1.6.5. Роль микробов в круговороте веществ в природе

Микроорганизмы активно участвуют в превращении (круговороте) азота, углерода, железа, серы и других веществ в природе. Органические вещества, входящие в состав животного и растительного макроорганиз­ма, используются микробами в качестве источника энергии и питания и превращаются ими в химические элементы и сложные неорганичес­кие соединения (минерализация). Минеральные вещества усваиваются из почвы растениями, в которых вновь формируются органические со­единения. Растения являются источником корма для животных. По­гибшие животные и растения, а вернее, органические вещества, состав­ляющие их, при участии микробов превращаются в минеральные. Так совершается круговорот веществ в природе.

Превращение азота. Азот входит в состав белковых тел и является составной частью воздуха. Разложение белка — гниение — происходит в результате ферментативной деятельности микробов. Конечным про­дуктом распада белка является аммиак. Превращение органического азота в аммиачный носит название аммонификации белковых веществ. Аммиачные соли, образующиеся при распаде белков, окисляются в азотнокислые соли, которые усваиваются растениями. Этот процесс называют нитрофикацией, а процесс, обратный нитрафикации, — де-нитрификацией. В результате последнего образуется азот, который по­полняет запасы его в атмосфере. Из атмосферы азот усваивают азот-фикс ирующие бактерии.

Превращение углерода. Вследствие разложения в почве и водоемах органических веществ образуется углерод, который поступает в атмос­феру.

В условиях анаэробиоза в органических веществах протекают слож­ные ферментативные процессы, комплекс которых получил название брожение. В результате брожения образуются углекислый газ, вода и про­межуточные продукты (спирты, кислоты — молочная, уксусная, мас­ляная и др.). Углекислый газ поступает в атмосферу, и в процессе фото­синтеза углерод усваивается растениями, которые поедаются животны­ми. Так совершается круговорот углерода в природе. Процессы брожения широко используются в жизни и деятельности человека. В результате спиртового брожения под действием дрожжевых клеток сахар расщепляется на спирт и углекислоту. Спиртовое брожение на­шло широкое применение в пищевой и вино-водочной промышлен­ности.

Уксуснокислое брожение вызывается уксуснокислыми бактериями, которые превращают спирт в уксусную кислоту.

Молочнокислое брожение — это процесс расщепления сахара под воздействием молочнокислых бактерий с образованием молочной кислоты. Молочнокислые бактерии используют при изготовлении молочнокислых продуктов: кефира, ацидофилина, кумыса, сыра, масла и др.

Контрольные вопросы

1. Какие вопросы биологии изучает генетика?

2. Как понимать наследственность и изменчивость?

3. Как устроена ДНК?

4. Какие функции выполняет генетический аппарат бактериальной клетки?

5. Назовите варианты фенотипической и генотипической изменчивости.

6. В чем заключается роль микробов в круговороте веществ?

1.7. Экология микроорганизмов

1.7.1. Понятие об экологии микроорганизмов

Экология микроорганизмов(от лат. oikos — дом, жилище) — наука, изу­чающая взаимоотношения микробов между собой и окружающей сре­дой. Термин «экология» был впервые предложен Э. Геккелем в 1866 г. Объектами экологии могут быть популяции организмов, виды, сооб­щества, экосистема и биосфера в целом. Экосистема — это система, состоящая из биотопа и биоценоза.

Биотоп — территориально ограниченный участок биосферы с при­мерно одинаковыми условиями существования организмов.

Биоценоз (от гр. bios — жизнь + koinos — сообщество) — это совокуп­ность животных, растений и микроорганизмов, существующих в опре­деленном биотопе.

Сообщество микробов, обитающих на определенном участке среды, называют микробиоценозом. Каждое микробное сообщество в конкрет­ном биоценозе образует специфические аутохтонные (от гр. autos — свой + chthon — страна, местность) микроорганизмы — это микробы, присущие конкретной области. В состав микробиоценозов могут вхо­дить аллохтонные (от гр. alios — чужой + chthon — страна; в перево­де — чужестранец) микробы, обычно в них не встречающиеся.

В литературе часто фигурируют термины «местообитание» и «эколо­гическая ниша». Отождествлять эти термины нельзя. Понятие «эколо­гическая ниша» не означает место в среде обитания, а отражает выпол­няемую функцию определенного вида или популяции в сообществе организмов. Для выполнения конкретной функции в обитаемой эко­системе вид должен обладать присущими ему специфическими свойс­твами. Например, в рубце жвачных животных могут развиваться, расти, размножаться и выполнять функцию расщепления целлюлозы бакте­рии, адаптированные к анаэробным условиям и получению энергии путем брожения. Кроме того, они должны быть толерантны к темпера­туре кишечного тракта животных, наличию в нем жирных кислот, фер­ментов, аммиака и др.

Высокая степень адаптации к неблагоприятным факторам внешней среды, способность микроорганизмов утилизировать разнообразные источники питания позволяют им обитать там, где другие формы жиз­ни невозможны. Естественной средой обитания большинства видов микробов являются почва, вода, воздух. В зонах обитания микроорганизмы образуют сложные сообщества со специфическими и часто труд­нообъяснимыми необычными взаимоотношениями.

Способность микроорганизмов создавать сообщества известна дав­но. В последнее время доказано, что микроорганизмы активно взаимо­действуют между собой с помощью сложного химического языка.

Сигнальные молекулы накапливаются во внеклеточной среде и по достижении критической концентрации активизируются гены возбу­дителя. Для своего выживания бактерии широко используют преиму­щество, которое дает коллективное поведение. Например, синегнойная палочка включает систему выделения факторов патогенности и атакует клетку-хозяина только после достижения в организме человека крити­ческой массы бактериальных клеток, достаточных для преодоления защитных механизмов организма и успешного развития инфекционно­го процесса. Одновременно она синтезирует молекулы, стимулиру­ющие продукцию факторов патогенности у микроорганизмов-синер-гистов, и выделяет антибиотики, подавляющие рост бактерий антаго­нистов.