранее, Listeria monocytogenes представляет собой особую проблему, поскольку может выжить в неблагоприятных условиях.Он может расти в диапазоне pH 5,0-9,5 в хорошей питательной среде. Организм пережил среду pH 5 творога и созревающего чеддера. Это солеустойчивые выживающие концентрации до 30,5% в течение 100 дней при 39,2 ° F. Но только 5 дней при температуре 98,6 ° F.

Ключевым моментом является то, что температура охлаждения не останавливает рост листерий. Он способен удваиваться каждые 1,5 дня при температуре 39,2 ° F. Поскольку высокая температура, превышающая 175 ° F, инактивирует организмы Listeria, постобработка загрязнения из источников окружающей среды становится критически важной контрольной точкой для многих пищевых продуктов.

Yersinia enterocolitica

Несмотря на то, что Yersinia enterocolitica не является частой причиной заражения людей в США, она часто вызывает болезни с очень серьезными симптомами. Иерсиниоз, инфекция, вызываемая этим микроорганизмом, чаще всего протекает в форме гастроэнтерита. Наиболее сильно страдают дети. Симптомы псевдоапендицита привели к множеству ненужных аппендэктомий. Смерть случается редко, и выздоровление обычно занимает 1-2 дня. Артрит был определен как нечастое, но серьезное последствие этой инфекции.

Y. enterocolitica обычно присутствует в пищевых продуктах, но, за исключением свинины, большинство изолятов не вызывают заболеваний. Как и листерия, этот организм может расти при низких температурах. Он чувствителен к теплу (122 F, хлорид натрия (5%) и кислотности (pH 4,6), и обычно инактивируется условиями окружающей среды, которые убивают сальмонеллы.

Campylobacter jejuni

C. jejuni был впервые выделен из стула человека в 1971 году. С тех пор он постоянно получал признание в качестве болезнетворного организма человека.

Энтерит, вызванный C. jejuni, в основном передается от продуктов животного происхождения к человеку в развитых странах. Однако в развивающихся странах преобладает фекальное загрязнение продуктов питания и воды, а также контакт с больными людьми или животными.

Несмотря на то, что молоко чаще всего во всем мире считается переносчиком Campylobacter, можно ожидать, что в будущих исследованиях птица, продукты и мясо (говядина, свинина и баранина) будут идентифицированы как основные резервуары и средства передвижения.

C. jejuni быстро погибает при комнатной температуре и атмосфере и плохо растет в пище.

Принципы зоотехники будут играть важную роль в борьбе с этим вездесущим организмом. Гигиенические процедуры убоя и обработки предотвратят перекрестное загрязнение, в то время как адекватное охлаждение и аэрация вызовут снижение микробной нагрузки. Кроме того, тщательное приготовление продуктов из мяса и птицы с последующим надлежащим хранением должно способствовать сохранению целостности пищевых продуктов и уменьшению загрязнения.

Микотоксины

Микотоксины — это вредные побочные продукты плесени, которые растут на пищевых продуктах и ​​кормах. Они веками вызывали тяжелые болезни и смерть животных. Впервые они привлекли внимание современных ученых в 1960 году, когда в Англии погибло 100 000 индюшат, которые съели арахисовую муку из Африки и Южной Америки. Позже было показано, что вовлеченные микотоксины являются афлатоксинами, группой тесно связанных органических соединений, которые могут вызывать острые заболевания и смерть. Вдохновленные этими первыми открытиями и исследованиями в области антибиотиков, исследователи обнаружили десятки штаммов плесени, которые продуцируют самые разные микотоксины, поражающие животных.В настоящее время выявлено около 60 токсинов. Из них лишь некоторые были признаны загрязнителями пищевых продуктов. Эти числа, вероятно, будут увеличиваться по мере продолжения исследований микотоксинов и улучшения методов идентификации.

Исторически микотоксины были связаны с отравлением человека и даже смертью. Спорынья — один из первых микотоксинов, поражающих человека. Он образуется плесенью, растущей на зернах злаков. Отравление спорыньей произошло в долине Рейна в 857 году, и с тех пор о нем неоднократно сообщалось.Самая последняя вспышка болезни произошла в 1951 году на юге Франции. Многие россияне погибли во время Второй мировой войны, поедая заплесневелые зерна. Японцы сообщили о токсичности для человека от употребления заплесневелого риса; болезнь вызвала серьезное повреждение печени, кровотечение и несколько смертельных случаев (Mirocha, 1969).

