СИНЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МИКРОБИОЦЕНОЗОВ КРУПНЫХ ПТИЦЕВОДЧЕСКИХ ХОЗЯЙСТВ

Полный текст

Отдельные аспекты проблемы циркуляции микроорганизмов в птицеводческих хозяйствах хорошо изучены. В промышленном птицеводстве большое внимание уделяется созданию эпизоотического благополучия, так как высокая концентрация поголовья животных на ограниченной территории неизбежно приводит к увеличению микробного фона на производственных площадках и окружающих территориях и создает благоприятные условия для быстрого распространения инфекционных заболеваний [1]. Кроме того, внимание направлено на обеспечение охраны здоровья персонала цехов птицефабрик, поскольку спектр эпидемиологически опасных микроорганизмов, персистирующих в кишечнике кур, достаточно широк. Птицы могут быть носителями многих зоопатогенных микроорганизмов, вызывающих острую кишечную инфекцию (ОКИ) у людей, таких как Escherichia coli, Citrobacter freundii, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, а также эпидемиологически опасной кишечной микрофлоры, среди которых ведущие - Salmonella enteritidis (возбудитель сальмонеллеза) и Campylobacter jejuni (возбудитель кампилобактериоза) [2]. То есть, изучение микробиоценозов в данном случае является частью мероприятий по созданию эпидемиологического благополучия на птицефабрике, что должно способствовать производству высококачественной продукции, свободной от эпидемиологически опасной условно-патогенной микрофлоры. Однако, экологические особенности синэкологической структуры микробиоценозов в крупных птицеводческих хозяйствах остаются практически неисследованными. Цель работы: выявление особенностей видовой структуры сообществ микроорганизмов, циркулирующих среди персонала и поголовья птицы в трех крупных птицеводческих хозяйствах Нижегородской области. В этой работе мы впервые при помощи статистических методов и экологических индексов установили различие в видовом составе сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки персонала цехов крупных птицеводческих хозяйств и микробиоты кур. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Микробиоценозы изучали с помощью оптимизированного авторами классического бактериологического метода, позволяющего выделить широкий спектр видов микроорганизмов и идентифицировать их с примененим времяпролетного MALDI масс-спектрометра Autoflex (Bruker Daltonics, Германия) [3]. Была изучена микрофлора толстой кишки 223 сотрудников трех птицефабрик, непосредственно контактирующих с курами: птичницы, работники кормоцехов, сотрудники убойного цеха. Кроме того, исследованы микробиоценозы органов и систем 277 птиц: сердце, селезенка, зоб, желудок, желчный пузырь, тонкая и толстая кишка, яичники, лимфатические узлы, мозг. Всего проведено более 2000 исследований. Результаты микробиологического исследования (видовая представленность и численность каждого вида микроорганизмов в 1г субстрата) внесены в сформированную ранее базу данных и распределены по 29 группам-показателям, наиболее полно отражающим структуру микробиоценозов человека и животных. Внесенные записи систематизированы и обработаны с помощью созданной нами системы управления базой данных (СУБД) «Автоматизированная система микробиологического мониторинга микробиоценозов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ)» [4]. Статистический анализ полученных результатов проводили с применением статистических критериев Колмогорова-Смирнова и Шапиро-Уилка, а также непараметрических критериев Манна-Уитни и Крускала-Уоллиса. Для расчетов использовали разработанную нами «Автоматизированную систему микробиологического мониторинга микробиоценозов желудочно-кишечного тракта (ЖКТ)» и программу STATISTICA 8.0 (StatSoft) [5, 6]. Критическое значение р-уровня принимали равным 0,05 [4, 6]. Экологический анализ перестройки видовой структуры (видового богатства и видового разнообразия) сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки людей и кишечника кур был проведен с применением индексов сходства (Жаккара и Коха), экологических индексов Шеннона, Симпсона, Маргалефа и Пиелу [3, 7]. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ На первом этапе статистического анализа была проведена процедура проверки общей матрицы данных на нормальность распределения с помощью критериев Колмогорова-Смирнова и Шапиро-Уилка. Анализ показал, что данные не подчиняются нормальному распределению. В связи с этим в дальнейшем использовали непараметрические статистические методы [6-8]. Статистический анализ различий в численности представителей кишечной микрофлоры людей, работающих на птицефабриках, был проведен с помощью непараметрического критерия Манна-Уитни. Анализ проводился между сотрудниками, работающими на двух птицефабриках: птицефабрика А и птицефабрика В. В анализ были включены 15 показателей, одновременно встречающихся у людей в двух птицефабриках. Установлено, что статистически значимые различия между двумя исследованными птицефабриками наблюдались по пяти видам микрофлоры кишечника людей: Lactobacillus spp., Escherichia coli лактозопозитивная, E. coli (всего), Staphylococcus