Развитие микробной популяции

Наблюдать за жизнью микробной популяции в природной среде чрезвычайно сложно, особенно устанавливая те или иные закономерности ее развития, поэтому чаще всего такие наблюдения проводятся в ограниченном объеме, в частности в биореакторе, где микроорганизмы культивируются в строго определенных условиях и их жизнедеятельностью можно легко управлять, изменяя те или иные физико-химические параметры. В ограниченном объеме среды микроорганизмы развиваются, постепенно расходуя питательные вещества, причем их жизнедеятельность подчиняется определенным законам.

Как уже отмечалось, в благоприятных условиях микроорганизмы весьма активно размножаются, при этом время генерации (период между делениями) длится не более 30 мин. В связи с этим у бактерий за сутки сменяется столько поколений, сколько у человека за 5 тысячелетий.

Цикл роста микроорганизмов удобно представить на примере бактериальной популяции. Он делится на 4 основные фазы: лаг-фазу (фазу подготовки), фазу экспоненциального роста, максимальную стационарную фазу и фазу отмирания.

Продолжительность лаг-фазы зависит от полноценного состава питательной среды и физико-химических параметров, способных повлиять на состояние микроорганизмов. Именно в этот период в бактериальных клетках происходит активизация синтеза ферментов, нуклеиновых кислот, белков.

В фазу экспоненциального роста происходит увеличение числа клеток бактериальной популяции в геометрической прогрессии. Примем начальное число клеток бактериальной популяции за N₀. После первой генерации оно становится равным N₀ х 2, а спустя n генераций – N₀ х 2 ⁿ_. Отсюда общее число клеток бактериальной популяции можно рассчитать по формуле: lg N = lg N₀ + n lg 2.

Продолжительность экспоненциальной фазы чаще всего незначительная (около 5 ч). Интенсивное деление бактериальных клеток способствует истощению питательной среды, вследствие чего уже в этот период наблюдается некоторое замедление роста бактериальной популяции.

В период максимальной стационарной фазы численность бактериальных клеток достигает максимально возможного уровня и вообще перестает увеличиваться, поэтому количество молодых клеток становится равным количеству погибших. Эта фаза при культивировании E. сoli длится сутки.

Фаза отмирания – последний этап развития бактериальной популяции, характеризуется массовой гибелью бактериальных клеток в связи с накоплением в среде обитания токсических продуктов обмена и появлением бактерий, не способных давать потомство.

Круговорот веществ в природе, участие в нем микроорганизмов

Микроорганизмы способны быстро развиваться, но их развитие ограничивают как факторы окружающей среды (косная материя), так и взаимоотношения с другими организмами (живая материя). В целом живая и косная материи тесно связаны между собой. И это взаимодействие осуществляется за счет образования и существования на земле малого биологического круговорота, в свою очередь являющегося частью большого абиогенного круговорота – предмета изучения геохимии и геологии.

В малом биологическом круговороте микроорганизмам принадлежит ведущая роль. Целая плеяда микробиологов в том числе знаменитые российские ученые С.Н. Виноградский, В.Л. Омелянский, Б.Л. Исаченко, Д.М. Новогрудский и многие другие, своими исследованиями способствовали раскрытию закономерностей, протекающих в малом биологическом круговороте. Было показано, что с помощью микрофлоры органические соединения животного и растительного происхождения разлагаются до углерода, азота и прочих биогенных элементов и вновь используются представителями макро- и микромира в синтетических процессах.

Учение об экологии почвенных микроорганизмов неразрывно связано с именем С.Н. Виноградского, внесшего большой вклад в познание физиологического многообразия микромира. Им были выполнены классические работы по физиологии серобактерий и железобактерий, результатом которых явилось открытие хемосинтеза у бактерий. С.Н. Виноградским был также открыт новый тип питания микроорганизмов – автотрофия, осуществляемая бактериями, способными самостоятельно синтезировать органическое вещество, используя углерод углекислоты и энергию окисления минеральных соединений (NH₃ и H₂S). Всеобщее признание и широкое применение получил разработанный ученым метод элективных (избирательных) сред, позволивший выделить из естественной среды ряд новых микроорганизмов и определить их роль в круговороте веществ.

Ученик С.Н. Виноградского В.Л. Омелянский, изучая процессы разложения органического вещества, впервые выделил целлюлозоразрушающие бактерии, описал их физиологию и химизм самого процесса. Им были изучены микроорганизмы, участвующие в круговороте азота, особенно свободноживущие азотфиксаторы и нитрификаторы. Исследования В.Л. Омелянского легли в основу первого русского учебника «Основы микробиологии», выдержавшего 9 изданий, а одна из последних работ «Роль микроорганизмов в выветривании горных пород» заложила основу геологической микробиологии.

Экологическое направление в микробиологии разрабатывалось Б.Л. Исаченко, впервые исследовавшим распространение микроорганизмов в Северном Ледовитом океане и указавшим на их важную роль в геологических процессах и круговороте веществ в водоемах. Именно поэтому ученого считают одним из основоположников водной микробиологии.