20. Филогенетическая структура метаболически активных прокариот в пространственно-сукцессионном (вертикально-ярусном) ряду.
Вертикально-ярусный подход - исследования микробных комплексов во всех ярусах: надземном (филлоплана), наземном (подстилка, мох и лишайники, напочв. разрастания водорослей), почвенном (все гор-ты). Раст. сообщества благодаря вертикально-ярусной организации в целом определяют пространственную организацию микробных сообществ в экосистемах. В лесных экосистемах при переходе от надземного яруса к наземному (подстилка) наблюдается резкое увеличение численности всех групп МО. Подстилку можно рассматривать как экотон – переход м/у филлопланой и почвой => богата видами, поскольку включает в себя представителей обоих сообществ + формы, свойственные самому экотону.
В напочвенных разрастаниях водорослей в самом верхнем слое доминируют грамотрицательные аэробные бактерии и стрептомицеты; микроаэрофилы-азот-фиксаторы (азоспириллы) — во втором ярусе, и бациллы и коринеподобные бактерии, питающиеся уже отмершими остатками водорослей, в третьем ярусе.
Аналогичная картина в лесных и степных подстилках: в верхнем слое —грамотрицательные аэробные и факультативно-анаэробные бактерии, дрожжи (питаются сахарами, а/к, орг. к-тами); ниже - нарастание доли сапробионтов, представленных миксобактериями, бациллами, актиномицетами, много грибов (гидролиз сложных раст. полимеров). В почвенном ярусе доминантами являются типичные педобионты как артробактер и стрептомицеты, очень много грибов (в том числе и микоризных).
Сверху вниз по ярусам нарастает общая биомасса и разнообразие микробов. Актиномицетов больше всего в подстилке (степном войлоке), грибов– в почве, а в подстилке чуть меньше, дрожжей – на растениях (филоплана), бактерий – в почве.
Структура лесных подстилок.
Бактерии: Протеобактерии – доминирующая группировка в подстилке, особенно в верхнем слое L (попадают с опадом). Питание переходит с эккрисотрофного на сапротрофное -> начинается процесс деструкции раст. остатков. В нижних слоях подстилки (F+H) появляются спорообразующие бактерии (bacillus, разруш.крахмал и пектин), цитофаги и миксобактери (разруш.целлюлозу); увеличивается доля стрептомицетов (хитин) и целлюломонад – все принадлежат к функц.группе гидролитиков, являются L- и K-стратегами.=> в нижних слоях подстилки происходит более глубокая переработка раст.остатков – расщепляются сложные полимеры. В подстилке есть копиотрофы, гидролитики и олиготрофы, представленные разными родами.
Актиномицеты:
Максимальная численность - в подстилке (миллионы КОЕ\г). Доминанты во всех ярусах – стрептомицеты (исключение – слои моховой подстилки ельников). Представители: Streproverticillium, Micromonospora, Nocardia.
2. Гидролитическая деятельность почвенных микроорганизмов.
Содержание.
1. Метаболические превращения клеток микроорганизмов
2. Свойства покоящихся клеток
3. Пролиферативный и метаболический покой
4. Репродуктивные покоящиеся формы микроорганизмов
5. Этапы формирования покоящихся форм
6. Механизмы катаболитной репрессии и репрессии конечным продуктом
7. Роль микроорганизмов в формировании и разложении почвенного гумуса
8. Автохтонная и зимогенная микрофлора
9. Микробная популяция как многоклеточный организм
10. Экологическая роль антибиотиков в почве
11. Примеры микробных сукцессий в почве
1. Метаболические превращения клеток микроорганизмов.
Метаболизм — совокупность всех химических превращений, происходящих в клетках. Этот термин объединяет два процесса: катаболизм (диссимиляция, или энергетический метаболизм) и анаболизм (ассимиляция, или конструктивный метаболизм). Первый процесс включает расщепление различных субстратов для получения энергии, второй — синтез высокомолекулярных соединений, используемых для образования клеточных структур. Различия в метаболизме у разных групп бактерий нередко используют в качестве фенотипических маркёров при идентификации микроорганизмов.
Синтез ( регенерация ) АТФ. Получение энергии в процессе фотосинтеза. Синтез АТФ осуществляется тремя способами: фотосинтетическое фосфорилирование, окислительное фосфорилирование (сопряжённое с транспортом электронов по дыхательной цепи) и субстратное фосфорилирование. В первых двух процессах преобразование поступившей с потоком электронов энергии в энергию фосфоэфирных связей АТФ осуществляет особый фермент — АТФ-синтетаза. Этот фермент присутствует во всех мембранах, участвующих в преобразовании энергии (мембраны бактерий, митохондрий и хлоропластов).
Получение энергии при окислении химических соединений. Бактерии хемотрофы. Получение энергии субстратным фосфорилированием. Брожение. Преобладающую часть бактерий составляют бактерии хемотрофы, получающие энергию в результате окислительно-восстановительных реакций расщепления химических веществ, которые в ряде случаев служат для них также источником питания. Разные бактерии получают энергию либо в процессе брожения либо в процессе дыхания. При брожении АТФ образуется исключительни путём субстратного фосфорилирования, а в процессе дыхания преимущественно путём окислительного фосфорилирования за исключением начальных этапов превращения гексоз в триозы (гликолиз, см. ниже). Получение энергии субстратным фосфорилированием Субстратное фосфорилирование может происходить при различных реакциях промежуточного метаболизма. При дегидрировании некоторых определённых субстратов часть энергии, освободившейся при окислении, сохраняется в форме высокоэнергетического фосфата. Богатая энергией фосфатная группа затем переносится на АДФ с образованием АТФ. Такой процесс называют фосфорилированием на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование).