Хотя такие инциденты случаются редко, есть свидетельства того, что низкие уровни афлатоксинов в рационе способствуют развитию рака печени у людей. Обширные лабораторные исследования также показали, что даже при очень низких диетических уровнях афлатоксин может вызывать рак печени у крыс, мышей, обезьян, уток, хорьков и радужной форели.Эпидемиологические исследования в Юго-Восточной Азии и Африке связывают высокую заболеваемость раком печени человека с уровнем афлатоксина до 300 частей на миллиард (частей на миллиард) в 20% основных пищевых продуктов и от 3 до 4 частей на миллиард в 7% пищевых продуктов. В одном географическом районе 95% кукурузы и 80% арахиса содержали афлатоксин в среднем на уровне 100 частей на миллиард.

Хотя прямых доказательств того, что афлатоксины вызывают рак печени человека в Соединенных Штатах, нет, FDA обеспокоено влиянием длительного низкого уровня потребления известного высококанцерогенного вещества в наших пищевых продуктах. В 1965 году FDA установило неофициальный допуск уровня действия дефектов в 30 частей на миллиард для арахиса и арахисовых продуктов. С улучшением практики сбора, хранения и сортировки, разработанной Министерством сельского хозяйства США и промышленностью, уровень загрязнения афлатоксинами постепенно снижался, а FDA снизило уровень неофициальных действий до 20 ppb в 1969 году. FDA предложило в Федеральном реестре от 6 декабря 1974 года правило, устанавливающее допуск на 15 частей на миллиард для общего содержания афлатоксинов в очищенном арахисе и арахисовых продуктах, используемых в пищу для человека.Сегодня пределы составляют 0,5 частей на миллиард для молока, 20 частей на миллиард для пищевых продуктов и 100 частей на миллиард для кормов.

Плесень, образующая микотоксины, может присутствовать на любой пище, не разогретой в закрытом контейнере. Следовательно, следует предположить, что они присутствуют и способны продуцировать токсин, если позволяют условия. Но обнаружение токсигенной плесени в пище не означает, что она содержит микотоксин. И наоборот, отсутствие видимого роста плесени, продуцирующей афлатоксин, не означает, что токсин отсутствует, поскольку афлатоксины могут продуцироваться при небольшом видимом росте плесени.

Есть несколько способов определить, вырабатывает ли плесень в пищевых продуктах, подвергшихся злоупотреблениям, микотоксины. Пищу можно хранить с ее естественно загрязняющими плесневыми грибами или инокулировать токсигенным штаммом и хранить до тех пор, пока плесень не разовьется. Затем пищу можно проверить на наличие или отсутствие токсина. Такие эксперименты продемонстрировали, что плесневые грибки производят микотоксины на большом количестве зерен и семян злаковых, сухих бобах и фруктах, специях, орехах и вяленом мясе. Как и бактерии, плесневые грибки нуждаются в влажности, температуре и питательных веществах для оптимального роста и выработки токсинов.В большинстве случаев первоначальное заражение плесенью происходит на полях до или во время сбора урожая. Рост плесени во время хранения продолжается, если влажность и температура хранения остаются высокими.

Афлатоксин был обнаружен во всем мире в кукурузе, ячмене, копре, маниоке, специях, сухом молоке, древесных орехах, семенах хлопка, арахисе, рисе, пшенице и зерновом сорго. В США он был обнаружен в кукурузе, инжир, зерновом сорго, хлопковых семенах, арахисе и некоторых древесных орехах.

Для контроля уровня афлатоксина в грецких орехах и орехах пекан промышленность полагается на электронные и визуальные методы сортировки, а также продувку и вакуумирование.Операторы кукурузных мельниц используют ультрафиолетовый («черный») свет высокой интенсивности для обнаружения возможного загрязнения афлатоксинами. Обжарка снижает уровень афлатоксина в некоторых случаях до 50% (Escher et. Al., 1973).

Универсальное решение проблемы — устранение условий, которые способствуют росту плесени, когда это возможно, и тем самым предотвращение образования микотоксинов. В некоторых случаях (кукуруза, арахис) рост плесени и образование токсинов происходит до сбора урожая. Зерна кукурузы, поврежденные насекомыми и птицами, очень восприимчивы; поэтому борьба с этими вредителями поможет облегчить проблемы с плесенью. Для большинства восприимчивых пищевых продуктов критический период наступает сразу после сбора урожая, во время хранения и начальной сушки, когда содержание влаги достаточно велико, чтобы допустить рост плесени.

