Адсорбция бактерий почвой и её эпидемиологическое значение

Â.Í. ÊÈÑËÅÍÊÎ
АДСОРБЦИЯ БАКТЕРИЙ ПОЧВОЙ 
И ЕЕ ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКОЕ
ЗНАЧЕНИЕ
МОНОГРАФИЯ
 
Москва
ИНФРА-М
2020

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1
УДК 579(075.4)
ББК 28.4
 
К44
Р е ц е н з е н т ы: 
Донченко А.С., научный руководитель Сибирского федерального научного центра  агробиотехнологий РАН, академик РАН;
Цыдыпов В.Ц., доктор ветеринарных наук, профессор, заслуженный 
деятель науки РФ
Кисленко В.Н.
К44 
 
Адсорбция бактерий почвой и ее эпидемиологическое значение : 
монография 
/ 
В.Н. 
Кисленко. 
— 
Москва 
: 
ИНФРА-М, 
2020. 
— 
156 
с. 
— 
(Научная мысль). — DOI 10.12737/monography_5a0d4f841f3522.
03397889.
ISBN 978-5-16-013499-4 (print)
ISBN 978-5-16-106226-5 (online)
В монографии рассмотрены общие закономерности адсорбции, в том 
числе адсорбции микроорганизмов на твердых поверхностях. Представлены современные данные о физиологических и физических явлениях, 
происходящих в процессе адсорбции бактерий почвой. Исследованы закономерности адсорбции отдельных видов бактерий, основанные на физических и химических явлениях. Показана эффективность адсорбента — 
цеолита в коррекции микробиоза кишечника кур и эпидемиологическая 
роль адсорбции патогенных микроорганизмов почвами. 
Книга адресована специалистам в области микробиологии и студентам 
биологических и медицинских факультетов университетов.
УДК 579(075.4)
ББК 28.4
©  Кисленко В.Н., 2018
ISBN 978-5-16-013499-4 (print)
ISBN 978-5-16-106226-5 (online)
Оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru
Подписано в печать 18.09.2019. 
Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. 
Печать цифровая. Усл. печ. л. 9,75.
ППТ20. Заказ № 00000
ТК 672225-1060939-121217
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

ВВЕДЕНИЕ
Внимание исследователей привлечено к вопросу о возможности размножения патогенных микроорганизмов, следовательно, и обитания их
в окружающей среде. Большую роль при этом сыграли факты, полученные при изучении поведения в объектах окружающей среды таких микроорганизмов, как B. anthracis, иерсиний, лептоспир, листерий, псевдомонад, легионелл, сальмонелл, микобактерий, эризипелоидов и др. Построенные на новых данных обобщения способствовали возврату в эпидемиологию представлений об особой группе инфекций, названных
В.И. Терских (1958) сапронозами. 
Поскольку вероятность размножения некоторых патогенных бактерий в окружающей среде не вызывает в настоящее время сомнений, возникают естественные вопросы: как они могут размножаться в столь различных условиях обитания, включающих организмы теплокровных животных и человека, с одной стороны, и объекты окружающей среды – 
с другой; какие генетико-биохимические механизмы определяют столь
большие адаптационные возможности бактерий, такую широкую их метаболическую пластичность? 
Долгое отсутствие внимания к этой проблеме объясняется тем, что
она находится в междисциплинарной сфере, стоит между общей и медицинской микробиологией. Общая микробиология, занимаясь сапрофитами, обитающими в холодных водах и почвах Земли, детально изучала
их психрофилию, но, естественно, не уделяла внимания психрофильности патогенных микробов. Медицинская и ветеринарная микробиология
глубоко изучили взаимоотношения патогенных микробов с организмом
человека и животных, но почти не занимались вопросами обитания их
в окружающей среде, поскольку вообще отрицалась их способность размножаться в ней.  
В последние годы все чаще высказывается мысль, что наиболее типичные возбудители сапронозов – свободно живущие почвенные и водные микроорганизмы. В этой связи особый интерес представляют так
называемые условно-патогенные микроорганизмы: к возрастающей их
роли в инфекционной патологии животных сегодня приковано внимание многих специалистов.  
Синтез данных многих исследователей из разных научных дисциплин, результаты собственных исследований позволяют широко и глубоко освещать экологию патогенных микроорганизмов, демонстрируя новую теоретическую позицию, интересную и полезную не только для
студентов, но и для специалистов в области микробиологии, экологии
и эпидемиологии. 
Из истории изучения экологии патогенных микроорганизмов
В развитии экологии патогенных микроорганизмов можно наметить
ряд этапов, которые характеризовались обостренным интересом к тем
или иным аспектам экологии микробов.  
3

