Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе
Круговорот веществ в природе — циклы превращения химических элементов, из которых построены живые существа.
Этапы круговорота различных химических элементов осуществляются микроорганизмами разных групп. Непрерывное существование каждой группы зависит от химических превращений элементов, выполняемых другими группами микроорганизмов. Жизнь на Земле непрерывна, поскольку все основные элементы жизни подвергаются циклическим превращениям, в значительной степени определяемыми микроорганизмами.
Титаническая роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе имеет исключительное значение для поддержания динамического равновесия биосферы.
Углерод. Атмосферный воздух содержит чуть больше 0,03 % углерода в виде углекислого газа. Фотоситетические бактерии утилизируют углекислый газ в процессе фотосинтеза. Причем фотосинтетическая продуктивность бактерий настолько велика, что запас углекислого газа в атмосфере был бы исчерпан за 20 лет. В настоящее время считается, что углекислого газа на Земле, при учете его запасов в океанах и запасов угля, хватит на 1000–3000 лет. Это объясняется активным участием микроорганизмов в процессах образования углекислого газа.
Небольшая часть минерализованного углерода (1–1,5 %) поступает в атмосферу в форме метана. Метан образуется из органических веществ в местах, недоступных для кислорода воздуха (в почве тундр, на рисовых полях, в рубце жвачных животных), затем поступает в атмосферу и окисляется ОН-радикалами через СО до СО2 с участием бактерий.
Главным источником углерода для анаэробных почвенных микроорганизмов являются растительные остатки, содержащие пектиновые вещества и целлюлозу.
Азот. В круговороте азотсодержащих веществ участвуют:
Аммонификаторы, вызывающие гниение трупов животных, остатков растений, разложение мочевины с образованием азотистых веществ и аммиака. Это аэробные бактерии Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Serratia marcescens; факультативноанаэробные бактерии рода Proteus; анаэробы Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum; уробактерии, расщепляющие мочевину (Urobacillus pasteuri, Sarcina urea); грибы рода Aspergillus, Mucor, Penicillium.
Нитрифицирующие бактерии, которые нитрифицируют аммоний в хорошо аэрируемых почвах. К ним относятся Nitrosomonas (окисляют аммиак до азотистой кислоты, образуя нитриты) и Nitrobacter (превращают азотистую кислоту в азотную и нитраты). Нитриты и нитраты усваиваются высшими растениями. В отсутствие кислорода из нитрата образуется молекулярный азот, т. е. происходит денитрификация, которая ведет к потере азота почвой. Прокариоты, имеющие фермент нитрогеназу, способны к азотфиксации (превращению атмосферного азота в органические соединения). Нитрогеназа работает только в анаэробных условиях, в присутствии кислорода фермент необратимо инактивируется (рис. 86).
Рис. 86. Фиксация атмосферного азота
Азотфиксирующие бактерии, которые в процессе своей жизнедеятельности из молекулярного азота синтезируют белки и другие органические соединения азота, используемые растениями. Многие азотофиксирующие бактерии могут жить сами по себе, некоторые виды могут обитать в клубеньках бобовых растений. Эукариоты не способны к азотфиксации, поэтому некоторые бактерии в симбиозе с высшими растениями обеспечивают их азотом (симбиотические азотфиксирующие клубеньковые бактерии). Отмирая, растения обогащают почву соединениями азота.
Среди почвенных аэробных спорообразующих бактерий есть олигонитрофильные виды, которые хорошо развиваются на безазотистой среде, т. к. способны усваивать атмосферный азот. Эти микроорганизмы характеризуются слабой азотфиксирующей способностью, однако их накопление в почве может значительно содействовать обогащению ее азотом и повышать плодородие.
Есть и небиологическая фиксация азота. Производя азотные удобрения, человек успешно конкурирует с биологическими фиксаторами и биосферой в количестве фиксируемого азота.
Фосфор. Спороносные бактерии переводят нерастворимые фосфорные соединения в легко растворимые различными механизмами: растворением трикальцийфосфата, переводом фосфоритов в апатиты или фосфитов в фосфаты, минерализацией органофосфатов в результате ферментативной деятельности бактерий и выделения ими кислот. Цианобактерии способны утилизировать ионы фосфора из воды.
Сера. Сульфатредуцирующие бактерии участвуют в процессах образования нефти, сероводорода в морях, почвах, лечебных грязях. В почвах наибольшие количества сероводорода образуются при диссимиляционном восстановлении сульфатов, осуществляемом сульфатредуцирующими бактериями. Этот сероводород может быть окислен анаэробными фототрофными бактериями до серы и сульфатов, доступных для усвоения корнями растений. Образование сероводорода сульфатредуцирующими бактериями может приносить вред, вызывая коррозию металлических подводных и подземных сооружений.