Брожение. При брожении происходит анаэробное разложение углеводов и образование АТФ посредством субстратного фосфорилирования. Брожение характерно для факультативных и облигатных анаэробов. При брожении продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами и акцепторами водорода. Отдельные этапы окисления представляют собой дегидрирование, при котором водород переносится на НАД. Акцепторами водорода в составе НАДН+ служат промежуточные продукты расщепления субстрата. Кислород подавляет брожение, и оно у факультативных анаэробов сменяется дыханием. По выходу энергии брожение уступает дыхательному метаболизму: при сбраживании микроорганизмами 1 моля глюкозы образуется от 1 до 4 молей АТФ. Для сравнения; у дрожжей на 1 моль сброженной глюкозы образуется 2 моля АТФ, а при дыхании — 38. При ферментации субстратов в среде накапливаются конечные продукты (лактат, бутират, ацетон, 2-пропанол, этанол, ацетоин и др.). Определение природы этих продуктов— важный момент для идентификация анаэробов. Например, образование ацетоина определяют в реакции Фогеса-Проскауэра, кислотообразование — в тесте с метиловым красным, индолообразование — по методу Грациана. Применяют и другие тесты, разработанные для идентификации бактерий. Любое брожение проходит две стадии: первая (окисление) включает превращение глюкозы в пировиноградную кислоту, вторая (восстановление) — присоединение атомов водорода для восстановления пировиноградной кислоты (рис. 4-7). Сам процесс образования пировиноградной кислоты включает серию реакций, общих для брожения и аэробного дыхания. У микроорганизмов выделяют три пути образования триоз (пировиноградной кислоты и глицеральдегидфосфата) из углеводов: гликолитичес-кий (фруктозо-1,6-бифосфатный), пентозофосфатный и 2-кето-З-дезокси-б-фосфоглюконатный (КДФГ-путь, путь Энтнера-Дудорова-Парнаса). Согласно образующимся продуктам, брожение разделяют на следующие типы. Спиртовое брожение. Гомоферментативное молочнокислое брожение. Гетероферментативное брожение. Муравьинокислое брожение. Спиртовое брожение включает превращение пирувата в С02 и этанол. В течение многих веков способность дрожжей (особенно Saccharomyces cerevisiae) утилизировать глюкозу в анаэробных условиях с высоким выходом этанола и углекислоты применяют в пивоварении и виноделии. Аналогично дрожжам образует этанол Sarcina ventriculi. Бактерии кишечной группы, молочнокислые бактерии и клостридии образуют этанол в качестве побочного продукта сбраживания сахаров.
Гомоферментативное молочнокислое брожение (образуется практически только один продукт — молочная кислота) характерно для многих стрептококков и лактобацилл. Конечный продукт — молочная кислота — составляет не менее 90% всех продуктов брожения. В зависимости от стереоспецифичности лактатдегидрогеназы и наличия лактатрацемазы (фермент, переводящий один изомер в другой), могут образоваться различные изомеры молочной кислоты (D, L) или их смесь (DL-молочная кислота). Гетероферментативное брожение (образуется смесь различных продуктов) характерно для бифидобактерий и молочнокислых бактерий, для рода Leuconostoc. Оно приводит к образованию молочной и уксусной кислот в ряде сходных процессов. Конечными продуктами могут быть дополнительно С02 и этанол, а при сбраживании фруктозы — маннитол.
Конструктивный метаболизм ( пластический обмен ). Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий. Биосинтез аминокислот и белков бактериями. Совокупность биосинтетических реакций включения низкомолекулярных соединений в клеточные полимеры составляет суть конструктивного метаболизма. Комплекс этих реакций иногда называют пластическим обменом. Углеродные соединения для биосинтетических реакций бактерий Для биосинтеза клеточных компонентов необходимы соответствующие низкомолекулярные соединения-предшественники (например, сахара или аминокислоты). При наличии таких предшественников в окружающей среде они непосредственно вовлекаются в различные биосинтети-че.ские пути. Однако гораздо чаще бактериям приходится предварительно синтезировать большую часть молекул-предшественников из доступных исходных продуктов. Огромное разнообразие субстратов, которые бактерии могут использовать в качестве источников питания, вытекает из широкого спектра их метаболических возможностей. Исходные продукты для биосинтеза образуются в ходе различных путей катаболизма, включая гликолиз, КДФГ-путь, пентозофос-фатный путь, окисление пирувата и ЦТК. Например, углеродные фрагменты из ЦТК — сукцинил-КоА и ацетил-КоА — используются соответственно для образования тетрапирролов и жирных кислот. Следует помнить, что подобное «изъятие» интермедиатов из ЦТК возможно лишь при постоянном восполнении их дефицита.