epidermidis и Klebsiella spp. (табл. 1). Статистический анализ различий в численности представителей микробиоты кур трех птицефабрик был проведен с помощью непараметрического критерия Крускалла-Уоллиса [6, 7]. В анализ были включены 9 показателей, одновременно встречающихся у кур на трех птицефабриках. Было установлено, что статистически значимые различия между тремя исследованными птицефабриками наблюдались по шести видам микробиоты кур: Salmonella spp., Lactobacillus spp., E. coli (всего), Staphylococcus epidermidis, Klebsiella spp., Enterobacter spp. (табл. 2). Таким образом, с применением критерия Крускалла-Уоллиса выявлено наличие статистически значимых различий в численности только определенных видов микроорганизмов. Для ответа на вопрос о наличии или отсутствии различий в численности симбиотических микроорганизмов толстой кишки сотрудников и микробиоты кур, относящихся к одной птицефабрике, был проведен статистический анализ попарных различий с применением непараметрического критерия Манна-Уитни. В анализ были включены 11 видов симбиотических микроорганизмов, встречающихся одновременно у людей и кур птицефабрики А и 12 видов птицефабрики В. В ходе анализа в каждой птицефабрике были выявлены виды микроорганизмов, которые статистически значимо различались по численности между сотрудниками и курами (табл. 3). Экологический анализ перестройки видовой структуры (видового богатства и видового разнообразия) сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки людей и кишечника кур был проведен с применением индексов сходства (Жаккара и Коха) и экологических индексов Шеннона, Симпсона, Маргалефа и Пиелу [3, 7]. На начальном этапе с использованием коэффициента Жаккара (Cj) было проведено изучение сходства в видовом составе микробиоценоза толстой кишки сотрудников птицефабрик A, B. Анализ показал, что у сотрудников коэффициент сходства Жаккара составляет 0,71. Довольно высокий уровень сходства объясняется тем, что состав микробиоценоза кишечника (ядро микробиоты) человека относительно постоянен, несмотря на влияние различных факторов внешней среды (климат, питание и др.) [9]. Аналогичное изучение сходства видового состава микробиоценоза кур показало, что в этом случае коэффициент сходства Жаккара находится в неперекрывающемся с сотрудниками интервале 0,44÷0,61. С помощью индекса биотической дисперсии Коха (Ik) было оценено сходство видового состава микробиоценоза кишечника кур птицефабрик А, В и С, участвующих в анализе. Значение индекса Коха составило 0,51. Сравнительно низкий уровень сходства видового состава микробиоты кур объясняется разными условиями содержания птицы (на птицефабриках А и В напольное содержание, на птицефабрике С - клеточное), использованием разных кормов, воды, а также тем, что птицефабрики являются для кур «замкнутой» системой, в которой они находятся в течение всего жизненного цикла. Анализ сходства видового состава микробиоты кур и толстой кишки сотрудников цехов птицефабрик А и В с помощью коэффициента Жаккара (Cj) показал среднюю степень видового сходства (52%; СJ -0,52) между сравниваемыми группами (табл. 4). Синэкологический анализ предполагает анализ видовой структуры сообщества, которая характеризуется не только показателями видового богатства, но и видового разнообразия, учитывающего представленность каждого вида. Левич [10] подчеркивает, что видовая структура представляет собой экологическую «систему отсчета», поскольку именно изменения в численностях видов дают информацию о структуре и функционировании сообщества. Удобной формой свертывания информации о сообществе представляют собой экологические индексы: видового разнообразия Шеннона, доминирования Симпсона, видового богатства Маргалефа и выравненности Пиелу [10-14] (табл. 5). Следует подчеркнуть, что во всех птицефабриках, как у кур, так и персонала цехов при увеличении видового разнообразия сообществ симбиотических микроорганизмов, оцениваемого по индексу Шеннона, закономерно снижается доминирование (индекс Симпсона) и возрастает выравненность (индекс Пиелу) (табл. 5). Эти факты полностью согласуются с основными положениями теоретической экологии. В табл. 6 показан анализ видового богатства сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки сотрудников цехов и микробиоты кур птицефабрик. Сравнение видового богатства микробиоты кур птицефабрик А, B и С показало, что в трех исследуемых птицефабриках присутствуют 12 общих видов микроорганизмов: Escherichia coli (всего), Lactobacillus spp, E. coli (лак+), Staphillococcus epidermidis, Klebsiella spp, Enterobacter spp., Pantoea spp., E. coli (лак-), Salmonella spp (S.enteritidis), микроорганизмы группы неферментирующих грамотрицательных бактерий, Proteus mirabilis. Сравнение видового богатства сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки персонала цехов птицефабрик А, B показало, что в двух сравниваемых группах присутствуют 13 общих видов микроорганизмов: E.coli (лак+), Bifidobacterium spp., Lactobacillus spp., Lactococcus spp., Enterococcus spp., E.coli (всего), Citrobacter spp., Staphylococcus epidermidis, E.coli гемолитические (способность