Только во второй половине прошлого века началось активное обсуждение вопроса о существовании видов бактерий, приуроченных к определенным условиям обитания и способных осуществлять определенные
процессы.  
Без признания реальности существования видов у бактерий говорить
об их экологии было бы бессмысленно. 
В области экспериментальной бактериологии основная роль в борьбе
с идеями плеоморфизма принадлежала Л. Пастеру, открывшему специфичность возбудителей брожений, и Р. Коху, доказавшему строгую специфичность возбудителей болезней. Большое значение имели также исследования С.Н. Виноградского, показавшие отсутствие плеоморфизма
у серобактерий. 
Уже в конце XIX века наметился ряд направлений исследований
в области экологической бактериологии. Выделились почвенная, пресноводная и морская микробиологии, направления, связанные с изучением взаимоотношений микроорганизмов, и т.д. К сожалению, нередко
эти дисциплины развивались без необходимых контактов друг с другом; 
медицинская и санитарная микробиология развивались независимо от
общей микробиологии, а последняя нередко совершенно игнорировала
результаты, полученные в медико-биологических исследованиях. Это
отчасти оправдывалось различиями в методологических подходах разных наук. В настоящее время наблюдается тенденция к интеграции отдельных дисциплин, прежде всего на базе достижений молекулярной
биологии и генетики. 
В начале 1950-х годов стало очевидно, что ряд важных свойств бактерий определяется не хромосомными генами, но генами, собранными
в самостоятельные молекулы ДНК, которые, по предположению Д. Ледерберга, стали называть плазмидами. Были открыты факторы плодовитости бактерий и плазмиды, детерминирующие множественную трансмиссивную устойчивость к лекарственным препаратам. В дальнейшем
были обнаружены классы плазмид, обусловливающих образование токсинов, адгезинов, устойчивость к ионам тяжелых металлов, способность
к деградации ряда неприродных соединений, синтезируемых человеком, 
и некоторые другие признаки. Изучение бактериальных плазмид позволило наметить пути для экспериментального выяснения молекулярных
основ ряда приспособлений бактерий, а также закономерностей изменения структуры их популяций. 
Взаимоотношения бактерий с другими организмами
Исследование взаимоотношений между организмами в сообществах
является важнейшим направлением экологии. Период бурного развития
бактериологии в конце XIX – начале XX столетий совпал с периодом
формирования основных направлений дарвинизма и развитием эволюционной теории. Однако в течение длительного времени бактериологи
не уделяли внимания общебиологическим проблемам, а эволюционисты
игнорировали существование царства бактерий. Это объясняется глав4

ным образом тем, что при изучении взаимодействия популяций организмов необходимо знать их генетические особенности, а генетика бактерий возникла недавно. 
Существенное общебиологическое значение приобрели выполненные в 1930-е годы работы отечественного микробиолога Георгия Францевича Гаузе (1910–1986), опубликовавшего в 1934 г. монографию
«Борьба за существование». Эта книга стала классической. Им же был
сформулирован один из важнейших законов экологии – закон Гаузе, или
принцип конкурентного исключения. Этот закон утверждает, что два вида не могут устойчиво существовать в ограниченном пространстве, если
рост численности обоих лимитирован одним и тем же жизненно важным ресурсом, количество и (или) доступность которого ограничены. 
Впоследствии эта формулировка была несколько расширена в том отношении, что речь может идти не только о питательных ресурсах, но и о
любых других факторах среды, лимитирующих развитие организмов. 
Поэтому принцип Гаузе иногда формулируют следующим образом: два
вида не могут сосуществовать, если они занимают одну экологическую
нишу. Г.Ф. Гаузе в опытах с простейшими показал, как происходит конкурентное исключение одного вида другим и как, изменяя условия опыта, можно изменить исход этой борьбы. При этом Г.Ф. Гаузе широко использовал математические модели динамики численности двух популяций, конкурирующих за один и тот же пищевой ресурс, предложенные
в 1926 г. В. Вольтеррой. Поэтому иногда говорят о принципе Вольтерры–Гаузе.  
Как уже говорилось, Г.Ф. Гаузе работал с простейшими. Исследования конкурентных взаимоотношений бактериальных популяций были
начаты значительно позже. В последние годы регулярно появляются работы на эту тему как за рубежом, так и в нашей стране. Особенно интенсивно разрабатываются математические модели конкурентных взаимоотношений микроорганизмов учеными Института биофизики СО АН
в Красноярске. 
Еще начиная с работ Л. Пастера, внимание бактериологов привлекали явления активного угнетения одних микроорганизмов другими – 
процессы микробного антагонизма. 
В 1877 г., работая со своим учеником Ж. Жубером, Л. Пастер обнаружил, что сибиреязвенные бациллы развивались только в стерильной
моче; в моче, зараженной другими бактериями, они не могли расти. 
Кроме того, сибиреязвенные бациллы, привитые чувствительному животному вместе с посторонней бактерией, уже не вызывали инфекцию. 
В. Бабеш в 1885 г. сообщал о существовании молочнокислых бактерий, 
выделяющих вещества, ингибирующие развитие других бактерий. Позже Илья Ильич Мечников подчеркивал, что болгарская палочка действует антагонистически на другие микробы не только путем образования
молочной кислоты, но также в результате выделения ею специальных
веществ. В 1899 г. Р. Эммерих и Д. Лоу сообщили о способности
Pseudomonas pyocyanea образовать антибиотическое вещество, они называли его пиоцианазой. Пиоцианазу использовали как местный анти5

