Биоценоз - это что? Структура биоценоза: пространственная и видовая. Бактерии почвенные
В природе виды растений, животных, грибов и микроорганизмов распределяются не случайно. Они всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы – природные сообщества. Такие комплексы взаимосвязанных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования, называют .
Биоценоз – сложная природная система, состоящая из разных групп организмов, различающихся по роли, которою они играют в переносе энергии и вещества, по месту, занимаемому в пространстве и в пищевой системе.
В природе можно выделить различные биоценозы: леса, пруда, болота, луга, моховой кочки, разрушающегося пня и т.д. Более мелкие являются в природе частями крупных.
Биоценозы
– не случайные собрания разных организмов. В сходных природных условиях и при близком составе видов растений и животных возникают сходные, закономерно повторяющиеся биоценозы.
Члены природного сообщества вязаны прямыми или косвенными пищевыми отношениями, создают среду обитания друг для друга и взаимно регулируют численность.
В любом биоценозе различают три группы организмов: производители органического вещества (зеленые растения), его потребители (растительноядные, всеядные и хищные животные) и разрушители (почвенные черви, бактерии, плесневые ). Отдельные растения живут не изолированно, а совместно, образуя растительные сообщества – группы взаимосвязанных растений разных видов, длительное время произрастающих на одной территории и оказывающих влияние друг на друга и среду обитания.
Примерами растительных сообществ являются лес, болото и луг. Все растения этих сообществ приспособлены к особым условиям совместной жизни. Каждое растительное сообщество расположено на однородной территории. Почва этой территории, влажность, освещенность, температура и другие условия жизни отличаются от таковых в другом сообществе. Роль растений в жизни природного сообщества огромна. Зеленые растения обогащают атмосферный воздух кислородом, необходимым для дыхания подавляющему большинству организмов. В растениях в процессе образуются огромные массы органических веществ, которые затем используются как пища многими обитателями природного сообщества.
Растения влияют на климат, способствуют сохранению влаги, очищают воздух от пыли, задерживают ветер, смягчают зимнюю стужу, ослабляют жару, задерживают снег.
Растения – это убежище для многих животных. Так, птицы устраивают на деревьях, в зарослях травы, используя части растений (ветки, листья, стебли) в качестве строительного материала. Камышовка строит гнездо в зарослях камыша, иволга – на тонких ветках деревьев. Под корой деревьев живут жуки-короеды, на корневой системе находят корм личинки майских жуков.
Заросли растений скрывают животных от врагов. Значение растений в жизни животных настолько велико, что их существование без растений было бы невозможным.
Велика роль растений в формировании почвы. Отмершие растительные остатки (листья, стебли, стволы деревьев) перерабатываются детритофагами – организмами, которые питаются мертвой органикой, образуя почву.
Корни растений скрепляют почву, предохраняя ее от разрушения. Для того чтобы не увеличивать овраги, на их склонах и обрывах рекомендуется сажать деревья.
Вспомните!
Наличие оформленного ядра
Какова роль бактерий в природе?
Полезные бактерии пищеварительного тракта (escherichia coli)
Клубеньковые бактерии растений
Производственные процессы (молочнокислые бактерии)
Патогенные (болезнетворные) бактерии (палочка Коха)
Биологическая очистка питьевой воды, вместо хлорирования
Круговорот веществ и энергии в биосфере в целом
Вопросы для повторения и задания
1. В чём заключаются значение и экологическая роль прокариот в биоценозах?
2. Каким образом болезнетворные микроорганизмы влияют на состояние макроорганизма (хозяина)?
Среди бактерий существует много болезнетворных (патогенных) видов, вызывающих заболевания у человека. Впервые доказать болезнетворную роль бактерий удалось немецкому врачу и исследователю Роберту Коху. Он открыл бактерий-возбудителей многих заболеваний. В 1882 г. Кох выделил и описал возбудителя туберкулёза, которого позже стали называть палочкой Коха. Одним из самых быстротекущих бактериальных заболеваний является чума. От первых признаков болезни до смерти может пройти всего несколько часов. Очень опасны газовая гангрена и столбняк. Их возбудители - бактерии, живущие в почве. Заражение происходит при попадании земли в глубокие раны. Поверхностные раны и ожоги часто инфицируются стафилококками и стрептококками, вызывающими гнойные воспаления. Через воздух можно заразиться ангиной, коклюшем, дифтерией, туберкулёзом. Другие болезнетворные микробы могут попасть в организм через сырую воду, немытые овощи и фрукты, грязную посуду и руки. Такие заболевания, как холера, брюшной тиф, дизентерия, сопровождаются расстройством работы кишечника, болями в животе, повышением температуры.
3. Опишите строение бактериальной клетки. Как вы думаете, почему у бактерий ДНК не образует комплекс с белками?
Клетка окружена мембраной обычного строения, кнаружи от которой находится клеточная стенка. В центральной части цитоплазмы располагается одна кольцевая молекула ДНК, не отграниченная мембраной от остальной части цитоплазмы. Зона клетки, содержащая генетический материал, носит название нуклеоид (от лат. nucleus - ядро и греч. eidos - вид). Кроме основной кольцевой «хромосомы» бактерии обычно содержат несколько мелких молекул ДНК в форме небольших, свободно расположенных колец, так называемых плазмид, участвующих в обмене генетическим материалом между бактериями. В бактериальных клетках нет мембранных органоидов, характерных для эукариот (эндоплазматической сети, аппарата Гольджи, митохондрий, пластид, лизосом). Функции этих органоидов выполняют впячивания клеточной мембраны. Обязательными органоидами, которые обеспечивают синтез белка в бактериальных клетках, являются рибосомы. Поверх клеточной стенки многие бактерии выделяют слизь, образуя своеобразную капсулу, дополнительно защищающую бактерию от внешних воздействий.
