Главная / Пол / Роль растений в природных сообществах.Биоценоз. Микроценозы почв

Роль растений в природных сообществах.Биоценоз. Микроценозы почв

С момента открытия микроорганизмов ученых всегда интересовало, какова роль бактерий и грибов в круговороте веществ. Это весьма обширная и интересная область знаний.

Бактерии – первые жители бесплодных скал, горячих источников, соленых водоемов. Их способность к экстремальному выживанию когда-то давно положила начало жизни на нашей планете. Перерабатывая неорганические субстраты, создавая из них органику при помощи фото- и хемосинтеза, они создавали первые почвы, обогащали атмосферу кислородом, и их малый размер никогда не мешал трудягам обживать некогда бесплодную планету. Тот факт, что ученые обнаруживают экстремальные виды бактерий в самых непригодных для жизни местах и даже в верхних слоях атмосферы, свидетельствует о том, что именно они являются создателями той базы, на которой некогда начала развиваться жизнь и происходить эволюция.

После появления в природе грибов, простейших и водорослей планета сделала еще один шаг в сторону разнообразия жизни. Однако и их основополагающая роль в биоценозах нашей планеты до сих пор обеспечивает их стабильность и существование высших форм жизни – растений, животных и, конечно же, человека.

Бактерии, грибы, водоемы и почвы: разнообразие взаимодействий

В круговороте веществ, который непрерывно происходит в природе, бактерии и грибы выполняют различные роли. Они обеспечивают образование и плодородие почв, причем выполняют это различными способами. В экосистеме леса микроорганизмам принадлежит ведущая роль не только в плане численности, но и по части выполняемых ими функций.

Продуценты

Среди бактерий существуют виды, способные самостоятельно питаться за счет энергии солнечного света или распада химических соединений. Называют их автотрофами и хемотрофами. Именно они в свое время создали первые почвы и позволили развиваться существам, неспособным усваивать неорганику, пользуясь простейшими доступными источниками энергии. Количество микроскопических автотрофов в живой природе огромно, а их роль в биоценозах Земли трудно переоценить. Они составляют биомассу морей – гигантский фотосинтезирующий орган, своего рода легкие нашей планеты. Они – основа жизни на земле и неисчерпаемый источник питательных веществ для животных и человека.

Редуценты и консументы

Микроорганизмы, относимые к числу редуцентов, неспособны сами синтезировать питательные вещества. Их субстратом является мертвая, не до конца разложившаяся органика. Это опавшая листва, погибшие животные и растения (в том числе и деревья), экскременты, скопление которых на поверхности почвы привело бы к самым неприятным результатам. Совместно с насекомыми и червями бактерии и грибы разлагают органические остатки до простых веществ, доступных растениям. В свою очередь, растения научились сохранять в почве свои семена от разложения почвенной микрофлорой. Невозможно представить себе нормальную жизнь леса без микроорганизмов почвы, основная роль которых – образование простых органических и неорганических молекул.

Консументы – группа микроорганизмов, для питания которой также нужна органика, однако продуктами жизнедеятельности не являются простые вещества. К этой группе относится большинство микроорганизмов.

Симбионты растений

В этой ипостаси бактерии и грибы также многолики:

Лишайники

Удивительные симбиозы грибов, – лишайники поражают своей выносливостью и нечувствительностью к сложным климатическим условиям. Поселяясь на неорганических субстратах, они примеривают на себя разные роли – перерабатывая неорганику для создания почвы, давая возможность заселения других растений, являясь кормовой базой для животных в жарких и ледяных пустынях. Они являются завсегдатаями тундры и северного леса, способны жить на камнях в полосе прибоя рядом со свободными фотосинтезирующими . Ахиллесовой пятой лишайников в большинстве природных сообществ является их чувствительность к чистоте окружающей среды.

Симбионты животных

В природе все взаимосвязано. Как и растения, животные и человек являются родным домом для огромного числа микроорганизмов. Они поселяются на коже и слизистых. Одна из основных ролей стабильных бактериальных экосистем – обеспечивать здоровье и долгую жизнь как животным, так и человеку. Питаясь микроскопическими отходами жизнедеятельности живых организмов, они производят вещества, стабилизирующие их микрофлору и препятствующие проникновению инфекций.

Бактерии кишечника – это фабрики, завершающие усвоение питательных веществ и способные вырабатывать целый ряд витаминов и биологически активных веществ. Попадая с экскрементами в почву, они продолжают совершать круговорот веществ в природе, примеривая на себя роли консументов и редуцентов, способных раскладывать разнообразную органику.

Некоторые микроорганизмы напоминают двуликих Янусов. Под покровом леса они участвуют в создании почвы, а попадая внутрь человека и животных, создают угрозу их здоровью и жизни. Знание о том, какова их роль в природе, очень помогает человеку в борьбе со многими болезнями.

Извлекаем пользу

Заваленный различными отходами от промышленной и бытовой деятельности царя природы, наш мир все больше нуждается в знаниях, которые бы позволили ускорить их разложение. Ведь отходы можно превратить в сырьевую базу для получения пищевого белка, целого ряда биологически активных веществ, образования энергии, тепла, пригодных для использования при выращивании сельскохозяйственных животных и растений.

Знания о жизни грибов и бактерий и их роли в растительном сообществе позволяют человеку беречь от вырубки леса, выращивать высокие урожаи в ранние сроки, использовать органические отходы для обогрева теплиц, получения метана, синтеза витаминов, выращивания грибов различных видов и вкусовых качеств. Ценность подобных исследований трудно переоценить – они открывают перед человечеством новые горизонты сотрудничества с живой природой.

13.2 Микрофлора почвы. Ее роль в инфицировании пищевых продуктов. Санитарная оценка почвы

Почва – благоприятная среда для обитания и размножения различных микроорганизмов. В состав микробных биоценозов почвы входят бактерии, грибы, простейшие и бактериофаги. Микроорганизмы почвы участвуют в круговороте веществ в природе, минерализации органических отбросов, самоочищении почвы. Существенную роль в формировании микробного биоценоза почвы играют высшие растения, насекомые и животные.
Содержание микроорганизмов в почве зависит от ее химического состава, влажности, температуры, рН и других показателей.
Почва населена различными микроорганизмами. Среди них азотфиксирующие бактерии рода Azotobacter, клубеньковые бактерии рода Rhisobium, нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии, грибы, серо- и железобактерии, актиномицеты, гнилостные бактерии и др. В плодородной почве обнаружены энтеробактерии, псевдомонады, бациллы и клостридии. Эти микроорганизмы изменяют рН почвы в кислую сторону, и в ней начинают развиваться молочнокислые бактерии, дрожжи, грибы и др. микроорганизмы.
Патогенные и условно-патогенные микроорганизмы не входят в состав микробных биоценозов почвы и через определенное время погибают, чему способствуют неблагоприятные условия обитания, отсутствие необходимых питательных веществ, а также антагонизм почвенных бактерий.
Тем не менее возбудители многих инфекционных болезней и пищевых отравлений могут длительное время сохранять свою жизнеспособность в почве, поэтому почва является источником инфицирования пищевых продуктов патогенной микрофлорой. Так, установлена прямая зависимость между уровнем заболеваемости человека и животных кишечными инфекциями и неудовлетворительным состоянием почвы.
Санитарная оценка почвы по микробиологическим показателям. При проведении текущего санитарного надзора за состоянием почвы осуществляют краткий санитарно-микробиологический анализ, который заключается в определении общей бактериальной обсемененности и титра кишечной палочки. Общая бактериальная обсемененность характеризует загрязнение почвы органическими веществами, а присутствие в ней бактерий группы кишечной палочки свидетельствует об уровне фекального загрязнения почвы. Титр кишечной палочки загрязненных участков почвы составляет от 0,001 до 0,00001 г, а чистых – 1 г и более.
При полном санитарно-микробиологическом анализе, кроме вышеуказанных показателей, в почве определяют количество анаэробов, палочку протея и термофильные микроорганизмы. Так, по соотношению вегетативных и споровых форм анаэробной палочки перфрингенс можно судить о времени фекального загрязнения, наличие палочки протея указывает на загрязнение почвы органическими веществами животного происхождения, а наличие термофилов – на загрязнение почвы навозом или компостами.

Почва, как и любой биоценоз, населена множеством микроорганизмов. Благодаря их деятельности происходят процессы синтеза первичной органики и ее деструкции. Почвенную экосистему составляют микроорганизмы обитающие в почве: бактерии и бактериофаги, грибы, низшие водоросли, различные простейшие. Они осуществляют круговорот веществ, принимают участие в самоочищении почвы, могут быть источниками патогенных инфекций, важными симбионтами растений, переработчиками азота и углерода. Говоря коротко - роль почвенных прокариот важна и огромна. В чайной ложке земли можно насчитать около миллиарда микробов, которые живут в почвенной воде между элементами грунта или ризосферы (корневая зона растения). Их размер сопоставим с мелкодисперсными частицами глины т. е. менее 2 микрон. Благодаря малым размерам и высокой скорости размножения (около 30 минут) микроорганизмы выдерживаю различные изменения и быстро приспосабливаются.

Микроорганизмы, живущие в почве, выделяют в следующие группы:

По форме клеточных стенок. Такая классификация была определена до появления методов исследования генома. Среди всех видов бактерии обособляются в три основные группы:

бациллы - клетка по форме похожа на стержень
кокки - сферические клетки
спириллы - клетка спиралевидной формы

Есть более сложные разновидности, например, разветвленные актиномицеты или другие формы, не попадающие под выше названную классификацию.

По отношению к кислороду:
- аэробные - для жизни необходимо наличие кислорода
- анаэробные - наличие кислорода для них губительно

По способности окрашиваться методом Грама. Суть в наличии внешней защитной липидной оболочки, покрывающей клеточную капсулу не пропускающую краситель и антибиотики:
- грамположительные - большие по размеру, с толстой оболочкой, хорошо выдерживают водный стресс.
- грамотрицательные - более мелкие, не устойчивы к водному стрессу.
По типу питания:

автотрофы - способные самостоятельно получать органику для питания.
Гетеротрофы - использующие готовую органику.

По экологическим предпочтения микроорганизмов (филии). Выделяют 12 таких типов по тем средам и условиям в которых они обитают, например, термофилы - в теплых источниках и т. д.

Функции почвенных бактерий

Почвенные микроорганизмы играю важную роль в деструкции отмершей органики. По функциональным особенностям микроорганизмы можно выделить в следующие группы:

Все 4 группы играют важную роль в переработки почвенной органики, преобразуя ее и делая возможным дальнейшее вовлечение в биологический круговорот. Некоторые способны нейтрализовать пестициды, накапливать азот в почве, противостоять болезням, производить коллоиды и образовывать почвенные микроагрегаты (2-200 микрон) повышающие почвенную влагоемкость.

Грамотрицательные ризобии образуют симбиоз с корнями растений семейства бобовых и образуют специфические видимые специфические клубеньки, в которых бактерии фиксируют азот, используемый растениями получая комплекс растительных углеводов взамен. Поэтому их еще называют клубеньковыми бактериями.

После отмирания растения или его частей в почве количество азота становится больше и при анаэробных условиях в работу включаются нитрифицирующие бакте-рии преобразующие азот в нитраты (форма легко усваивается корнями растений). Если почва плохо аэрируется, то это ведёт к гиперактивности нитрификаторов и как следствие нитраты выщелачиваются. Поэтому в сельском хозяйстве возможно применение бактерий - денитрофикаторов (активны в бескислородных условиях) способных превратить нитраты в атмосферный азот. Процентное соотношение клеток, фиксирующих азот в почве не велико, но они всегда имеется в грунте в зависимости от его типа и увлажнения.

Подобным образом происходит трансформация серы. Бактерии в отсутствии кислорода препятствуют поглощению серы растениями превращая ее в сероводород или в гигрофильных условиях осаждают почвенную серу в виде нерастворимых сульфидов металлов. Если в почве будет достаточно кислорода, то специальные прокариоты после ряда преобразование сделают серу пригодной для растений.

Актиномицеты - обширная группа бактерий которую относят к простейшим грибам. Они гораздо меньше грибных клеток и очень чувствительны к антибиотикам. Этот ряд микроорганизмов важен в превращении трудно разлагаемых и химически устойчивых органических компонентов таких как хитин, целлюлоза, лигнит и т.д. Их деятельность повышает гумификацию почв, плодородие и влагоемкость. Именно они придают характерных запах свежевспаханной почве, а конкретно подвид - стрептомицетов.

Преимущества грунтовых бактерий

Чем больше в почве и особенно в зоне ризосферы будет легкодоступных питательных веществ, особенно углеводов, тем обильнее и устойчивее будет почвенная микрофлора. Концентрация будет повышена в корневой зоне, например, количество актиномицетов может быть в районе 30%. Корневые симбионты и их выделения будут способствовать развитию защитных групп бактерий. Также обильны в таком случае и клубеньковые формы.

Надклеточные защитные выделения слизи и различных химических компонентов бактерий предотвращают потерю клеткой воды. Это склеивает частицы почв в коллоидные мицеллы улучшат почвенную структуру.

Разнородность почв и ее агрегаций способствует обилию популяций микроорганизмов. В плотных средах отмечается нехватка кислорода, а в более рыхлых наоборот. Частые заполнения водой, засухи и другие изменения способствуют большой экологической пластичности микроорганизмов, что привело к такому разнообразию и большой приспособленности.

Фитоценозы, образуемые на первичных почвах способны менять их в следствии естественной эволюции под действием выделяемых веществ. Бактерии также способны менять грунтовые условия обеспечивая определенное видовое соотношение растений. Находясь во взаимной, постоянной организованной среде, бактерии и растения выступают мощным почвообразующим фактором и лежат в основе образования целых экосистем обеспечивая необходимый круговорот био-органики в природе.

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:

Сосуществование (нейтрализм),

метабиоз,

конкуренция,
хищничество,
антагонизм.
сателлизм

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.