Порча

Самая распространенная микробиологическая проблема, с которой сталкивается пищевая промышленность, — это простая порча бактериями, дрожжами или плесенью, которые не опасны для здоровья. Охлаждение замедляет порчу; правильное замораживание, сушка, консервирование и травление полностью останавливают его. Охлажденные продукты должны быть доставлены потребителю до того, как порча микроорганизмами сделает их непригодными для употребления.Проблемы порчи в других процессах возникают только при отклонении от установленных технологий. Приняв соответствующие меры предосторожности, можно значительно снизить вероятность порчи продукта и продлить срок его хранения.

Охлажденные продукты

Популярность охлажденных / охлажденных продуктов растет с удивительной скоростью. Большинство из этих продуктов удобны в использовании и имеют имидж «близкий к свежему». Некоторые из этих продуктов частично готовятся или обрабатываются перед охлаждением.Это тепло снижает микробную популяцию, но не делает ее «коммерчески стерильной». Из-за этого охлажденные продукты имеют ограниченный срок хранения. На это влияет температура и жестокое обращение со стороны клиентов.

Охлажденные продукты находятся в наших магазинах уже много лет. Такие продукты, как молоко, сыр, йогурт и другие молочные продукты, печенье и бисквитное тесто, яйца, салаты и мясные продукты, обычно можно найти в холодильных камерах или гастрономах. Оптимальная температура хранения — 33 ° F. или как можно ближе к замерзанию.Тем не менее, большинство холодильных шкафов имеют температуру около 45 или даже 45 ° F. Такое колебание температуры сокращает срок хранения продуктов и может привести к проблемам, имеющим значение для общественного здравоохранения.

Комитет по охлажденным пищевым продуктам и микробиологическим критериям Национальной ассоциации производителей пищевых продуктов опубликовал документ «Соображения безопасности для охлаждаемых пищевых продуктов нового поколения» в январском выпуске журнала «Dairy and Food Sanitation» за 1988 год. Многие из пунктов, рассмотренных в этом разделе, были взяты из этой статьи.

Необходимо учитывать несколько важных моментов при подготовке, обращении и распределении. Прежде всего, всегда предполагайте, что в пищевом продукте присутствуют патогенные организмы. Во-вторых, низкие температуры могут замедлить или предотвратить размножение большинства патогенных микроорганизмов, но некоторые из них будут продолжать размножаться (психротрофы). Психротропные патогены включают Yersinia enterocolitica, Listeria monocytogenes, непротеолитические штаммы C. botulinum, некоторые штаммы энтеротоксигенной E. coli и Aeromonas hydrophilia.Несколько других болезнетворных организмов пищевого происхождения, способных расти при температуре чуть выше 41 ° F, включают: Vibrio parahemolyticus; Bacillus cereus; Золотистый стафилококк и некоторые штаммы сальмонелл. В-третьих, производителям следует ожидать некоторого температурного воздействия на продукты питания во время хранения и распределения; это включает обработку на уровне потребителя.

Последние два пункта относятся к маркировке. Заявление «Хранить в холодильнике» должно быть видным на этикетке продукта и снаружи коробки.Кроме того, на этих продуктах должна быть указана дата «Продать до» или «Использовать до». Это поможет переработчикам контролировать свой продукт, но не является гарантией от проблем. Если запас не повернут должным образом, устаревший продукт все равно будет удален.

Переработчик охлажденных пищевых продуктов должен включать как можно больше процедур, которые помогут снизить микробную популяцию и минимизировать воспроизводство. Некоторые из этих методов обработки включают: нагревание, подкисление, консерванты, снижение активности воды и упаковку в модифицированной атмосфере.Несмотря на то, что модифицированная атмосфера включена в качестве потенциального барьера, необходимо отметить, что атмосфера с пониженным содержанием кислорода может фактически способствовать анаэробным патогенам. Для многих продуктов модифицированная атмосфера действительно способствует повышению качества продукта, а не безопасности.

Одним из примеров продукта, который успешно использует принцип множественных барьеров, является пастеризованный сырный спред. В продукте используется сочетание пониженной активности воды (добавление соли и фосфатов) и мягкой термической обработки для устранения неспорообразующих патогенов и подавления роста спорообразующих патогенных микроорганизмов.