Белки-гистоны, которые образуют комплексы в эукариотических клетках, прежде всего выполняют функцию упаковки для компактного расположения в ядре, а в прокариотической клетке нет ядерной оболочки, поэтому и белки не нужны.
4. Как размножаются бактерии?
Бактерии размножаются простым делением надвое. После редупликации кольцевой ДНК клетка удлиняется и в ней образуется поперечная перегородка. В дальнейшем дочерние клетки расходятся или остаются связанными в группы.
5. В чём сущность процесса спорообразования у бактерий? Сравните споры растений и грибов. В чём их сходство и принципиальные отличия?
Многие прокариоты способны к спорообразованию (рис. 40). Споры возникают, как правило, в неблагоприятных условиях и представляют собой клетки с резко сниженным уровнем метаболизма. Споры покрыты защитной оболочкой, сохраняют жизнеспособность в течение сотен и даже тысяч лет и выдерживают колебания температуры от –243 до 140 °С. При наступлении благоприятных условий споры «прорастают» и дают начало новой бактериальной клетке. Таким образом, спорообразование у прокариот является этапом
жизненного цикла, обеспечивающим переживание неблагоприятных условий окружающей среды. Кроме этого в состоянии спор микроорганизмы могут легко распространяться при помощи ветра и другими способами.
Подумайте! Вспомните!
1. Предположите, что произойдёт, если исчезнут все бактерии на Земле.
Бактерии играют огромную роль в существовании современной биосферы. Многие из них вызывают процессы гниения и брожения. Существуют прокариоты, живущие в симбиозе с другими организмами, например клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений. Поэтому нарушиться устойчивость экосистем и глобальный круговорот химических элементов и соединений в природе, прекратятся процессы гниения, и другие важнейшие процессы экосистем.
2. Как давно люди используют микроорганизмы?
Впервые бактерии увидел под микроскопом и описал в 1683 г. голландский натуралист А. Левенгук. Размеры бактерий колеблются в пределах от 1 до 15 мкм. Отдельную бактериальную клетку можно увидеть только с помощью достаточно сложного микроскопа, поэтому их и называют микроорганизмами. Микроорганизмы в виде заквасок для приготовления пива и вина сознательно использовали еще в Вавилоне (4 тыс. лет назад) и у шумеров (более 5 тыс. лет назад). Сейчас люди используют уже сотни видов микроорганизмов, и число это растет. Но качественный скачок в их использовании произошел, вероятно, 20-30 лет назад, когда были поняты многие генетические механизмы регуляции биохимических процессов, происходящих у микроорганизмов, а сама их генетика стала такой же строгой наукой, как до того генетика высших эукариот. Все эти годы происходило не только увеличение наших знаний о микроорганизмах, но и совершенствование технологии их использования в практических целях. Все это послужило базой для создания микробиологической промышленности - важной и самостоятельной отрасли современного производства.
3. В чём состоит сущность процессов пастеризации и стерилизации как меры борьбы с бактериями?
Пастеризация - тепловая обработка молока при температурах ниже точки его кипения, проводимая в целях обезврежения молока в микробиологическом отношении, инактивации ферментов, придания молоку определенного вкуса и запаха. Пастеризация молока ослабляет или уничтожает некоторые пороки вкуса и запаха молока, а в сочетании с охлаждением и асептическим розливом исключает вторичное обсеменение микроорганизмами, предотвращает порчу продукта при хранении. Возможное бактериальное обсеменение при технологической обработке молока наглядно видно. Критические температуры гибели патогенных микроорганизмов ниже, чем молочнокислых, особенно термофильных бактерий; наиболее устойчивы бактерии туберкулеза. Температуры разрушения ферментов также различны. Так, фосфатаза инактивируется при 72-74 °С, нативная липаза - при 74-80 °С, бактериальная липаза - при 85-90 °С.
Стерилизация - тепловая обработка молока при температуре выше 100 °С. При этом полностью уничтожаются все виды вегетативных микроорганизмов, их спор, инактивируются ферменты. В молочной промышленности применяют следующие виды стерилизации: стерилизация в таре при температуре 115-120 °С с выдержкой 30 и 20 мин; обработка ультравысокими температурами (УВТ-обработка или ультра пастеризация) при температуре в пределах 140 °С с выдержкой 2 с.
Антибиотики – это препараты для лечения бактериальных инфекций и заболеваний.
6. Организуйте и проведите исследование микроорганизмов в естественных продуктах (квашеная капуста, кисломолочные продукты, чайный гриб, дрожжевое тесто).
Молоко - питательная жидкость, вырабатываемая молочными железами самок млекопитающих, это многокомпонентная полидисперсная система, в которой все составные вещества находятся в тонкодисперсном состоянии, что обеспечивает молоку жидкую консистенцию, в его состав входит: вода, молочный жир, белки, казеин, молочный сахар лактоза, минеральные вещества, витамины, пигменты, гормоны, газы (углекислый, азот, кислород, аммиак), и др компоненты. Для опыта необходимо взять пастеризованное свежее молоко и несвежее (24 часа стоявшее при комнатной температуре).
Ход работы:
1. Микробиологическую петлю окуните в пробу свежего молоко, слегка взболтай его.
2. Распределите содержимое петли в чашке Петри (с заготовленной средой агар-агара), и распределите пробу по всей поверхности штрихами.
