Экология микроорганизмов

Круговорот  углерода начинается с фиксации С02 зелеными растениями и автотрофными микроорганизмами.

Образовавшиеся  в процессе фото- и хемосинтеза  углеводы или другие углеродсодержащие  органические соединения частично используются этими же организмами для получения энергии, при этом СО2 (продукт реакций окисления) выделяется в среду. Часть фиксированного растениями углерода потребляется человеком и животными, которые выделяют его в форме СО2 в процессе дыхания. Углерод, образующийся в результате разложения отмерших растений и животных, окисляется до СО₂ и тоже возвращается в атмосферу.

Ведущая роль в возвращении углерода в  атмосферу принадлежит микроорганизмам. В процессе дыхания и брожения они разлагают самые разнообразные  органические вещества.

В аэробных условиях очевидна связь между процессами образования органического углерода, выделения О₂ и потребления СО₂, что следует из уравнения:

Продукция 
СО₂ + Н₂О                  [СН₂О] + О₂

Деструкция

Участие микроорганизмов  в круговороте азота в природе

В результате биохимической деятельности микроорганизмов могут образовываться его соединения с валентностью от -3 до +5 (в зависимости от окислительно -восстановительных условий).

Первый  этап - фиксация молекулярного азота. Он осуществляется аэробными и анаэробными азотфиксирующими микроорганизмами, которые могут быть свободноживущими и симбиотическими. Конечным продуктом азотфиксации является ион аммония NH₄⁺.

Второй  этап круговорота азота, получивший название аммонификации, приводит к высвобождению аммиака в результате процессов минерализации  бактерии рода Pseudomonas, Bacillus, Proteus и др.

На  третьем этапе круговорота азота  происходит нитрификация: об разовавшийся при аммонификации аммиак окисляется до нитритов и нитратов. Типичные нитрификаторы относятся к хемолитоавтотрофам. Процесс нитрификации является двухфазным, причем каждая фаза осуществляется различными видами бактерий. Кроме типичных нитрификаторов, многие гетеротрофные бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Arthrobacter, Xanthomonas способны окислять аммиак и другие восстановленные соединения азота до нитритов и нитратов. Этот тип нитрификации получил название гетеротрофной.

Нитраты, образующиеся в процессе нитрификации, потребляются определенными растениями и микроорганизмами, имеющими ассимиляционную нитратредуктазную активность. Если нитраты служат не только источниками азота, но и акцепторами электронов в бескислородных условиях, говорят о денитрификации. В результате ее образуется либо NH³, либо N₂, который выделяется в атмосферу и возвращаются в цикл. Этот процесс протекает с высвобождением NO и NO2 в качестве побочных продуктов, которые также поступают в атмосферу, где действуют как газы, создающие парниковый эффект.

Участие микроорганизмов  в биологическом круговороте  серы в природе

В природе  постоянно происходят многообразные  превращения серы, где основную роль играют микроорганизмы, и только один из этапов серного цикла (ассимиляционная  сульфатредукция) может происходить без участия прокариот.

Микроорганизмы  осуществляют три важнейших этапа  в превращении серы: минерализацию органической серы, окисление и восстановление минеральной серы. Эти этапы определяют три основные формы природной серы: органическую серу (белки, аминокислоты); сульфаты и сульфиты; сероводород и сульфиды.

В процессе минерализации органической серы участвуют  многочисленные неспециализированные гетеротрофные микроорганизмы (аэробные и анаэробные бактерии, грибы и некоторые актиномицеты).

Окисление минеральной серы, получившее название сульфофикации, вызывается особыми группами бактерий - бесцветными серобактериями, зелеными и пурпурными серными бактериями, тионовыми бактериями и некоторыми железобактериями, широко распространенными как в почвах, так и в водоемах. В анаэробных условиях H₂S могут окислять и денитрифицирующие бактерии.

Восстановление  сульфатов как наиболее распространенной в биосфере формы серы до сероводорода осуществляется облигатными сульфат-редуцирующими анаэробами в процессе сульфатного дыхания. Восстановление сульфатов до сульфидов с последующим включением их в состав органических веществ (цистина, цистеина, метионина, ко-фермента А, биотина, тиамина, липоевой кислоты) происходит в процессе ассимиляционной сульфатредукции, в которой могут принимать участие растения или микроорганизмы.

Следует отметить, что в природе может  происходить восстановление и элементарной серы в процессе серного дыхания, которое осуществляют анаэробные бактерии Desulfuromonas acetoxidans, использующие ее в качестве конечного акцептора электронов. Сера восстанавливается при этом также до сероводорода.

В общем  глобальном цикле серы можно выделить отдельные круговороты меньшего масштаба, функционирующие в определенных экологических условиях. Например, фототрофные пурпурные серные бактерии окисляют H₂S с образованием глюкозы.

Участие микроорганизмов  в биологическом круговороте  фосфора в природе

Микроорганизмы  осуществляют следующие преобразования соединений фосфора: перевод в растворимую форму фосфатных минералов, включение неорганического фосфата в органические соединения клеток и минерализацию органических соединений фосфора. Все эти процессы осуществляют гетеротрофные, хемолитотрофные бактерии, а также грибы, образующие микоризу.

 

 

ПРОБЛЕМА ЗАГРЯЗНЕНИЯ  ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ И ВОЗМОЖНОСТИ  САМООЧИЩЕНИЯ

 

Для обеспечения сбалансированного  круговорота веществ необходимо, чтобы эти соединения как синтезировались, так и разлагались. Человек в своей деятельности не только заставил живые организмы образовывать нужные ему вещества в сверхколичествах, но и синтезировал химическим путем огромное количество чуждых природе соединений, которые, обладая значительной стабильностью, накапливаются в окружающей среде. Такие ксенобиотики имеют уникальную биологическую активность, как правило, негативную (канцерогенную, мутагенную, тератогенную, аллергенную) и, быстро распространяясь по пищевым цепям и в пространстве, оказывают токсическое воздействие уже на уровне микропримесей. В широком смысле к ксенобиотикам могут быть отнесены и вещества природного происхождения, но полученные в сверхколичествах и перемещенные в несвойственные им места (например, нефть). Поскольку человечество не может полностью отказаться от использования таких веществ, так как они применяются практически во всех областях деятельности, первоочередной задачей становится очистка окружающей среды от антропогенных загрязнителей.

Микроорганизмы, обладающие огромным разнообразием ферментных систем и большой лабильностью метаболизма, и являются тем звеном, которое в основном ответственно за самоочищение природных экосистем и может осуществлять биодеграда-цию природных и синтетических ксенобиотиков, тем самым возвращая основные питательные элементы в глобальный цикл.

Особую актуальность разрушающая способность микроорганизмов приобрела в последние десятилетия в связи с увеличивающимся присутствием в биосфере устойчивых загрязнителей антропогенного происхождения, причем нередко в масштабах, превышающих природную самоочищаюшую способность.

Применение живых  организмов для очистки воды, почвы  и воздуха от различных загрязнений  основано на их способности к биодеградации (биоразрушению). Это широкое понятие включает три более узких процесса:

■ трансформацию, или незначительные изменения молекулы;

■ фрагментацию, или разложение сложной молекулы на более простые соединения:

■ минерализацию, или превращение сложного вещества в самые простые (Н₂О, СО₂, Н₂. NH₃. СН₄ и т.д.). Деградация ксенобиотиков может происходить различными путями в зависимости от химической структуры разрушаемого вещества, наличия тех или иных биологических активностей, а также в зависимости от условий окружающей среды. Химическая природа ксенобиотиков чрезвычайно разнообразна — линейные и разветвленные алканы и алксны, ароматические соединения с различными заместителями, гетероциклы. конденсированные циклические структуры и полимеры. В разрушении сложных, устойчивых веществ важны процессы синтрофии и кометаболизма (в аэробных условиях — соокисления), когда проявление способности к трансформации сложной молекулы обусловливается наличием доступного источника энергии для поддержания жизнедеятельности, так как сам ксенобиотик не может использоваться в этих целях.

В настоящее время  микроорганизмы используют для очистки  сточных вод. Очистное сооружение в  принципе представляет собой проточный  водоем, в котором при участии  грибов и бактерий (аэробных и анаэробных) происходит разложение органических веществ. Загрязнения в сточных водах  могут быть различного рода в зависимости  от того, что сбрасывается, - только фекалии и бытовые отходы или  также навоз, сточные воды боен или  другие промышленные отходы. Во многих случаях сточные воды содержат тяжелые  металлы или устойчивые органические соединения. Цель очистки сточных  вод состоит в освобождении их от твердых и жидких минеральных  и органических веществ, прежде чем  эти воды попадут в ручьи и  реки. Особые усилия требуются для миурализации органического материала микробиологическим путем.

