![[О.В.Мосин]](/img/o/oleg_w_m/cdocumentsandsettingsolegmoidokumentyestestwennyepopuljaciimikrooorganizmowiihrolxwproizwodstweiporcheproduktowiwkrugooboroteweshestwrtf/smeshannye_populjacii2.jpg)
|
|
||
История использования человеком смешанных популяций микроорганизмов насчитывает несколько тысячелетий. Результаты археологических раскопок показывают, что человек получал вино и пиво путём сбраживания фруктов и зерновых культур задолго до 2000 года до новой эры. Смешанные популяции микроорганизмов широко распространены в природе-они встречаются в почве, воздухе, водоёмах, растут снаружи и внутри высших организмов. В желудке жвачных существуют миллиарды клеток микроорганизмов и простейших. Об этих смешанных популяциях микроорганизмов рассказывается в данной статье. | ||
Рассмотрим процессы, в которых микроорганизмы поступают из естественных источников. При этом условии природа доминирующих видов определяется в основном составом и количеством поступающих в систему питательных веществ и другими параметрами окружения.
Наиболее типичным примером таких процессов является биологическая очистка сточных вод. Для того чтобы понять превращения, происходящие в таких и других близких системах с естественными смешанными популяциями микроорганизмов, необходимо учесть тот факт, что микроорганизмы чрезвычайно разнообразны и очень широко распространены.
Поэтому в качестве правила можно принять следующее положение: если условия благоприятствуют росту данного вида микроорганизмов, то он растет или будет расти в этих условиях.
Так, в смешанных популяциях, возникающих в аэрируемом реакторе для обработки сточных вод, в результате естественного отбора содержатся в основном виды, хорошо приспособленные к росту в этих условиях.
По этой же причине смешанные популяции микроорганизмов особенно эффективно утилизируют смеси субстратов. В процессах очистки сточных вод эта способность смешанных популяций чрезвычайно выгодна; напротив, последствия могут быть весьма неприятными, если смешанная популяция микроорганизмов атакует такие "субстраты", как пищевые продукты и древесину.
Давайте рассмотрим такие нежелательные стороны активности микроорганизмов. Порча продуктов или материалов обычно заключается в разложении органических веществ, в том числе полимеров, например белков и полисахаридов. Иногда, например при древесной гнили, порча обусловлена разрушением одного из основных компонентов исходного продукта или материала. С другой стороны, подавляющее большинство нежелательных эффектов порчи пищевых продуктов обусловлено специфическими свойствами продуктов метаболизма атакующих микроорганизмов. И в первом, и во втором случае начальной стадией являются реакции, катализируемые внеклеточными ферментами, продуцируемыми микроорганизмами.
Что касается древесной гнили, то в этом случае ферментная система, выделяемая грибом, разрушает один или несколько из трех основных высокомолекулярных компонентов древесины.
Наряду с бактериями грибы также участвуют в разрушении пектина в пищевых продуктах. Именно такой механизм ответствен за порчу консервированных фруктов, размягчение маринованных огурцов и гниение овощей. Пектические ферменты находят и очень удачные сферы применения.
Разрушение белков, с которым связана другая проблема в пищевой промышленности, можно рассматривать как двустадийный процесс. На первой стадии, называемой протеолизом, белки гидролизуются до пептидов и аминокислот. Примером внешних эффектов, сопровождающих эту стадию, может служить разжижение желатина. Затем (обычно в анаэробных условиях) аминокислоты метаболизируются с образованием ряда веществ с отвратительным запахом, например путресцина:
H2N(CH2)3CH(NH2)COOH > H2N(CH2)4NH2
орнитинде-карбоксилаза путресцин
Именно этот процесс (гниение) ответствен за отвратительный запах сгнивших мясных продуктов.
Самый известный пример порчи пищевых продуктов - это скисание молока. Хотя в большинстве случаев молоко перед расфасовкой пастеризуют, таким путем достигается только дезинфекция продукта, но ни в коей мере не стерилизация. Многие спорообразующие бактерии легко переносят пастеризацию и спустя некоторое время вызывают скисание или порчу молока.
Особенно интересны последовательные микробиологические превращения в сыром молоке при комнатной температуре. Сначала стрептококки, бациллы и другие бактерии трансформируют лактозу (молочный сахар). В результате значение рН молока снижается, что в свою очередь ингибируст рост начальной смешанной популяции и создает благоприятные условия для роста кислотоустойчивых бактерий, в том числе Lactobacilli. Дальнейшее повышение кислотности (ниже рН 4,7) приводит к образованию и осаждению творожистой массы (резиноподобного материала, состоящего главным образом из белка казеина).
На следующем этапе размножаются дрожжи и плесени, которые могут использовать молочную кислоту в качестве основного питательного вещества; в результате рН повышается. Рост популяций этих организмов затем создает условия, благоприятные для размножения других грибов и бактерий, утилизирующих в качестве питательных веществ жир и казеин. В конце концов запасы кислорода истощаются, и под влиянием анаэробных бактерий начинается процесс гниения.
В естественных смешанных популяциях часто наблюдается подобная последовательная смена доминирующих видов микроорганизмов, каждый из которых превалирует в особенно благоприятных для него условиях. С другими аналогичными примерами мы познакомимся позднее при изучении микробиологии почвы и биологических капельных фильтров.
Известны и другие процессы пищевой промышленности, в которых используется естественная ферментация, инициируемая бактериями - продуцентами молочной кислоты. Так, маринованные огурцы приготовляют путем молочнокислого брожения с участием смешанных популяций микроорганизмов.
В производстве сосисок и других подобных мясных продуктов Lactobacillus sp. и другие микроорганизмы не только продуцируют молочную кислоту, но и восстанавливают нитраты до нитритов; последний процесс обусловливает появление специфической окраски и придание острого вкуса.
Опару для дрожжевого хлеба ферментируют в течение 1-2 сут; за это время образуются этанол и органические кислоты. Другим пищевым продуктом, получаемым брожением при участии смешанных культур, является квашеная капуста.
Во многих случаях микробиологическая активность, обусловливающая необходимые качества продукта, обеспечивается естественными смешанными культурами. В настоящее время, наметилась тенденция к проектированию и эксплуатации более воспроизводимых процессов с участием микробиологических систем определенного состава. В связи с этим обычным становится использование посевного материала, состоящего из тщательно отобранных и сохраняемых видов.
Большая часть примеров применения микроорганизмов так или иначе была связана с процессами, осуществляемыми и контролируемыми человеком. В связи с возрастающей важностью проблемы охраны окружающей среды, однако, необходимо понять и основные проявления микробиологической активности в биосфере. Обладая этими данными, мы сможем создать модели таких естественных процессов как эвтрофикация озер, биодеградация загрязнений и очистка воды в почве, динамика экосистем в естественных водных потоках и эстуариях.
Кроме того, искусственная биологическая очистка сточных вод, представляющая собой один из наиболее важных процессов, которые выполняет человек с помощью микроорганизмов, в очень большой степени воспроизводит элементы естественных экологических циклов. Изучение активности микроорганизмов в природных условиях помогает понять, каким образом поддерживается жизнь на земле, и может служить ценной основой для практически важных применений смешанных культур микроорганизмов.
Адекватное функционирование глобальной экосистемы планеты невозможно без кругооборота необходимых для жизни химических элементов (так называемых биогеохимических циклов). Так, органические вещества, образующиеся в качестве отходов жизнедеятельности организмов или входящие в состав отмерших организмов, должны разлагаться и превращаться в неорганические вещества. Основные стадии этого процесса, называемого минерализацией, особенно эффективно осуществляются с участием микроорганизмов. В этом отношении особенно ценны такие качества микроорганизмов, как метаболическая универсальность, высокие скорости осуществляемых превращений и широкое распространение в природе. Микроорганизмы в общем случае могут разлагать любое природное органическое соединение.
Для предотвращения накопления чрезмерных количеств любых органических отходов необходимо, чтобы реакции деградации протекали с соответствующими абсолютными скоростями (т. е. чтобы произведение удельной скорости на плотность популяции было достаточно велико).
Микроорганизмы растут гораздо быстрее, чем любые высшие организмы. Соответственно, удельные скорости утилизации субстрата микроорганизмами также очень высоки, поэтому и химические трансформации, необходимые для минерализации, обычно осуществляются с высокими скоростями.
Важность микроорганизмов в природе обусловлена и еще одним фактором - их чрезвычайно широкой распространенностью и высокой плотностью популяций. Чрезвычайно много микроорганизмов обитает в поверхностных слоях водоемов и верхнем слое почвы; бактерии были обнаружены даже в образцах почвы из Антарктиды. Показано, что в слое плодородной почвы площадью 1 акр и глубиной до 6 дюймов содержится около 2 тонн бактерий и грибов. Учитывая высокие скорости метаболизма, нетрудно подсчитать, что находящиеся в этом почвенном слое микроорганизмы обладают большей метаболической активностью, чем 10000 человек. Из поступающего в биосферу углекислого газа около 90% вносится за счет дыхания бактерий и грибов.
В кругооборотах большинства химических элементов микроорганизмы не только доминируют в процессах минерализации, но и вносят существенный вклад в другие трансформации.
Кругооборот биологически важных химических элементов часто сопровождается циклическими изменениями степени их окисления. Сопряженные кругообороты углерода и кислорода (как и рассматриваемые ниже кругообороты всех других элементов) наглядно иллюстрируют общие принципы циклических превращений веществ.
Основные характеристики кругооборотов углерода и кислорода представлены ниже. Главной движущей силой этих (как и ряда других) кругооборотов является фотосинтез, обеспечивающий усвоение солнечной энергии и таким путем восстановление СО2, бикарбоната и карбоната (окисленных состояний углерода), а также одновременное образование молекулярного кислорода из воды. Таким образом на суше и в океанах ежегодно связывается около 1,6-10 10 и 1,2-1010 т углерода соответственно.
На суше основной вклад в фотосинтетическую активность вносят зеленые растения, а в океане фотосинтез осуществляется практически исключительно одноклеточными водорослями, называемыми фитопланктоном. Фотосинтез является основным путем восстановления СО2, но хемоаутотрофы также восстанавливают диоксид углерода. Минерализация органического углерода до СО2 в основном является результатом метаболической активности бактерий и грибов.
Из описанного кругооборота углерод отбирается несколькими путями. Большая часть выделившегося в атмосферу СО2 поглощается океанской водой в виде бикарбонатных ионов. В водной среде последние, взаимодействуя с катионами кальция, могут образовывать карбонат кальция - нерастворимое соединение, являющееся основой кораллов, раковин моллюсков и известняка. В этой форме углерод обладает очень малой биодоступностью, но в конце концов в результате эрозии или действия кислот карбонат кальция разрушается, а образующийся СО2 вновь включается в кругооборот углерода. Микроорганизмы также участвуют в разрушении карбоната кальция, синтезируя угольную, серную, азотную и другие кислоты.
Все мы знакомы со связанным углеродом в органической форме. Так, важной составной частью плодородной почвы является гумус - органический остаток, образующийся из устойчивых к действию микроорганизмов компонентов растений. Когда условия благоприятствуют накоплению большого количества гумуса, с течением времени образуются залежи торфа, которые в ходе целых геологических эпох могут постепенно превращаться в каменный уголь.
Другими обычными формами связанного органического углерода являются нефть и природный газ. Содержащийся в угле, нефти и газе углерод в конечном счете возвращается в биосферу благодаря постоянно возрастающей потребности человека в топливе.
Теперь перейдем к изучению кругооборота азота в биосфере и, в частности, к изменению его химического состояния в ходе соответствующих превращений. При этом полезно не забывать несколько основных положений. Во-первых, находящийся в атмосфере молекулярный азот практически совершенно инертен, т. е. для подавляющего большинства организмов в таком виде он не может служить питательным веществом. Во-вторых, в живых организмах азот в основном содержится в белках в восстановленной форме.
Общая схема кругооборота азота приведена ниже. Органический азот превращается в аммиак при действии микроорганизмов. Небольшая часть аммиака поступает в атмосферу и далее непосредственно утилизируется растениями и микроорганизмами; большая же часть аммиака окисляется до нитрата (N0з). Соответствующий процесс, осуществляющийся в две стадии, называют нитрификацией. Каждая из стадий процесса нитрификации катализируется своей группой бактерий, в первую очередь Nitrosomonas и Nitrobacter. И первые, и вторые являются хемоаутотрофами и облигатными аэробами.
Образующиеся таким путем нитраты являются одним из наилучших источников азота для растений, поэтому именно через нитраты большая часть азота возвращается в пул восстановленного органического азота. Водоросли и растения включают азот в органические соединения, и в этой форме азот может далее усваиваться и животными. В то же время микроорганизмы могут утилизировать нитрат и по другому пути. При недостатке кислорода, например в микроокружении бактерий, где в результате дыхания последних запасы кислорода истощились, многие бактерии способны перестроить свой метаболизм.
В связи с описанными путями фиксации азота перед генетической инженерией микроорганизмов и растений возникают две важные и интересные задачи:
а) введение генов Nif, ответственных за фиксацию азота, в геномы бактерий, населяющих корневые системы других (небобовых) растений;
б) создание растений, содержащих гены Nif непосредственно
в геноме растения.
Решение любой из этих задач приведёт к созданию сортов растений, не нуждающихся в азотных удобрениях в таком количестве, в каком их применяют в настоящее время.
В своем кругообороте сера также претерпевает стадии окисления, восстановления, включения в органические вещества а высвобождения из них. Сульфатредуцирующие и окисляющие серу бактерии играют важную роль в процессах микробиологической коррозии.
Далее рассматриваются пути реализации полного или частичного кругооборота элементов в специфическом окружении.
Взаимосвязи микроорганизмов в почве и некоторых других естественных экосистемах
Почва представляет собой сложную систему переменного состава, являющуюся отличной сферой обитания для микроорганизмов. Она состоит из тонкоизмсльченных минералов (в основном алюмосиликатов), разлагающихся органических остатков и смешанной популяции живых микроорганизмов.
