Роль микробов в круговороте азота и углерода

Под природным круговоротом веществ понимают непрерывную цепь превращений химических элементов, из которых построены живые существа. Динамическое равновесие и устойчивость биосферы планеты зависят от бесперебойного снабжения солнечной энергией и постоянного круговорота углерода, кислорода, азота, серы и фосфора. В целом эти процессы выглядят так.

Только азотфиксирующие бактерии почвы способны непосредственно использовать молекулярный азот воздуха как материал для собственного белка. Высшие растения могут утилизировать азот лишь в виде его соединений - аммонийных солей, нитратов. Бактерии-аммонификаторы трансформируют белки в аммиак и аммонийные соли (минерализация азота), нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соли в соли азотной кислоты, а бактерии-денитрофикаторы снова восстанавливают молекулярный азот.

Обусловленный бактериями распад азотистых органических веществ - это и есть суть процесса гниения, соответствующий распад безазотистых органических веществ - суть процесса брожения.

Гнилостные микробы широко распространены в почве, воде, воздухе, в животных и растительных организмах. Поэтому любой открытый продукт быстро подвергается гниению. Его вызывают как анаэробные, так и аэробные микроорганизмы. Наиболее глубокий распад белка с образованием азотистых и безазотистых соединений (скатола, индола, жирных кислот, NH3, H2S) происходит при участии спорообразующих бактерий рода Bacillus - В. mycoides, B. mesentericus, В. subtilis, бактерий семейства Enterobacteriaceae (Proteus, Escherichia) и др. Споробразующие анаэробы рода Clostridium - С. putrificum, C. sporogenes обитают в малой концентрации в кишечнике, после смерти хозяина они активизируются, вызывая зловонное разложение трупа.

Гнилостные процессы постоянно происходят и в живом организме. В кишечнике их активаторами являются Proteus, Escherichia, Morganella, Klebsiella, Pseudomonas и другие бактерии, продуцирующие протеолитические ферменты. По мнению И.И. Мечникова, постоянно образующиеся в кишечнике продукты гниения (скатол, индол и др.), вызывают хроническую интоксикацию и являются одной из причин преждевременного старения.

При газовой гангрене ткани, омертвевшие под влиянием экзотоксинов, образуемых бактериями рода Clostridium, заселяются другими гнилостными аэробными и анаэробными бактериями и подвергаются дальнейшему распаду. Исключительно важную роль процессы гниения играют в естественном самоочищении почвы и воды, этим пользуются при биологическом обезвреживании нечистот и фекальных сточных вод.

Круговорот углерода

Процессы распада безазотистых органических веществ обусловлены по преимуществу жизнедеятельностью микроорганизмов, а процессы созидательные - в результате фотосинтеза зеленых растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий. Минерализация, т.е. превращение органического углерода в С0₂, в 90% осуществляется микроорганизмами.

Ежегодно зеленые растения потребляют около 60 млрд тонн углекислого газа (или 20 млрд тонн углерода), а в атмосфере содержится около 600 млрд тонн углерода. Таким образом, при безвозвратном использовании его хватило бы только на 30 лет. Однако непрерывный круговорот сохраняет равновесие между потреблением углерода (из атмосферы) и выделением его в атмосферу.

Брожение - преимущественно анаэробный вариант биологического окисления углеводородсодержащих органических субстратов.

Процессы брожения обеспечивают распад неазотистых органических веществ. При этом микроорганизмы используют выделяющуюся энергию для своей жизнедеятельности. Еще в XIX в. Л. Пастер показал зависимость различных вариантов брожения от вида микроба и характера сбраживаемого субстрата.

Спиртовое брожение углеводов вызывают дрожжи (Saccharomyces), некоторые бактерии (Sarcina) и грибы (Мисог). При спиртовом брожении гексозы распадаются на этанол и углекислый газ. Спиртовое брожение издревле применяется в производстве вина и пива, а также в хлебопечении. Обычно используют специально селекционированные (производственные) штаммы микрорганизмов с известными ферментативными свойствами. Контаминация исходного сырья дикими штаммами (расами), например, дрожжами рода Torula ухудшают вкус напитков и делают их мутными.

Уксуснокислое брожение - процесс, при котором ферменты уксуснокислых бактерий рода Acetobacter окисляют спирт до уксусной кислоты. Acetobacter необходимы для получения пищевого уксуса, однако вредят в виноделии и пивоваренной промышленности.

Молочнокислое брожение - такой вариант биологического окисления углеводов, когда сначала одни ферменты молочнокислых бактерий, например рода Lactobacillus, расщепляют лактозу до глюкозы и галактозы, а затем другие ферменты превращают последние в молочную кислоту. Молочная кислота в молоке отщепляет кальций от казеина, белок превращается в параказеин и выпадает в осадок, иными словами - молоко свертывается.

Молочнокислые бактерии активно участвуют в бродильных процессах, протекающих в кишечнике при пищеварении. И.И. Мечников считал, что брожение в пищеварительном тракте необходимо стимулировать для сдерживания избыточных гнилостных процессов. С этой целью он настоятельно рекомендовал регулярно употреблять кисломолочные продукты с живой специфической микрофлорой и до конца жизни неукоснительно следовал этому правилу (знаменитая «простокваша Мечникова» с болгарской палочкой Lactobacillus bulgaricum).