Содержание органических веществ, разлагаемых микробами, оценивают  по так называемому «биологическому  потреблению кислорода» (БПК). Это  количество кислорода, необходимое  микроорганизмам для окисления  органического материала в процессе дыхания. Например, БПК 5-это количество кислорода (мг), которое будет потреблено микроорганизмами в процессе разложения органических веществ за 5 дней. «Химическое  потребление кислорода» (ХПК) означает количество кислорода, необходимое  для полного химического окисления  тех же веществ до СО₂ и Н₂О.

Для очистки сточных  вод в очистных системах используются различные технические приемы, однако при этом осуществляются в принципе одни и те же основные этапы:

1) удаление относительно легко осаждаемых твердых частиц в пескоуловителе и в первичном отстойнике;

2) микробиологическое окисление растворенных органических веществ с применением активного ила либо с использованием биофильтра;

3) инкубация осадка, удаленного из первичного и вторичного отстойников, в анаэробных условиях в метантенке, где в результате образуется метан и выпадает осадок. После обезвоживания из этого осадка можно получать компост и использовать его в качестве удобрения или сжигать.

Затем очищенная, осветленная  вода сбрасывается в реки - непосредственно  или через водоприемник. Эта вода еще содержит продукты минерализации - ионы фосфата, нитрата, аммония и  другие. В результате ее сброса в  реке может создаться такой избыток  питательных веществ, что это  вызовет увеличение первичной продукции. Для того чтобы избежать такой эвтрофизации водоемов, можно либо использовать очищенные сточные воды для орошения полей или удобрения лесных почв, либо добавить к обычной процедуре еще один этап очистки и путем денитрификации освобождать сточные воды хотя бы от связанного азота. Дополнительно их можно очищать путем химического осветления, а именно осаждения ионов фосфата с помощью солей железа. Возможно проведение и других мероприятий по очистке сточных вод.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Микроорганизмы распространены повсюду. Они заселяют почву, воду, воздух, растения, организмы животных и людей - экологические среды обитания микробов.

Выделяют свободноживущие  и паразитические микроорганизмы. Всюду, где есть хоть какие- то источники  энергии, углерода, азота, кислорода  и водорода (кирпичиков всего живого), обязательно встречаются микроорганизмы, различающиеся по своим физиологическим  потребностям и занимающих свои экологические  ниши. Титаническая роль микроорганизмов  в круговороте веществ в природе имеет исключительное значение для поддержания динамического равновесия биосферы. Жизнь на Земле непрерывна, поскольку все основные элементы жизни подвергаются циклическим превращениям, в значительной степени определяемых микроорганизмами.

Микроорганизмы особо  чувствительны к изменениям факторов среды, а особенно к изменениям температуры, рН среды, наличию влаги и др. Некоторые виды обитают в экстремальных условиях, при критических значениях параметров среды.

Знание физиологии и  условий существования организмов используется человеком не только в  биотехнологии, но также при очистке  сточных вод. На самом деле, использование  микробов для утилизации отходов человеческой деятельности может быть широко использовано, так как они способны осуществлять биодеградацию природных и синтетических ксенобиотиков, тем самым возвращая основные питательные элементы в глобальный цикл.

Таким образом можно  сказать, что экология микроорганизмов  весьма важный раздел в науке микробиологии, который дает представления о  способе жизни микроорганизмов  и о их роли в биосфере. Тем более эти знания могут быть использованы человеком в своей практической  деятельности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

• А.И. Нетрусов. Экология микроорганизмов. – М.: изд. ACADEMA, 2004
• О.И. Колешко, Т.В. Завезенова. Микробиология с основами вирусологии: Учебник – Иркутск: изд. Иркут. ун-та, 1999
• А.И. Нетрусов, И.Б. Котова. Микробиология: учебник для студ. высш. учеб. заведений. -  М.: изд. Академия, 2006
• Ресурс сети Интернет: http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0129486#