к гемолизу как фактор патогенности), Klebsiella spp., E.coli (лак-), Proteus mirabilis, E.coli лактозодефективные, Staphylococcus aureus. Наличие Salmonella enteritidis в микробиоте кур и отсутствие этих микроорганизмов в микробиоценозе толстой кишки персонала можно объяснить тем, что в условиях постоянного инфицирования малыми дозами сальмонелл у работников птицеводческих хозяйств вырабатывается специфические сальмонеллезные антитела в высоких титрах, препятствующие появлению в микробиоте этих бактерий [15]. Сравнение видового богатства сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки персонала цехов птицефабрики А и микробиоты кур птицефабрики А показало, что в двух сравниваемых группах присутствуют 12 общих видов микроорганизмов: E.coli (всего), Enterococcus spp., Lactobacillus spp., E.coli (лак+), Bifidobacterium spp., Staphylococcus epidermidis, Klebsiella spp., Staphylococcus aureus, E.coli (лак-), Proteus mirabilis, Дрожжевые клетки - дрожжеподобные грибы, не относящиеся к роду Candida (Saccharomyces spp., Kluiveromyces spp., Picchia spp. и др.), E.coli лактозодефективные. Сравнение видового богатства сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки персонала цехов птицефабрики B и микробиоты кур птицефабрики B показало, что в двух сравниваемых группах присутствуют 11 общих видов микроорганизмов: E.coli (всего), Enterococcus spp., Lactobacillus spp., E.coli (лак+), Bifidobacterium spp., Staphylococcus epidermidis, Klebsiella spp., Staphylococcus aureus, E.coli (лак-), Proteus mirabilis, E.coli лактозодефективные. Таким образом, проведенный анализ результатов бактериологических исследований, проведенный c помощью общепринятых статистических критериев и экологических индексов, позволил сделать следующие выводы: ВЫВОДЫ Выявлены статистически значимые различия в численности видов микроорганизмов микробиоты кишечника сотрудников птицефабрик А, В: Lactobacillus spp., E. coli (лак + и всего), Klebsiella spp., S. epidermidis; и микробиоты кур птицефабрик А, В, С: Lactobacillus spp., E. coli (всего), Salmonella spp., Klebsiella spp., Enterobacter spp., S. epidermidis. В каждой из двух птицефабрик (А, В) выявлены статистически значимые различия в численности видов микроорганизмов микробиоты кишечника сотрудников и микробиоты кур. Анализ сходства в видовом составе микробиоценоза толстой кишки сотрудников птицефабрик A, B показал, что у сотрудников коэффициент сходства Жаккара составляет 0,71. Достаточно высокая степень сходства говорит о том, что состав микробиоценоза кишечника (ядро микробиоты) человека относительно постоянен, несмотря на влияние различных факторов внешней среды (климат, питание и др.). Анализ сходства в видовом составе микробиоценоза кур птицефабрик А, B установил, что коэффициент сходства Жаккара находится в неперекрывающемся с сотрудниками интервале 0,44÷0,61, оценка сходства в видовом составе микробиоты кур трех птицефабрик A, B, C при помощи индекса биотической дисперсии Коха показала низкий уровень сходства видового состава микробиоты (0,51). Это может объясняться разными условиями содержания птицы (на птицефабриках А и В напольное содержание, на птицефабрике С - клеточное), использованием разных кормов, воды, а также тем, что птицефабрики являются для кур «замкнутой» системой, в которой они находятся в течение всего жизненного цикла. Анализ сходства видового состава микробиоты кур и толстой кишки сотрудников цехов птицефабрик А и В с помощью коэффициента Жаккара (Cj) установил среднюю степень видового сходства (52%; СJ -0,52) между сравниваемыми группами. Синэкологический анализ показал, что во всех птицефабриках, как у кур, так и персонала цехов при увеличении видового разнообразия сообществ симбиотических микроорганизмов, оцениваемого по индексу Шеннона, закономерно снижается доминирование (индекс Симпсона) и возрастает выравненность (индекс Пиелу). Проведенный анализ видового богатства сообществ симбиотических микроорганизмов микробиоты сотрудников птицефабрик и кур выявил наличие 12 общих видов по птицефабрике А и 11 общих видов по птицефаб-рике В. Salmonella enteritidis была выделена только из микробиоты кур на всех птицеводческих площадках. Таблица 1. Различия в численности видов микроорганизмов микробиоты сотрудников цехов птицефабрик А и В (по критерию Манна-Уитни) Таблица 2. Различия в численности видов микроорганизмов микробиоты кур птицефабрик А, В и С (по критерию Крускалла-Уоллиса) Таблица 3. Статистически значимые численности видов микроорганизмов (показатели), выявленные при попарном сравнении видовой структуры микробиоты сотрудников и кур каждой птицефабрики (по критерию Манна-Уитни) Таблица 4. Сходство видового состава сообществ симбиотических микроорганизмов микробиоты кур и сотрудников цехов птицефабрик А и В, оцениваемое коэффициентом Жаккара Таблица 5. Показатели видовой структуры сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки сотрудников цехов и микробиоты кур птицефабрик Таблица 6. Сравнительный анализ видового богатства сообществ симбиотических микроорганизмов толстой кишки сотрудников цехов и микробиоты кур птицефабрик

