4.2.12. Открытие хемосинтеза. Создание почвенной и экологической бактериологии
Большой вклад в развитие общей микробиологии внесли С.Н. Виноградский (рис. 4. 2.30) и голландский микробиолог М. Бейеринк (рис. 4.31). Оба много и плодотворно работали в разных областях микробиологии. Впитав идеи Л. Пастера о многообразии форм жизни в микромире, С. Н. Виноградский ввел микроэкологический принцип в исследование микроорганизмов.
Пользуясь изящными методическими приемами, в основу которых был положен микроэкологический принцип, С.Н. Виноградский выделил из почвы микроорганизмы, представляющие собой совершенно новый тип жизни и получившие название хемолитоавтотрофных. В качестве единственного источника углерода для построения всех веществ клетки хемолитоавтотрофы используют углекислоту, а энергию получают в результате окисления неорганических соединений серы, азота, железа, сурьмы или молекулярного водорода. Так было открыто явление, названное Виноградским «минеральным дыханием», или, по его терминологии 1922 г., аноргоксидацией, а согласно современной терминологии этот процесс называется хемосинтезом.
Рис. 4.2.30. Сергей Николаевич Виноградский (1856-1953)
Концепция хемоавтотрофного обмена веществ получила особенно убедительные доказательства и развитие в исследованиях Виноградского, посвященных возбудителям нитрификации — одного из важнейших почвенных процессов. Предположив, что в основе жизнедеятельности этих бактерий лежит процесс окисления аммиака (первая фаза нитрификации) и нитритов (вторая фаза нитрификации), Виноградский раскрыл особенности физиологии нитрифицирующих бактерий, длительное время ускользавшие от внимания его предшественников по изучению нитрификации — Р. Уорингтона, П. Франклэнда и др.
Рис. 4.2.31. Мартинус Виллем Бейеринк (Martinus Willem Beijerinck, 1851-1931)
На среде, освобожденной от органических примесей (среда из кремнекислого геля), Виноградский выделил чистые культуры нитритных и нитратных бактерий. Путем точных количественных определений он доказал, что нитрифицирующие бактерии обладают способностью к хемосинтезу, т.е. к синтезу органических соединений за счет энергии химического окисления минеральных веществ.
В работах по физиологии хемоавтотрофных бактерий Виноградский развивал идею экологического подхода к изучению жизнедеятельности микробов в лабораторных условиях. Он неизменно подчеркивал, что только строгий учет экологических особенностей свободноживущих микроорганизмов позволяет раскрыть сущность их физиологии. Результаты исследований физиологии клубеньковых, а также целлюлозоразлагающих бактерий, возбудителей мочки льна и т.д., значительно обогатили общую и почвенную микробиологию. Впоследствии он разработал целостную теорию почвенной микробиологии.
Микроэкологический принцип С.Н. Виноградского был успешно развит М. Бейеринком и применен при выделении различных групп микроорганизмов. В частности, спустя восемь лет после открытия С. Н. Виноградским анаэробного азотфиксатора, М. Бейеринк обнаружил в почве еще один вид бактерий, способных к росту и азотфиксации в аэробных условиях, — Azotobacter chroococcum. Круг научных интересов М. Бейеринка был необычайно широк. Ему принадлежат работы по исследованию физиологии клубеньковых бактерий, изучению процесса денитрификации и сульфатредукции, работы по изучению ферментов разных групп микроорганизмов. Созданный Бейеринком метод обогатительных культур, заключающийся в тщательном изучении условий развития микроорганизмов в природе, оказался ценным дополнением к методу элективных культур и получил широкое распространение в практике выделения специфичных в питании микробов.
С.Н. Виноградский и М. Бейеринк являются основоположниками экологического направления микробиологии, связанного с изучением роли микроорганизмов в природных условиях и участием их в круговороте веществ в природе.
Сообщения об активном участии микроорганизмов в процессах превращения веществ в природе стали быстро накапливаться в 70—80-х гг. XIX в. В 1877 г. французские химики Т. Шлезинг (Т. Schloesing) и А. Мюнц (A. Muntz) доказали микробиологическую природу процесса нитрификации. В 1882 г. П. Дегерен (Р. Deherein) обнаружил аналогичную природу процесса денитрификации, а двумя годами позднее он же установил микробиологическую природу анаэробного разложения растительных остатков. М. С. Воронин в 1867 г. описал клубеньковые бактерии, а спустя почти двадцать лет Г. Гельригель (Н. Неllrigеl) и Г. Вильфарт (Н. Willfarth) показали их способность к азотфиксации.
Успехи, достигнутые в раскрытии экологических особенностей микробов, были в значительной мере связаны с применением специальных методов изучения живой микрофлоры, основывающихся на принципе культивирования в среде, максимально приближающейся к природным условиям обитания микробов.
Идея С. И. Виноградского (1924) о том, что только продолжительное по мере возможности наблюдение над процессом развития единичных форм (особей) в микрокультурах может привести к цели, легла в основу разработки методов прямого микроскопического исследования микроорганизмов. Среди них особенно широкое применение получили метод стекол обрастания Росси — Холодного (1927, 1930); «почвенная камера» Н.Г. Холодного (1933) и его же метод «проращивания» почвенной пыли; приемы изучения глубоководной микрофлоры, разработанные А.Е. Криссом (1959) и его сотрудниками; капиллярные методы изучения микроорганизмов, введенные Б.В. Перфильевым и Д. Р. Габе (1961); пластинки из нитратного агара, предложенные Е.3. Теппер для изучения проактиномицетов; педоскопы, созданные Т.В. Аристовской для изучения почкующихся бактерий и нашедшие широкое применение в почвенной микробиологии, и др.