Любой производитель, который рассматривает возможность сбыта охлажденных пищевых продуктов, должен иметь обширные исследования срока годности, проводимые людьми, обладающими знаниями в области микробиологии пищевых продуктов.

Консервы

Срок годности консервов обусловлен уничтожением микроорганизмов, способных к росту внутри контейнера при нормальном обращении и хранении. Для достижения этой оптимальной ситуации консервным предприятиям следует:

  • Соблюдайте правила GMP для продуктов с низким содержанием кислоты.
  • Уменьшите уровень спор в пище, поддерживая программу санитарии, особенно для бланшировщиков и в других местах, где процветают термофильные спорообразователи, а также путем мониторинга ингредиентов на предмет спорообразующих бактерий. Как правило, пища с высоким содержанием спор требует большего времени и / или температуры в автоклаве при тех же или аналогичных операциях (Рисунок 6 и Таблица 4). Процесс, одобренный обрабатывающим органом, должен быть зарегистрирован в FDA для каждого малокислотного и подкисленного продукта питания, продаваемого в США. При одинаковом времени и / или температуре выдержки вероятность порчи будет выше в консервированных продуктах с высоким начальным количеством спор. уровень, когда все остальные факторы одинаковы (Таблица 6).
  • Соблюдайте надлежащие санитарные меры и методы обращения с контейнерами во время охлаждения контейнера и периода постохлаждения.Также важно быстро охладить обработанные нагреванием контейнеры до температуры примерно 100 ° F (38 ° C), поскольку термофильный рост может произойти с низким количеством спор, если контейнеры штабелируются или закрываются в горячем состоянии.
  • Поддерживайте хорошие швы на банках и плотно закрывающиеся крышки на стеклянных контейнерах путем регулярного контроля и тестирования.
Таблица 6. Влияние уровня плоско-кислых спор на частоту порчи овощных консервов. (Рид и Борер, 1961).
Товар Споры в банке до обработки (количество) Частота брака (в процентах) *
Горох консервированный 2160 0
13 000 66
Консервированная кукуруза 900 16.7
38 000 100

* После инкубации обработанных банок при 130 ° F (54,4 ° C)

Сухие продукты

Сухие продукты не портятся под действием микробов, если они достаточно высушены. Большинство продуктов требует естественной или искусственной сушки, прежде чем они станут стабильными. Добавление сахара или соли, как в цукатах или соленой рыбе, служит той же цели, поскольку влага становится недоступной для использования микроорганизмами. Подходящим термином для обозначения доступности воды для микроорганизмов является активность воды (a w ).

Хотя микроорганизмы не могут расти на сухих кормах, те, которые выживают в процессе сушки, остаются живыми в течение длительного времени. Они быстро возобновляют свою деятельность после регидратации. В неблагоприятных условиях хранения, позволяющих воде проникать в продукт, плесень обычно растет первой из-за более широкого диапазона толерантности к w (Watson and McFarlane, 1948), а также меньшей конкуренции со стороны других организмов.

Ферментированные и маринованные продукты

Ферментированные и маринованные пищевые продукты обязаны своей стабильностью микробному развитию органических кислот молочными бактериями или добавлению таких кислот в пищевые продукты, особенно в присутствии относительно высокого уровня соли. Порча может произойти либо в период ферментации, либо при хранении конечного продукта. Ферментация может закончиться неудачей, если бактериофаг атакует закваску, если температура неподходящая или количество сбраживаемых углеводов недостаточное.

Для предотвращения порчи в период брожения:

  1. Добавьте молочнокислые бактерии в качестве закваски. Храните закваску в чистой культуре, чтобы устранить бактериофаг.
  2. Добавьте ферментируемый углевод или органическую кислоту.
  3. Поддерживайте уровень соли на достаточно высоком уровне, чтобы подавить рост бактерий, вызывающих порчу, и позволить более солеустойчивым молочным продуктам расти.
  4. Контролируйте температуру для лактации.

Для уменьшения или устранения порчи при хранении маринованных или ферментированных продуктов:

  1. Добавьте химические консерванты, такие как бензоаты, сорбаты или пропионаты, подходящие для продукта и приемлемые для регулирующих органов.
  2. Пастеризуйте продукт, если это возможно, для уничтожения или подавления микроорганизмов, вызывающих порчу.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *