Использование полезных микроорганизмов

Содержание 

Роль микроорганизмов в природе и сельском хозяйстве

Классификация микроорганизмов по способам питания. Сущность автотрофного и гетеротрофного питания. Сапрофиты и паразиты.

Методы определения суммарной биохимической активности почвенной микрофлоры

Характеристика микробов клеточной организации

 

_{Роль микроорганизмов  в природе и  сельском хозяйстве}

 

      Широкое распространение микроорганизмов  свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии происходит разложение различных органических веществ в почвах и водоемах, они обусловливают круговорот веществ и энергии в природе; от их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти, многих других полезных ископаемых. Микроорганизмы участвуют в выветривании горных пород и прочих природных процессах.

      Многие  микроорганизмы используют в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Так, хлебопечение, изготовление кисломолочных продуктов, виноделие, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов. Особенно важно использование микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве. От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микробных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и веществ микробного происхождения для кормления животных.

      Микроорганизмы  оказывают положительное влияние  на процессы разложения веществ неприродного происхождения - ксенобиотиков, искусственно синтезированных, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их.

      Наряду  с полезными микроорганизмами существует большая группа так называемых болезнетворных, или патогенных, микроорганизмов, вызывающих разнообразные болезни сельскохозяйственных животных, растений, насекомых и  человека. В результате их жизнедеятельности возникают эпидемии заразных болезней человека и животных, что сказывается на развитии экономики и производительных сил общества.

      Последние научные данные не только существенно  расширили представления о почвенных  микроорганизмах и процессах, вызываемых ими в окружающей среде, но и позволили  создать новые отрасли в промышленности и сельскохозяйственном производстве. Например, открыты антибиотики, выделяемые почвенными микроорганизмами, и показана возможность их использования для лечения человека, животных и растений, а также при хранении сельскохозяйственных продуктов. Обнаружена способность почвенных микроорганизмов образовывать биологически активные вещества: витамины, аминокислоты, стимуляторы роста растений - ростовые вещества и т.д. Найдены пути использования белка микроорганизмов для кормления сельскохозяйственных животных. Выделены микробные препараты, усиливающие поступление в почву азота из воздуха.

      Открытие  новых методов получения наследственно  измененных форм полезных микроорганизмов  позволило шире применять микроорганизмы в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Особенно перспективно развитие генной, или генетической, инженерии. Ее достижения обеспечили развитие биотехнологии, появление высокопродуктивных микроорганизмов, синтезирующих белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие, необходимые для животноводства и растениеводства продукты.

      С микроорганизмами человечество соприкасалось  всегда, тысячелетия даже не догадываясь  об этом. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания, в том числе эпидемические. Свидетельством последнего в библейских книгах служит указание о повальной болезни (вероятно, чуме) с рекомендациями сжигать трупы и делать омовения.

      Однако  до середины прошлого века даже никто  не представлял, что разного рода бродильные процессы и заболевания  могут быть следствием деятельности ничтожно малых существ.

_{Классификация микроорганизмов  по способам питания. Сущность автотрофного и гетеротрофного питания. Сапрофиты и паразиты.}

 

      В соответствии с принятой сейчас классификацией микроорганизмы по типу питания разделяют  на ряд групп в зависимости  от источников потребления энергии  и углерода. Так, выделяют фототрофы, пользующиеся энергией солнечного света, и хемотрофы, энергетическим материалом для которых служат разнообразные органические и неорганические вещества.

      В зависимости от того, в какой форме  микроорганизмы получают из окружающей среды углерод, их подразделяют на две  группы: автотрофные ("сами себя питающие"), использующие в качестве единственного источника углерода диоксид углерода, и гетеротрофные ("питающиеся за счет других"), получающие углерод в составе довольно сложных восстановленных органических соединений.

      Таким образом, по способу получения энергии  и углерода микроорганизмы можно  подразделить на фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Внутри группы в зависимости от природы окисляемого субстрата, называемого донором электронов (Н-донором), в свою очередь, выделяют органотрофы, потребляющие энергию при разложении органических веществ, и литотрофы (от греч. lithos - камень), получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. Поэтому в зависимости от используемого микроорганизмами источника энергии и донора электронов следует различать фотоорганотрофы, фотолитотрофы, хемоорганотрофы и хемолитотрофы. Таким образом, выделяют восемь возможных типов питания.

      Каждой  группе микроорганизмов присущ определенный тип питания. Ниже приведено описание наиболее распространенных типов питания и краткий перечень микроорганизмов, их осуществляющих.

      При фототрофии источник энергии - солнечный свет. Фотолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, использующих энергию света для синтеза веществ клетки из С0₂ и неорганических соединений (Н₂0, Н₂S, S°), т.е. осуществляющих фотосинтез. К данной группе относят цианобактерий, пурпурных серных бактерий и зеленых серных бактерий.

      Цианобактерий (порядок Суаnobасtеriа1еs), как и зеленые растения, восстанавливают С0₂ до органического вещества фотохимическим путем, используя водород воды: 

      С0₂ + Н₂0 свет-› (СH₂ O) * + O₂  

      Пурпурные серные бактерии (семейство Chromatiaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, обусловливающие способность данных микроорганизмов к фотосинтезу, и различные каротиноидные пигменты.

      Для восстановления С0₂ в органическое вещество бактерии данной группы используют водород, входящий в состав Н₂5. При этом в цитоплазме накапливаются гранулы серы, которая затем окисляется до серной кислоты: 

      С0₂ + 2Н₂S свет-› (СH₂ O) + Н₂ + 2S

      3CO₂ + 2S + 5H₂O свет-› 3 (СН₂0) + 2Н₂S0₄ 

      Пурпурные серные бактерии обычно бывают облигатными  анаэробами.

      Зеленые серные бактерии (сем. Chlorobiaceae) содержат зеленые бактериохлорофиллы с, и, в небольшом количестве бактериохлорофилла, а также различные каротиноиды. Как и пурпурные серные бактерии, они строгие анаэробы и способны окислять в процессе фотосинтеза сероводород, сульфиды и сульфиты, накапливая серу, которая в большинстве случаев окисляется до 50^"².

      Фотоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, которые для получения энергии помимо фотосинтеза могут использовать еще и простые органические соединения. К этой группе относятся пурпурные несерные бактерии.

      Пурпурные несерные бактерии (семейство Rhjdospirillaceae) содержат бактериохлорофиллы а и b, а также различные каротиноиды. Они не способны окислять сероводород (Н₂S), накапливать серу и выделять ее в окружающую среду.

      При хемотрофии энергетический источник - неорганические и органические соединения. Хемолитоавтотрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих энергию при окислении неорганических соединений, таких, как Н₂, NH₄⁺, N0₂^-, Fе²⁺, Н₂S, S°, S0з^{2 - ,} S₂0з^2-, СО и др. Сам процесс окисления называют хемосинтезом. Углерод для построения всех компонентов клеток хемолитоавтотрофы получают из диоксида углерода.

      Хемосинтез  у микроорганизмов (железобактерий и нитрифицирующих бактерий) был открыт в 1887-1890 гг. известным русским микробиологом С.Н. Виноградским. Хемолитоавтотрофию осуществляют нитрифицирующие бактерии (окисляют аммиак или нитриты), серные бактерии (окисляют сероводород, элементарную серу и некоторые простые неорганические соединения серы), бактерии, окисляющие водород до воды, железобактерии, способные окислять соединения двухвалентного железа, и т.д.