Об авторах

Ирина Владленовна Соловьева

Федеральное бюджетное учреждение науки «Нижегородский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. академика И.Н. Блохиной» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: lab-lb@yandex.ru
доктор биологических наук, зав. лабораторией микробиома человека и средств его коррекции

Александр Николаевич Варичев

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (ННГУ)

Email: alvarichev@gmail.com
кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры экологии Института биологии и биомедицины

Ирина Викторовна Белова

Федеральное бюджетное учреждение науки «Нижегородский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. академика И.Н. Блохиной» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: lab-lb@yandex.ru
кандидат медицинских наук, ведущий научный сотрудник лаборатории микробиома человека и средств его коррекции

Анна Георгиевна Точилина

Федеральное бюджетное учреждение науки «Нижегородский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. академика И.Н. Блохиной» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: lab-lb@yandex.ru
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории микробиома человека и средств его коррекции

Давид Бежанович Гелашвили

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (ННГУ)

Email: ecology@bio.unn.ru
доктор биологических наук, зав. кафедрой экологии Института биологии и биомедицины ННГУ

Галина Ивановна Григорьева

Федеральное бюджетное учреждение науки «Нижегородский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. академика И.Н. Блохиной» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: grigmicro@yandex.ru
доктор биологических наук, заместитель директора по научной работе

Владимир Анатольевич Жирнов

Федеральное бюджетное учреждение науки «Нижегородский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии им. академика И.Н. Блохиной» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Email: lab-lb@yandex.ru
кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории микробиома человека и средств его коррекции

Илья Николаевич Калашников

Приволжский исследовательский медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: ilia17ne@mail.ru
кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии ПИМУ г. Нижний Новгород

Список литературы

Дополнительные файлы