3. Закройте крышку чашки.
4. Тоже сделайте с несвежим молоком и другой чашкой Петри.
5. Все пробы (можно сделать несколько чашек), поместите в термостат при температуре 350С на трое суток.
6. Чашки следует перевернуть, чтобы избежать попадание конденсата на пробы.
7. После инкубации бактерий, чашки можно положить в холодильник, предварительно перевязав скотчем.
8. Приготовить мазок пробы.
9. 1-2 капли поместить на предметное стекло
10. Прокалить петлю, слегка коснуться колонии бактерий в чашке Петри
11. Перемести клетки на предметное стекло и слегка помешать каплю петлей.
12. Размазать клетки в виде тонкой пленки.
13. Высушите стекло с пробой, можно над пламенем спиртовки, очень осторожно – не перегреть!
14. Рассмотреть под микроскопом изготовленный микропрепарат
15. Сделать рисунок.
16. Сделать выводы.
На современном этапе развития главная цель, стоящая перед школьным образованием, и в том числе перед биологическим, - подготовка культурного, высокообразованного человека, творческой личности. Решение этой глобальной задачи направлено на возрождение духовных, нравственных традиций, приобщение учеников к культуре, созданной за тысячелетнюю историю человечества, формирование нового стиля мышления - биоцентрического, без которого невозможно сохранение жизни в биосфере.
Биология вносит существенный вклад в формирование у школьников научной картины мира, здорового образа жизни, гигиенических норм и правил, экологической грамотности; в подготовку молодежи к трудовой деятельности в области медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, рационального природопользования и охраны природы. (3,6)
Содержание биологического образования включает знания об уровне организации и эволюции живой природы; биоразнообразии; обмене веществ и превращении энергии; размножении и индивидуальном развитии организмов, их связях со средой обитания и приспособленности к ней; об организме, его биологической природе и социальной сущности; санитарно-гигиенических нормах и правилах здорового образа жизни. (4,6)
Реализация этих задач осуществляется через программы и учебно-методические образования. В настоящее время существует несколько учебно-методических комплектов по биологии. Учитель может выбрать один из них с учетом особенностей регионов, уровня подготовки учащихся, специализации обучения в школе.
Именно от выбора программы зависит, в какой последовательности и как глубоко учащиеся будут изучать материал.
По программе Сивоглазова В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. в книге для учителя «Биология: общие закономерности» тема «Биогеохимическая деятельность микроорганизмов» не рассматривается как самостоятельная на отдельном уроке, а является составной частью других тем. Например, на уроке по теме «Значение прокариот в биоценозах, их экологическая роль» изучаются такие вопросы, как участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле; роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле, а также участие бактерий в круговороте важнейших элементов. На уроке по теме «Круговорот веществ в природе» наряду с другими вопросами рассматривается деятельность азотфиксирующих бактерий, благодаря которым атмосферный азот включается в круговорот, а также рассматривается деятельность микроорганизмов, участвующих в круговороте углерода, серы.
Рассмотрим эти уроки более подробно.
ЗНАЧЕНИЕ ПРОКАРИОТ В БИОЦЕНОЗАХ, ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ»
Опорные точки урока
Бактерии как примитивные формы жизни, обитающие повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах, во всех географических областях Земли
Участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле
Роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле
Участие бактерий в круговороте важнейших элементов
Болезнетворные бактерии, их роль в дикой природе и в цивилизованном обществе
Бактерии и пищевая промышленность
Роль бактерии в земледелии
Цианеи (сине-зеленые) -- наиболее древние из организмов, содержащих хлорофилл
Индикаторная роль цианей (сине-зеленых) как показателей степени загрязнения водоемов.
Задачи:
1. Охарактеризовать все возможные среды обитания прокариот на нашей планете.
2. Обосновать «вездесущность» бактерий и цианей (сине-зеленых) особенностями их строения, физиологических процессов и жизненных циклов.
3. Сформировать знания учащихся о важной экологической роли прокариот.
Ответьте на вопросы. Выполните задания:
1. Какое строение имеет бактериальная клетка?
2. Охарактеризуйте половой процесс бактерий.
3. На основании каких признаков, присущих сине-зеленым, их можно отнести к прокариотам?
4. Заполните схему, раскрывающую роль бактерий в природе и в жизни человека.
Роль бактерий в природе и в жизни человека
1..... 3..... 5.....
Колоссальную роль в биосфере играют бактерии, заселившие гидросферу, атмосферу в наибольшей степени, - литосферу. Быстрота их размножения и жизнедеятельность влияет на круговорот веществ в биосфере.
Основные положения
1. В биосфере совершается постоянный круговорот активных элементов, переходящих из организма в организм, в неживую природу и снова в организм. Главную роль в этом процессе играют бактерии гниения.
2. Прокариоты в силу своей способности к быстрому размножению обладают громадной генетической изменчивостью и приспособляемостью. По способу питания и использованию энергии различают несколько групп бактерии.
3. Приспособленность каждой группы бактерий к особым условиям среды (узкая специализация жизнедеятельности) приводит к тому, что одни бактерии сменяются другими в одной и той же среде. Например, в почве гнилостные бактерии разлагают органические остатки, выделяя аммиак, который другие бактерии превращают в азотистую, а затем в азотную кислоту. Величайший процесс в биосфере, осуществляемый бактериями, -- разложение при гниении всех мертвых тел всех обитателей Земли.
Справка
Вода, в 1 мл которой содержится 10 бактерий, остается на вид прозрачной, не замутненной.
Вопрос для размышления . Почему Л. Пастер назвал бактерии «великими могильщиками природы»?
Вопросы и задания для повторения.
1. Под действием каких организмов происходит полное разложение органического вещества отмерших особей на нашей планете?
2. Влияние каких экологических факторов может способствовать уничтожению бактерий?
3. Почему загрязнение почвы нефтепродуктами резко отрицательно скажется на состоянии всего биогеоценоза?
4. Почему бактерии относятся к группе: редуцентов в любом биогеоценозе?
5. Каким образом болезнетворные бактерии могут влиять на состояние макроорганизма (хозяина)?
6. В каких случаях в водоемах может наблюдаться массовое размножение синезелёных? К чему это может привести?
Информация для учителя
Бактерии и цианеи (синезеленые) распространены повсюду. Споры бактерий залетают на высоту 20 км, анаэробные бактерии проникают в земную кору на глубину свыше 3 км.
Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре -- 253°С. В одном грамме бактерий свыше 600 млрд. особей. Количество бактерий в одном грамме почвы измеряется сотнями миллионов.
Дополнительное задание
Напишите реферат на тему: «Неделя без бактерий на Земле».
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПО МИКРОЭКОЛОГИИ
Экология микроорганизмов - наука о взаимоотношениях микробов друг с другом и с окружающей средой. В медицинской микробиологии объектом изучения служит комплекс взаимоотношений микроорганизмов с человеком.
Популяция – совокупность особей одного вида, обитающих в пределах определенного биотопа.
Биотоп – территориально ограниченный участок биосферы с относительно однородными условиями жизни.
Микробиоценоз – сообщество популяций микроорганизмов, обитающих в определенном биотопе.
Типы взаимоотношений микробов в биоценозах
Микроорганизмы жёстко конкурируют между собой. Это связано с тем, что обитающие в конкретном биоценозе микробы обладают принципиально сходными потребностями в источниках энергии и питания. Каждый микроорганизм приспосабливается не только к неживым субстратам, но и к другим окружающим его организмам. Подобная адаптация иногда приводит к приобретению особых метаболических свойств, наделяющих обладателя способностью занимать специфические ниши. Например, нитрифицирующие бактерии могут расти без органических источников энергии, окисляя аммиак или нитриты в качестве источника энергии в отсутствие света; другие организмы в подобных условиях не развиваются. Поэтому нитрифицирующие бактерии не испытывают биологическойконкуренции. Значительная часть бактерий участвует в конкурентной борьбе, адаптируясь к сосуществованию с другими формами жизни либо вступая с ними в противодействие.
В основном эти взаимоотношения можно условно подразделить на две большие группы:
благоприятные - синергизм
неблагоприятные - антагонизм.
Однако взаимоотношения между микробными сообществами далеко не всегда укладываются в рамки этих подразделений, так как они чрезвычайно сложны, разносторонни и вариабельны. Изменения во взаимоотношениях происходят вследствие изменений окружающих условий существования или в результате перехода микробов из одной стадии развития в другую. Можно отметить следующие формы взаимоотношений между микроорганизмами:
конкуренция,
хищничество,
антагонизм.
сателлизм
Сосуществование (нейтрализм),
метабиоз,
Сосуществованием, или нейтрализмом, называется такая форма взаимоотношений, когда организмы, развиваясь совместно, не приносят друг другу ни вреда, ни пользы.
Метабиоз
В ряде биотопов, особенно в почве, некоторые микроорганизмы утилизируют продукты жизнедеятельности других; например, нитрифицирующие бактерии используют аммиак, который образуют аммонифицирующие бактерии. Подобные взаимоотношения известны как метабиоз.
Симбиоз
Симбиоз [от греч. symbiosis, совместное проживание] - совместное длительное существование микроорганизмов в долгоживущих сообществах. Взаимоотношения, при которых микроорганизм располагается вне клеток хозяина (более крупного организма), известны как эктосимбиоз; при локализации внутри клеток - как эндосимбиоз.
Типичные эктосимбиотические микробы - Escherichia coli, бактерии родов Bacteroides и Bifidobacterium, Proteus vulgaris, a также другие представители кишечной микрофлоры. Как пример эндосимбиоза можно рассматривать плазмиды, обеспечивающие, например, резистентность бактерий к Лек.средствам. Симбиотические отношения также разделяют по выгоде, получаемой каждым из партнёров.
Мутуализм [ от лат. mutuus, взаимный] - взаимовыгодные симбиотические отношения. Так, микроорганизмы вырабатывают БАВ, необходимые организму хозяина (например, витамины группы В). При этом обитающие в макроорганизмах эндо- и эктосимбионты защищены от неблагоприятных условий среды (высыхания и экстремальных температур) и имеют постоянный доступ к питательным веществам.
Комменсализм - разновидность симбиоза, при которой выгоду извлекает только один партнёр (не принося видимого вреда другому); микроорганизмы, участвующие в таких взаимоотношениях - комменсалы [от лат. сот-, с, + mensa, стол; буквально - сотрапезники]. Микроорганизмы-комменсалы колонизируют кожные покровы и полости организма человека (например, ЖКТ), не причиняя «видимого» вреда; их совокупность - нормальная микробная флора (естественная микрофлора). Типичные эктосимбиотические организмы-комменсалы- кишечная палочка, бифидобактерии,стафилококки, лактобациллы. Многие бактерии-комменсалы принадлежат к условно-патогенной микрофлоре и способны при определённых обстоятельствах вызывать заболевания макроорганизма (например, при внесении их в кровоток во время медицинских манипуляций
Антагонизм
Антагонистические взаимоотношения особенно выражены в местах естественного обитания большого числа различных видов и типов микроорганизмов (например, в почве или ЖКТ), имеющих одинаковые пищевые и энергетические потребности. При этом воздействие на конкурента может быть пассивным или активным. В первом случае (конкуренция )микроорганизмы быстрее утилизируют субстрат, лишая соперника «сырьевых ресурсов»; во втором - «объявляют войну до полного уничтожения». Формы истребления могут быть вариабельными - от банального поглощения (хищничество) более мелких видов до выделения высокоспецифичных продуктов, токсичных для конкурентов(антагонизм ).
Сателлизм
Некоторые микроорганизмы способны выделять метаболиты, стимулирующие рост других микроорганизмов. Например, сарцины или стафилококки выделяют ростовые факторы, стимулирующие рост бактерий рода Haemophilus. Нередко совместный рост нескольких видов микробов активирует их физиологические свойства. Подобные взаимоотношения известны как сателлизм [от лат. safeties, сопровождающий].
Микробы и биосфера земли
Все среды биосферы буквально пронизаны микроорганизмами: они есть в почве, воде, воздухе, их можно обнаружить на дне глубочайших океанов и на пиках горных вершин, в песках жарких пустынь и в антарктических льдах. Они есть в зловонных канализационных стоках и в сбросах химических предприятий, радиорезистентные бактерии существуют в системах ядерных реакторов. Вездесущность микробов объясняется их уникальной способностью находить и утилизировать самые ничтожные источники энергии, углерода и азота для своей жизнедеятельности. Колоссальное генетическое разнообразие обусловливает удивительную адаптацию микробов к условиям обитания, гибельным для любых других живых существ. Исключительно интенсивная жизнедеятельность огромного числа разнообразных микроорганизмов является важнейшим фактором обеспечения динамического равновесия земной биосферы.
Основные среды обитания микроорганизмов в природе - почва, еда, воздух, животные и растительные организмы. Кожные покровы человека и сообщающиеся с внешней средой слизистые оболочка плотно колонизированы микробами. Как показано выше, микроорганизмы обитают обычно в виде сложных ассоциаций - биоценозов, представленных разными видами. Поддержание эволюционно сложившихся взаимоотношений между отдельными видами, а также между биоценозами и внешней средой чрезвычайно важно для существования всего царства прокариог т.е. бактерий.
Доказано, что бактерии способны самостоятельно обеспечит основные функции живого вещества, которые необходимы для дальнейшего существования биосферной оболочки нашей планеты. К таковым относят: энергетическую, концентрационную, деструктивную и средообразующую функции.
Только благодаря активной деятельности бактерий реализуется замкнутый характер круговорота азота и углерода как обязательных конструктивных элементов биосферы. Если на Земле исчезнут прокариотические клетки (бактерии) и останутся только эукариотические организмы (растения и животные), то биосферная жизнь вскоре прекратится. К счастью, это никогда не произойдет, ибо микробы исключительно быстро адаптируются к негативным последствиям производственной и иной жизнедеятельности человека, вырабатывая резистентность даже к тем химическим соединениям, которых нет в природе.
Полагают, что формирование биосферы произошло около 3 млрд лет тому назад, когда единственными обитателями Земли были прокариотические бактерии. Они активно участвовали в формирование биосферы планеты в сочетании с геологическими и атмосферным» явлениями. В нынешнюю эпоху Земля заселена разнообразными видами растений, животных, грибов, водорослей. Однако по-прежнему микроорганизмы играют доминирующую роль в функционировании биосферы. Они активно участвуют в обеспечении биогеохимических циклов круговорота веществ и энергии.
Как известно, животные и растения синтезируют значительно больше органических веществ, чем они могут минерализовать сами или при содействии абиогенных факторов. Возникает потенциальность «эффекта складирования» таких биогенных элементов, как азот, углерод, сера, фосфор с уменьшением их оборота. Теоретически жизнь на Земле могла бы исчезнуть из-за дефицита конструктивного материала, если бы не было микроорганизмов, которые способны расщеплять все органические вещества, в том числе синтезируемые животными и растениями. Более того, микробы самостоятельно осуществляют синтез и разложение собственной биомассы до исходных элементов. По-видимому, в природе нет органических веществ, которые не разрушались бы микроорганизмами.
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 углеродав С0 2 , в 90% осуществляетсямикроорганизмами.
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).
Роль микробов в круговороте других биогенных элементов
Сера входит в состав некоторых белков. Поэтому одним из продуктов распада белков может быть сероводород. Биохимические превращения серы восстановительного и окислительного порядка осуществляются серобактериями родов Thiobacillus, Sulfolobus и Thiospira. Для них H 2 S является источником энергии. Сульфурирующие бактерии окисляют H 2 S с выделением свободной серы. В природе распространены и десульфурирующие микробы, они восстанавливают сульфаты, образуя H 2 S. Так, в Черном море, в результате деятельности десульфурирующих бактерий, на глубине 2500 м содержание H 2 S доходит до 6,5 мл в 1 л воды. Высокие концентрации H 2 S отмечают в целебных грязях. Серобактерии играют важную роль как активатор начальных этапов расщепления различных органических серосодержащих отбросов в сточных водах и нечистотах.
Фосфор имеется в живых организмах только в виде свободных фосфатных ионов (с пятивалентным фосфором) или в составе сложных фосфатных компонентов клетки. Поскольку основная часть фосфатов в природе представлена в виде нерастворимых комплексов с кальцием, алюминием и железом, доступность естественных фосфатов для растений в основном зависит от микробов. Бактерии, участвующие в переработке мертвых остатков растений и животных, способны утилизировать только ионы фосфатов, из которых затем синтезируют фосфорорганические соединения. Кроме того, вырабатывая в среду органические и неорганические кислоты, бактерии растворяют фосфат кальция, который после этого легко усваивается растениями.
Микробиологические аспекты охраны окружающей среды определяются важной ролью микроорганизмов в биосфере:
Во-первых, необходимо сохранять те микроорганизмы, от которых зависит природный круговорот веществ. Негативное действие промышленных и автомобильных выбросов на популяции микроорганизмов в природных экосистемах проявляется в замедлении или полном прекращении процессов синтеза биомассы и ее трансформации.
Во-вторых, следует дифференцированно оценивать роль микроорганизмов, осуществляющих биодеградацию. Нужно поддерживать микроорганизмы, которые разрушают во внешней среде так называемые ксенобиотики, т.е. синтетические соединения. Будучи биологически чужеродными, они часто обладают токсическими, аллергенными, тератогенными и канцерогенными свойствами. Поэтому их биодеградация есть явление позитивное. С другой стороны, необходимо сдерживать те микроорганизмы, которые вызывают порчу пищевых продуктов, лекарств, элементов водопроводных и канализационных сетей, топлива, машинных масел и других материалов.
В-третьих, следует защищать внешнюю среду от контаминации (загрязнения) патогенными и условно-патогенными микроорганизмами. Последние попадают в окружающую среду из организмов инфицированных людей, животных и растений, из лабораторий и микробиологических производств. В этот ряд можно поставить задачу предотвращения выброса земных микроорганизмов в космос. Сейчас все более актуальной становится еще одна проблема: защита природы и человека от генно-инженерных микробов-мутантов.
МИКРОФЛОРА ТЕЛА ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА
Организм человека в норме содержит сотни видов микроорганизмов; среди них доминируют бактерии. Вирусы и простейшие представлены значительно меньшим числом видов.
Термин «нормальная микрофлора» объединяет микроорганизмы, более или менее часто выделяемые из организма здорового человека. Провести четкую границу между сапрофитами и патогенными микробами, входящими в состав нормальной микрофлоры, часто невозможно.
Кровь и внутренние органы здорового человека и животных практически стерильны. Не содержат микробов и некоторые полости, соприкасающиеся с внешней средой - матка, мочевой пузырь. Быстро уничтожаются микробы в легких. Но в ротовой полости, в носу, в кишечнике, во влагалище имеется постоянная нормальная микрофлора, характерная для каждой области тела (аутохтонная). При этом человек служит источником поступления в окружающую среду множества микроорганизмов.
В течение внутриутробного периода организм развивается в стерильных условиях полости матки, и его первичное обсеменение происходит при прохождении через родовые пути и в первые сутки при контакте с окружающей средой. Затем в течение ряда лет после рождения формируется характерный для определенных биотопов его организма микробный «пейзаж». Среди нормальной микрофлоры выделяют резидентную (постоянную) облигатную микрофлору и транзиторную (непостоянную) микрофлору, не способную к длительному существованию в организме.
Основные микробные биотопы
Полость рта
Ротовая полость является удобным местом для развития микроорганизмов. Влажность, обилие питательных веществ, оптимальная температура, слабо щелочная реакция среды являются благоприятными факторами для развития микроорганизмов. Поэтому микрофлора полости рта чрезвычайно обильна и разнообразна.
Среди бактерий доминируют стрептококки, составляющие 30-60% всей микрофлоры ротоглотки. Менее аэрируемые участки колонизируют анаэробы - актиномицеты, бактероиды, фузобактерии и вейлонеллы. В полости рта также обитают спирохеты, микоплазмы, грибы рода Candida и разнообразные простейшие.
Нормальная микрофлора ротовой полости может быть причиной воспалительных процессов и кариеса зубов, однако, при огромном количестве микробов в полости рта воспалительные процессы возникают сравнительно редко. Защитное значение имеют барьерная функция слизистой оболочки и эмали зубов, фагоцитоз.
Желудочно-кишечный тракт (ЖКТ)
Наиболее активно бактерии заселяют ЖКТ; при этом колонизация осуществляется «по этажам».
В желудке здорового человека микробов практически нет, что вызвано действием желудочного сока. Тем не менее отдельные виды (например, Helicobacter pylori) адаптировались к обитанию на слизистой оболочке желудка.
Верхние отделы тонкой кишки также относительно свободны от бактерий, что связано с неблагоприятным действием щелочного рН и пищеварительных ферментов. Тем не менее, в этих отделах можно обнаружить кандиды, стрептококки и лактобациллы.
Нижние отделы тонкой и, особенно, толстой кишки - огромный резервуар бактерий; их содержание может достигать 10 12 в 1 г фекалий (30% сухой массы кала).
Микрофлора кишечника представлена тремя основными группами.
К 1-й группе относятся грамположительные бесспоровые анаэробы - бифидобактерии и грамотрицательные бактероиды, составляющие 95% микробиоценоза.
2-я группа (сопутствующая микрофлора) представлена в основном аэробами (лактобактерии, кокковая флора, Еscherichia coli) удельный вес ее невелик и не превышает 5%. Лактобактерии и нормальная E. coli являются синергистами бифидобактерий.
В 3-ю группу включают редко встречающуюся микрофлору условно-патогенную или факультативную). Ее удельный вес не превышает 0,01-0,001% от общего количества микробов. Представителями факультативной микрофлоры являются протей, синегнойная палочка, стафилококк, кандида, серрацина, цитро-, энтеро- и кампилобактерии.