Кроме того, в почве часто присутствует вода, а также газовая фаза, в состав которой могут входить N2, O2, CO2, H2S, NH3 и другие газы. Большая удельная площадь поверхности мелких твердых частиц почвы обусловливает концентрирование (за счет адсорбции) некоторых питательных веществ и внеклеточных гидролитических ферментов.
Растворенные минералы и разлагающиеся органические материалы являются источниками ионов, углеводов, азотсодержащих соединений и витаминов. Таким образом создается богатая среда, способная поддерживать рост микроорганизмов.
Синтрофизмом называют тип межвидовых взаимосвязей, при котором один организм продуцирует пищу для другого. Синтрофизм очень широко распространен среди популяций организмов в почве и играет важную роль в кругообороте химических элементов.
Ряд примеров синтрофизма схематично представлен на рисунке. Примечательно, что один организм (обозначенный символом А), продуцирующий целлюлолитические ферменты для самообеспечения питательными веществами, одновременно снабжает простыми сахарами и другие виды (В, С и D). Конечные продукты метаболизма организмов А используются другими микроорганизмами, обладающими иными потребностями в питательных веществах.
Синтрофизм можно объяснить и с другой точки зрения, проследив за последовательностью событий, которые наступают вслед за вспашкой земли, засеянной травами или клевером (эти события в какой-то степени напоминают рассмотренные в предыдущем разделе процессы, сопровождающие порчу молока). Вспашка не только обеспечивает почву различными питательными веществами из растений, но и аэрирует ее. Создающиеся таким путем условия способствуют быстрому росту гетеротрофных организмов и факультативных аутотрофов. Метаболическая активность этих организмов в свою очередь способствует повышению температуры и кислотности почвы.
После истощения имеющихся запасов, кислорода появляются облигатные анаэробы, что приводит к еще большему повышению кислотности. В конце концов этот быстрый рост микроорганизмов прекращается в результате истощения питательных веществ или образования токсинов, и множество клеток погибает, выделяя соединения, способствующие росту растений. Остаточная малочисленная популяция микроорганизмов в основном состоит из видов, способных разрушать устойчивые вещества, например, из числа содержащихся в гумусе.
Следует отметить, что в анаэробных условиях могут реализоваться и реализуются полные кругообороты всех основных химических элементов. Необходимые трансформации могут осуществляться даже в очень небольшой обедненной кислородом экологической нише, поскольку все они осуществляются с участием микроорганизмов. На рисунке ниже отражены тесные связи, которые могут устанавливаться между фотосинтезирующими, сбраживающими, сульфатредуцирующими и другими бактериями в анаэробном окружении.
![[О.В.Мосин]](/img/o/oleg_w_m/cdocumentsandsettingsolegmoidokumentyestestwennyepopuljaciimikrooorganizmowiihrolxwproizwodstweiporcheproduktowiwkrugooboroteweshestwrtf/smeshannye_populjacii3.jpg)
Микроорганизмы также являются основными продуцентами органических веществ в пресноводных водоемах и океане. Как схематично показано на рисунке, зеленые растения и крупные многоклеточные водоросли могут осуществлять фотосинтез только на небольшой глубине вблизи берегов. В открытом океане только свободно плавающие одноклеточные водоросли усваивают солнечную энергию в поверхностных слоях. По мере увеличения глубины фотосинтезирую;цая активность снижается и в конце концов вообще исчезает в силу поглощения света водой и суспендированными твердыми частицами.
Образующийся в поверхностных слоях океана фитопланктон является питательным веществом для большой цепи организмов-потребителей, роль первого звена в которой выполняет зоопланктон, а завершающими звеньями являются рыбы, киты и другие морские животные. Органические вещества, образующиеся в результате метаболической активности и гибели организмов, составляющих звенья этой цепи, в свою очередь разлагаются микроорганизмами. Возникающие при этом относительно несложные вещества могут утилизироваться фитопланктоном; этот этап замыкает пищевой цикл.
В опасном процессе, называемом эвтрофикацией, избыток питательных веществ вызывает чрезвычайно интенсивный рост водорослей. Некоторые из них продуцируют токсины; бурное размножение водорослей часто сопровождается появлением неприятного запаха. В конечном счете большая часть водорослей отмирает, высвобождая питательные вещества для гетеротрофных организмов.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Hattori Т., Microbial Life in the Soil: An Introduction, Marcel Dekker, Inc., New York, 1973.
2. Mitchell R., Introduction to Environmental Microbiology, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1974. Rich L. G., Environmental Systems Engineering, McGraw-Hill Book Company, New York, 1973.
3. Abson J. W., Todhunter К. I., Effluent Disposal, in Biochemical and Biological Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), vol. 1, chap. 9, Academic Press, London, 1967. Andrews J. F., Review Paper: Dynamic Models and Control Strategies for Wastewater Treatment Processes, Water Res., 8, 261-289 (1974).