септик. Позже стали появляться сообщения об антибиотических веществах, продуцируемых различными бактериями. Однако в течение многих
лет эти работы велись не очень интенсивно и не приводили к практически важным результатам. 
Изучение микробного антагонизма, начиная с 1930-х годов, является
важным направлением в отечественной микробиологии. Большинство
отечественных ученых считали, что антибиотики являются оружием
микроорганизмов в борьбе за существование. Исходя из подобных представлений, Г.Ф. Гаузе создал оригинальное эколого-географическое направление в изыскании продуцентов антибиотиков, позволяющее проводить направленные поиски продуцентов новых антибиотиков. 
В настоящее время знания по экологии микроорганизмов пополнились научными данными о механизмах выживания патогенных микроорганизмов в абиотических и биотических объектах окружающей среды, что дает новое объяснение теоретических положений эпидемического процесса. Важной экологической чертой существования бактерий является их способность изменяться в прикрепленном состоянии благодаря адсорбции. Адсорбция микроорганизмов в природе закономерно протекает в абсолютном большинстве случаев их контакта с твердыми поверхностями, что обуславливает своеобразие их жизнедеятельности.  
Явление адсорбции способствует закреплению микроорганизмов, 
что предотвращает или уменьшает их поступление в водную и воздушную среды. Поэтому экологически благоприятными для живых организмов будут те объекты, которые способны адсорбировать и удерживать
на своих твердых поверхностях максимальное количество микроорганизмов, в том числе условно-патогенных и патогенных. 
К настоящему времени по различным вопросам, касающимся адсорбции микроорганизмов на природных субстратах и их активности
в адсорбированном состоянии, выполнены работы многих авторов. Детально изучением адсорбции и распределения почвенных микроорганизмов
занимались
отечественные
и зарубежные
исследователи. 
Д.Г. Звягинцеву принадлежит оригинальная монография «Почва и микроорганизмы», где раскрыты основные вопросы адсорбции почвами
микроорганизмов и их метаболитов.  
Однако, по нашему мнению, роль адсорбции патогенных и условнопатогенных микроорганизмов в эпидемиологии пока изучена недостаточно. 
6

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И АДСОРБЦИЯ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Всякая поверхность раздела резко отличается по своим физико-химическим свойствам от внутренних частей обеих граничащих фаз. Различие это заключается в том, что на поверхности раздела фаз имеется
избыток свободной энергии. В дисперсных и особенно в коллоидных
системах удельная поверхность очень велика. Поэтому явления, происходящие на границе раздела фаз и называемые поверхностными, наблюдаются на любой границе раздела, протекают самопроизвольно и приводят к уменьшению избытка свободной энергии поверхности. К ним относятся адсорбция, поверхностное натяжение и смачивание (Леонов
В.В., 2016). 
Термин «поверхностная энергия» обычно используется применительно к границе раздела фаз газ – твердое тело. Для границы раздела
жидкость – жидкость, жидкость – твердое тело применяют термин
«межфазная энергия». Для границы раздела фаз жидкость – газ (пар) 
обычно используют термин «удельная (на 1 м) поверхностная энергия», 
называемая поверхностным натяжением, которое равно работе образования единицы площади раздела фаз (Дж/м). Обычно под поверхностной энергией понимается энергия Гиббса образования поверхности AG. 
Она равна произведению поверхностного натяжения ı на площадь поверхности раздела фаз S: 
G
S
Δ
= σ⋅
. 
Поверхностное натяжение определяется природой вещества: чем выше энергия взаимодействия между частицами вещества, тем выше поверхностное натяжение. 
Вследствие наличия поверхностной энергии на границе раздела фаз
происходит накопление тех или иных частиц. Изменение концентрации
вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией. Абсорбция – 
это разновидность сорбции, т.е. поглощение одного вещества другими
веществами. Если вещество поглощается всем объемом другого, то происходит абсорбция, если вещество концентрируется на поверхности раздела фаз, то имеет место адсорбция. Вещество, способное поглощать, 
адсорбировать другое, называется абсорбентом, вещество, которое может адсорбироваться – абсорбтивом, а адсорбированное вещество – абсорбатом. Процесс, обратный
адсорбции, называется
десорбцией
(Г.С. Акужаева, 2016). 
По природе сил взаимодействия адсорбента с адсорбтивом различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция вызывается силами межмолекулярного взаимодействия (силами Ван-дер-Ваальса), является, как правило, обратимой. Теплота физической адсорб7