Представители 2-й и 3-й групп в физиологических условиях являются симбионтами 1-й группы, прекрасно с ней сосуществуют, не нанося вреда, проявляя агрессивные свойства лишь при определенных условиях.
Дыхательная система
В верхние дыхательные пути попадают пылевые частицы, нагруженные микроорганизмами, большая часть которых задерживается в носо- и ротоглотке. Здесь растут бактероиды, коринеформные бактерии, гемофильные палочки, пептококки, лактобактерии, стафилококки, стрептококки, непатогенные нейссерии и др. Трахея и бронхи обычно стерильны.
Мочеполовая система
Микробный биоценоз органов мочеполовой системы более скудны. Верхние отделы мочевыводящих путей обычно стерильны; в нижних отделах доминируют Staphylococcus epidermidis, негемолитические стрептококки, дифтероиды; часто выделяют грибы рода Candida. В наружных отделах доминируют Mycobacterium smegmatis.
В микробиоценоз влагалища включены молочнокислые бактерии, энтерококки, стрептококки, стафилококки, коринебактерии, палочки Додерлайна.
Кожа
На кожных покровах микроорганизмы подвержены действию бактерицидных факторов сального секрета, повышающих кислотность. В подобных условиях живут преимущественно Staphylococcus epidermidis, микрококки, сарцины, аэробные и анаэробные дифтероиды. Соблюдение элементарных правил гигиены может уменьшить число бактерий на 90%.
Значение микрофлоры тела для человека
Барьер. Пристеночная микрофлора кишечника колонизирует слизистую оболочку в виде микроколоний, образуя своеобразную биологическую пленку. При этом бактерии препятствуют проникновению внутрь организма и вредных микробов, и продуктов их жизнедеятельности.
Защита. Нормальная микрофлора является одним из важнейших факторов естественной резистентности (устойчивости) организма, так как проявляет высоко антагонистическое действие по отношению к другим, в том числе патогенным бактериям, препятствуя их размножению в организме.
Метаболизм. Микрофлора, особенно толстого кишечника, участвует в процессах пищеварения, в том числе в обмене холестерина и желчных кислот. Важная роль микрофлоры заключается также в том, что она обеспечивает организм человека различными витаминами, которые синтезируются ее представителями (витамин В1, В2, В6, В12, К, никотиновая, пантотеновая, фолиевая кислоты и др.) Эти витамины обеспечивают большую часть потребностей в них организма. Микрофлора регулирует водно-солевой обмен и газовый состав кишечника.
Детоксикация. Микроорганизмы ингибируют выделение токсина некоторыми микроорганизмами, принимают участие в детоксикации попадающих из внешней среды в организм ксенобиотиков (чужеродные вещества) и образующихся токсичных продуктов метаболизма путем их преобразования в нетоксичные продукты, разрушают концерогенные вещества.
Стимуляция иммунной системы . Микрофлора своими антигенными факторами стимулирует развитие лимфоидной ткани организма, образование антител и таким образом способствует поддержанию гомеостаза слизистых оболочек.
Инфекция. Однако представители нормальной микрофлоры не всегда приносят только пользу. При определенных условиях, в частности, при воздействии факторов, снижающих естественную резистентность, особенно в результате ионизирующего облучения, практически все представители нормальной микрофлоры, за исключением бифидобактерий, могут стать виновниками различных эндогенных инфекций, чаще всего гнойно-воспалительных заболеваний с различной локализацией: ангины, менингиты, циститы, отиты, нефриты, аппендициты, абсцессы, флегмоны и т.п.
Дисбактериоз
Состояние эубиоза - динамического равновесия микрофлоры и организма человека может нарушаться под влиянием факторов окружающей среды: состава и качества пищи, курения и употребления алкоголя, нормальной перистальтики и своевременного опорожнения кишечника и мочевого пузыря, качества пережевывания пищи и даже характера трудовой деятельности (сидячий или иной), стрессовых воздействий, широкого и бесконтрольного применения антимикробных препаратов, лучевой и химиотерапии. В результате нарушается колонизационная резистентность . Аномально размножившиеся микроорганизмы продуцируют токсичные продукты метаболизма - индол, скатол, аммиак, сероводород. Такое состояние, развивающееся в результате утраты нормальных функций микрофлоры, называется дисбактериозом или дисбиозом (дисбиоценоз). При дисбактериозе происходят изменения количественного соотношения и состава нормальной микрофлоры организма , главным образом его кишечника, при котором происходит уменьшение количества или исчезновение обычно составляющих ее микроорганизмов и появление в большом количестве редко встречающихся или несвойственных ей микробов, а также изменение сферы их обитания. Наиболее тяжелые формы дисбактериозов - стафилококковый сепсис, системный кандидоз и псевдомембранозный колит; среди всех форм доминируют поражения микрофлоры кишечника.
Благодаря жизнедеятельности почвенных микробов, большинство которых являются редуцентами, происходит разложение и минерализация животного и растительного опада с образованием гумусовых веществ, процесс самоочищения почвы от ксенобиотиков, попадающих в нее в результате хозяйственной деятельности человека (пестициды, нефтепродукты, нитроароматические вещества, пластмассы, полиэтилен и т.д.). С помощью микроорганизмов почвы осуществляется биологический круговорот многих минеральных элементов (углерод, кислород, сера, азот, фосфор, железо и марганец).
Микробы поддерживают на определенном уровне состав азота в почве. Из-за неравномерных потерь (вымывание водой, улетучивание в атмосферу) содержание азота в почве сильно уменьшилось бы, если бы микробы постоянно не возвращали молекулярный атмосферный азот в почву в результате процесса азотфиксации.