      Представление о количестве энергии, получаемой при  процессах хемолитоавтотрофии, вызываемых указанными бактериями, дают следующие  реакции: 

      NH3 + 11/2 0₂ - HN0₂ + Н₂0 + 2,8 • 10⁵ Дж

      HN0₂ + 1/2 0₂ - HN0₃ + 0,7 • 105 Дж

      Н₂S + 1/2 0₂ - S + Н₂0 + 1,7• 10⁵Дж

      S + 11/2 0₂ - Н₂S0₄ + 5,0 • 10⁵ Дж

      Н₂ + 1/₂ 0₂ - Н₂0 + 2,3 • 10⁵ Дж

      2FеС0₃ + 1/2 0₂ + ЗН₂0 - 2Fе (ОН) ₃ + 2С0₂ + 1,7 • 10⁵ Дж 

      Хемоорганогетеротрофия - тип питания, характерный для микроорганизмов, получающих необходимую энергию и углерод из органических соединений. Среди данных микроорганизмов многие аэробные и анаэробные виды, обитающие в почвах и других субстратах.

      Среди хемоорганогетеротрофов выделяют сапротрофов, живущих за счет разложения мертвых  органических материалов, и паразитов, питающихся в тканях живых организмов. В последнем случае имеются в виду паратрофия и паратрофы, т.е. облигатные внутриклеточные паразиты, которые вне клетки хозяина развиваться не могут (риккетсии и др.).

      Считают, что из известных наиболее широко распространены в живом мире два  типа питания - фотолитоавтотрофия и хемоорганогетеротрофия. Первый тип питания характерен для высших растений, водорослей и ряда бактерий, второй - для животных, грибов и многих микроорганизмов. Остальные типы питания встречаются лишь у отдельных групп бактерий, живущих в особых, специфичных условиях среды.

      Установлена способность многих микроорганизмов  переходить с одного типа питания  на другой. Например, водородокисляющие бактерии при наличии 0₂, на средах с углеводами или органическими кислотами способны переключаться с хемолитоавтотрофии на хемоорганогетеротрофию. Поэтому их называют факультативными хемолитоавтотрофами. Микроорганизмы, не способные расти в отсутствие специфичных неорганических доноров электронов (например, нитрифицирующие и некоторые другие бактерии), называют облигатными хемолитоавтотрофами.

      У микроорганизмов отмечена и так  называемая миксотрофия. Это тип питания, при котором микроорганизм - миксотроф - одновременно использует различные возможности питания, например, сразу окисляя органические и минеральные соединения, или источником углерода для него одновременно могут служить диоксид углерода и органическое вещество и т.д.

      В природе широко распространены микроорганизмы, источниками энергии и углерода для которых служат одноуглеродные соединения (метан, метанол, формиат, метиламин и др.). Данные микроорганизмы называют С1 использующими формами, или метилотрофами, а тип их питания - метилотрофией. В группе метилотрофных бактерий выделяют облигатные и факультативные виды. Первые способны расти в результате использования только одноуглеродных соединений, вторые - и на средах с другими веществами. Среди метилотрофов есть микроорганизмы разных систематических групп.

      48. Участие микроорганизмов в круговороте серы. Процеесы минерализации органических соединений серы, сульфофикация, десульфофикация, характеристика возбудителей, условия, определяющие их развитие. Значение превращений серы в природе и для сельского хозяйства.

      Сера - необходимый питательный элемент для организмов. В почве она встречается в форме сульфатов - СаS0₄ • 2Н₂0, Nа₂S0₄, К₂S0₄ (NH₄) ₂S0₄, сульфидов - FеS₂, Na₂S, ZnS и органических соединений. Сера содержится в аминокислотах белков растений, животных и микроорганизмов, валовые ее запасы в почвах сравнительно невелики, и растения часто испытывают недостаток в ней.

      Органические  и неорганические формы серы под  влиянием деятельности микроорганизмов  подвергаются в почве различным  превращениям. Направление трансформаций соединений серы регулируется в основном факторами внешней среды. Органические соединения серы могут быть разрушены и минерализованы. В определенных условиях восстановленные неорганические соединения серы подвергаются окислению микроорганизмами, а окисленные (сульфаты, сульфиты и др.), наоборот, могут быть восстановлены в Н₂S.