ции составляет 8,3–25,1 кДж/моль. Процесс физической адсорбции протекает быстро, так как не требует активации молекул. 
Химическая адсорбция осуществляется за счет химических сил межмолекулярного взаимодействия и называется хемосорбцией. Хемосорбция сопровождается взаимодействием адсорбента и адсорбтива с образованием химических соединений, является практически необратимым
процессом. Тепловой эффект хемосорбции сопоставим с тепловым эффектом химических реакций и достигает 500 кДж/моль. 
Уравнение адсорбции Гиббса
Величина адсорбции зависит от природы компонентов (адсорбента
и адсорбата), концентрации адсорбата и величины поверхностного натяжения. 
Поверхностным натяжением (ı) называется величина работы, которую необходимо затратить на увеличение поверхности на 1 см2 и численно равная свободной поверхностной энергии на 1 см2 поверхности. 
Поверхностное натяжение с повышением температуры уменьшается. 
Если процесс адсорбции происходит на границе раздела жидкость – пар, 
то при повышении температуры в критической точке поверхность раздела исчезает, и поверхностное натяжение равно нулю. Если процесс
адсорбции происходит на границе раздела жидкость – жидкость, то чем
меньше поверхностное натяжение на границе раздела двух жидкостей, 
тем выше их взаимная растворимость друг в друге. 
Если для чистых индивидуальных веществ величина ı (поверхностное натяжение) имеет определенное значение, то для растворов она зависит не только от природы жидкости-растворителя, второй граничащей
среды, температуры, но и от природы и количественного содержания
растворенного вещества. Для ряда систем величины поверхностного натяжения рассчитаны при различных температурах и приведены в справочниках. 
Уравнение, связывающее величину адсорбции с концентрацией (активностью) и поверхностным натяжением, называется уравнением адсорбции Гиббса
a
d
RT
da
σ
Γ = −
⋅
.  
Помимо адсорбции – перехода компонента из объема фазы на межфазную поверхность – существует и обратный процесс – десорбция – 
переход компонента с поверхности в объем фазы. Если скорости этих
процессов одинаковы, наступает адсорбционное равновесие. Существует три типа взаимодействия, которые могут привести к адсорбции: физическое взаимодействие, химическое взаимодействие и ионный обмен. 
При физическом взаимодействии адсорбция протекает за счет действия
сил Ван-дер-Ваальса. Физическое взаимодействие относится к слабым
взаимодействиям, при котором адсорбированные молекулы не изменя8