Разложение органических остатков и синтез новых соединений, входящих в состав почвы, протекают при воздействии ферментов, выделяемых разными ассоциациями микроорганизмов. Ни минералы, ни органика сами по себе не переходят в усвояемую форму для растений. Эту функцию выполняют обитатели почв, и в первую очередь - микроорганизмы. Микробные ассоциации не только разлагают органические остатки на более простые органические и минеральные соединения, но и активно участвуют в синтезе высокомолекулярных соединений - перегнойных кислот, которые образуют запас питательных веществ в почве.
Ведущим признаком почвообразовательного процесса считается образование гумуса. Гумус представляет собой группу высокомолекулярных соединений, химическая природа которых ещё точно не установлена. Выделяют четыре группы соединений: гуминовые кислоты, гумины, фульвокислоты и гиматомелановые кислоты. Важную роль в образовании гумуса играют почвенные микроорганизмы. С одной стороны микроорганизмы разлагают различные остатки, в первую очередь растительного происхождения, формируя структурные компоненты гумусовых веществ. Кроме того, они сами в процессе своей жизнедеятельности выделяют вещества, которые являются структурными компонентами гумуса. Отмирая, микроорганизмы поставляют в почву большое количество органики, которая вносит существенный вклад в гумусообразование.
Всех живых обитателей почвы можно отнести к трём надцарствам (безъядерные - Acaryotae; предъядерные - Procaryotae; ядерные - Eucaryotae) и пяти царствам: вирусы, бактерии, грибы, растения и животные.
Почвенные бактерии образуют три основных класса (А. Н. Красильников): Actinomycetae, Eubacteriae и Myxobacteriae, которые включают в себя различные по форме и функциям микроорганизмы.
Микроскопические организмы почвы выполняют множество различных функций. Например, они в анаеробных условиях активно ферментируют комплексные органические соединения, преобразуя их в простые молекулярные соединения, которые легко усваиваются растениями. Важное значение в повышении урожайности растений и улучшении плодородия почвы имеют микробы-антагонисты. Это особая группа бактерий, грибов, дрожжей и других микроорганизмов, которая вырабатывает различные биологически активные вещества (БАВ), в первую очередь антибиотические вещества, подавляющие рост и развитие патогенной микрофлоры.
Микроорганизмы в почве образуют сложный биоценоз, в котором различные их группы находятся между собой в сложных отношениях. Одни из них успешно сосуществуют, а другие являются антагонистами. Цель ЭМ-технологии заключается в создании оптимальных условий для развития полезной микрофлоры приводящей к оздоровлению почвы, повышению её плодородия и урожайности возделываемых культур.
Микроорганизмы участвуют также в изменениях структуры и химического состава органической фракции почвы. Так, все процессы образования новых веществ и биологической минерализации идут благодаря длинной цепи последовательных и тесно переплетающимися между собой реакций, осуществляемых микроорганизмами. При этом минеральные элементы могут переходить из окисленного состояния в восстановленное, и обратно. Часть веществ вовлекается в состав резервных веществ почвы – гумусовых кислот.
Обычно биологические реакции обратимы. Как правило, они образуют цепи повторяющихся биологических процессов. Соотношения между разными физиологическими группами микроорганизмов в разных типах почв и в зависимости от антропогенной нагрузки неодинаковы и могут быстро изменяться под действием тех или иных факторов, что может служить диагностикой состояния почвы. В результате антропогенной нагрузки на почвы в связи с их хозяйственным использованием меняются условия обитания микроорганизмов, а, следовательно, изменяется соотношение основных физиологических групп микроорганизмов.
Наряду с полезными формами микроорганизмов имеются и вредные, которые уменьшают запасы питательных веществ, разрушают в почве азот или же поражают корневую систему.
Активность развития микроорганизмов зависит прежде всего от наличия в почве органических остатков, температуры и влажности почвы, доступа кислорода воздуха и других факторов.
Не все почвы содержат большие количества микроорганизмов. В некоторых почвах количество микробов так ничтожно, что для повышения урожая приходится прибегать к так называемым бактериальным удобрениям, к которым относятся азотобактерин, фосфоробактерин и силикатный бактерии. Азотобактерин, развиваясь в зоне корневой системы, извлекает из воздуха азот и обогащает им почву. Содержащиеся в фосфоробактерине бактерии способствуют усвоению из почвы фосфора, находящегося в труднорастворимых для питания растений формах. Наконец силикатный бактерии способствует лучшему поглощению из почвы калия.
Учитывая огромную роль микроорганизмов в питании растений, необходимо искусственно создавать в почве такие условия, которые способствуют их размножению, а следовательно, и повышению плодородия почвы.
Описанные выше факторы, обусловливающие климатические и почвенные условия, в которых развивается виноградное растение, действуют не самостоятельно, а в общем комплексе. Исключение из общего комплекса факторов хотя бы одного нарушает условия для нормального роста, развития^-и плодоношения винограда. Поэтому при разработке системы агромероприятий необходимо учитывать всю сумму факторов в их взаимосвязи и взаимозависимости.
Для нормального питания растений необходимы не только вода, минеральные питательные вещества и углекислота воздуха, но и определенные температурные условия, световой и воздушный режим. Процесс минерального питания растений, как известно, неразрывно связан с деятельностью почвенных микроорганизмов. Деятельность почвенных микроорганизмов в свою очередь связана с наличием в почве органических веществ, воздушно-водным и температурным режимом почвы и развитием плодовых растений.