ют свою химическую природу. Физическая адсорбция, как правило, является обратимой. При химической адсорбции (хемосорбции) образуется новая химическая связь между адсорбатом и адсорбентом. Как, правило, химическая адсорбция относится к необратимым процессам. Ионообменная адсорбция протекает за счет обмена ионами между адсорбентом и раствором (Н.Н. Гаврилова, В.В. Назаров, 2015). 
1.2. ПРИРОДА СИЛ АДСОРБЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ
Первые исследователи пытались объяснить явление адсорбции микроорганизмов такими свойствами клеток, как липкость, клейкость, наличие слизистых капсул, с помощью которых происходит прикрепление
клеток. Однако все это не могло объяснить сущности явления адсорбции. Довольно подробно вопрос о природе явления адсорбции микроорганизмов изучался в работе К. Кришнамурти и С. Сомана (K. Krishnamurti, S.V. Soman, 1951). Показано, что адсорбция микроорганизмов
похожа на адсорбцию коллоидов. Получена S-образная изотерма адсорбции микроорганизмов, которая согласуется с уравнением адсорбции Кришнамурти, выведенным для адсорбции молекул и ионов. Установлено увеличение количества адсорбированных микроорганизмов
с понижением температуры, что также указывает на адсорбционный характер этого процесса. 
Было высказано несколько гипотез по вопросу о природе сил, обусловливающих адсорбцию. 
Г. Салус (G. Salus, 1917) большое значение придавал действию электростатических сил и считал, что происходит взаимодействие разноименно заряженных поверхностей. В работах К.И. Рудакова (1936) 
и Т. Пила (Т.С. Peele, 1936) установлена адсорбция отрицательно заряженных клеток на положительно заряженных частицах адсорбентов. 
Подобное же явление наблюдали при адсорбции клеток на частицах углекислого кальция, окислах алюминия и железа при кислых pH, а также
при адсорбции на анионообменных смолах. Электростатическое притяжение микроорганизмов рода Hyphomicrobium к поверхности водосточных труб отмечается в работе П. Тилера и К. Маршалла (P.C. Tyler, 
K.C. Marshall, 1967). 
Однако в большинстве случаев при адсорбции клеток происходит
взаимодействие поверхностей с одноименным отрицательным суммарным зарядом. Это взаимодействие микроорганизмов с большинством
почвенных частиц, со стеклом, катионитами и т.д. В этих случаях адсорбция иногда объяснялась мозаичностью заряда поверхности клеток
и поверхности адсорбента. Так, K. Маршалл (K.C. Marshall, 1968, 1969, 
1970, 1971), изучавший адсорбцию мелких частиц монтмориллонита на
клетках клубеньковых бактерий, приходит к выводу, что в опытах имело месте электростатическое притяжение положительно заряженных
концов пластинчатых частиц глины и отрицательно заряженных карбоксильных групп поверхности клетки. В некоторых случаях для определенных штаммов клубеньковых бактерий происходило взаимодействие
9

положительно заряженных участков клетки, несущих адоино- и другие
положительно заряженные группы, с отрицательно заряженными боковыми плоскостями монтмориллонита. 
При взаимодействии двух отрицательно заряженных поверхностей
на установление контакта влияют силы отталкивания одноименно заряженных поверхностей, которые могут быть учтены по теории Дебая –  
Гюккеля. Силы отталкивания уменьшаются с расстоянием по экспоненциальному закону. Кроме сил отталкивания, между поверхностями контактирующих клеток и частиц адсорбента будут действовать и физические силы притяжения, обусловленные квантовомеханическими эффектами взаимодействия электронных осцилляторов (силы Ван-дер-Ваальса – дисперсионные, индукционные, ориентационные). Силы Ван-дерВаальса уменьшаются с увеличением расстояния по степенному закону. 
Б.В. Дерягин и Л.Д. Ландау в конце 1930-х годов объяснили многие особенности поведения коллоидных систем (флокуляция, зависимость устойчивости от состава среды) сложением электростатических сил отталкивания и ван-дер-ваальсовых сил притяжения (О.В. Дерягин, К.К. Кротова, 1949). На основании этой идеи построена теория стабильности
коллоидных систем (E.J.W. Verwey, J.T.G. Overbeek, 1948). В последнее
время эти теории широко используются в биологии для объяснения явления адгезии клеток тканей, адсорбции микроорганизмов, фагов и вирусов. 
Точнее определение расстояния между контактирующими клетками
и поверхностью пока проводить довольно трудно. Однако есть основания полагать, что клетки могут располагаться на расстоянии первого
и второго максимума, а также может устанавливаться непосредственный контакт между клеткой и поверхностью. Например, при изучении
адгезии клеток тканей установлено, что на первых фазах контакта поверхности находятся на расстоянии второго минимума отталкивания
(100–200 Å) и удерживаются на поверхности очень слабо, благодаря
действию сил Ван-дер-Ваальса. Эти силы могут определить сцепление
и на более поздних этапах контакта. В этом случае расстояние между
контактирующими поверхностями четко и обратимо следует за изменениями
ионной
силы
среды
согласно
законам
физической
химии
(D.I. Finean, 1953). 
Следует
отметить, что
микроорганизмы
по
своим
размерам  
(1–10 мкм) относятся к той категории частиц, которые должны быть
подвержены наиболее сильной адгезии (О.В. Дерягин, К.К. Кротова, 
1949; А.Д. Зимон, 1967). У частиц большего размера гравитационные
силы превосходят силы прилипания, частицы меньшего размера вследствие малого веса не в состоянии выдавить слой жидкости и вступить
в непосредственный контакт с поверхностью. 
Работ, касающихся природы сил адсорбции клеток микроорганизмов, пока очень мало. 
Т. Санторо и Г. Стотцкий (Т. Santoro, G. Stotzky, 1968) доказывают, 
что в адсорбции клеток микроорганизмов на глинистых минералах важную роль играют ван-дер-ваальсовы силы. 
10