Лекции. Микробиология.
advertisement
ЛЕКЦИЯ 5 Брожение 1. Общая характеристика процессов брожения. Значение процессов превращения углеродсодержащих веществ в круговороте углерода в природе. 2. Спиртовое брожение Основы виноделия. Получение глицерина. 3. Молочнокислое брожение. 4. Силосование кормов как метод анаэробной биоконверсии. Общая характеристика процессов брожения. Значение процессов превращения углеродсодержащих веществ в круговороте углерода в природе. Брожение - окислительно-восстановительный процесс, приводящий к образованию АТФ,котором окислителем и восстановителем служат органические соединения, образующиеся в ходе самого брожения. При брожении субстрат разлагается до конечных продуктов. соединения подвергающиеся брожению не должны быть сильно окислены и не слишком восстановленными. Чаще всего микроорганизмы используют в качестве субстратов углеводы, некоторые органические кислоты, аминокислоты, пурины и пиримидины. Образование АТФ во время брожения идет путем фосфорилирования на уровне субстрата. Брожение вызывается облигатными или факультативными анаэробами, и как правило в в строго анаэробных условиях. Брожение является простейшей формой биологического окисления, которое обеспечивает получение энергии в анаэробных условиях. Известно много типов брожения. Каждый их них дает специфические конечные продукты и свойственен отдельной группе микроорганизмов. Брожение идет в две стадии: 1. Кослительная стадия. Превращение глюкозы в пируват- включает разрыв углеродной цепи глюкозы и отщепление двух пар атомов водорода. 2. Восстановительная стадия - атомы водорода используются для восстановления пирувата или образованных их него соединений. Образование пирувата из углеводов совершается как серия последовательных реакций. Это катаболические реакции, общие для брожения и аэробного дыхания. У микроорганизмов известно три пути образования пирувата из углеводов: 1. Путь Эмбдена-Мейерглфа-Парнаса, или гликолиз, присущ облигатным и факультативным анаэробам. 2. Пентозофосфатный, или Варбурга-Диккенса- Хореккера, характерен для многих микроорганизмов, как прокариот, так и для эукариот. 3. Путь Энтнера-Дудорова, найден только у отдельных групп микроорганизмов, в основном анаэробных бактерий. Углерод – важнейший элемент органической природы. Он является неотъемлемой частью организмов. Зеленые растения ежедневно потребляют колоссальное количество углекислоты. Если бы в природе отсутствовали источники пополнения атмосферы углеродом, то вскоре жизнь полностью бы затихла. Основным источником пополнения атмосферы углекислотой является жизнедеятельность микроорганизмов. В почву ежегодно попадает большое количество органических веществ в виде остатков растений (пожнивные остатки, корни, навоз, зеленые удобрения и др.), трупов животных и отмерших микроорганизмов. Под влиянием различных групп микроорганизмов эти вещества проходят сложный путь биохимических превращений, достигая, в конце концов, стадии минерализации. Из соединений углерода наиболее легко и быстро подвергаются минерализации простые и низкополимерные углеводы (моно- и дисахариды). Несколько труднее и медленнее разлагаются полисахариды (крахмал, гемицеллюлозы, пектиновые вещества), жиры и воска. Трудно разлагаются микроорганизмами целлюлоза и близкие к ней высокополимерные соединения, например лигнин, который часто накапливается в почве. Большое значение в разложении органических веществ играют условия аэрации. В зависимости от условий среды разложение идет при участии анаэробных или аэробных микроорганизмов. В анаэробных условиях разложение углеводов протекает по типу брожения, в результате которого образуются органические кислоты, спирты и различные газообразные продукты. В зависимости от основного конечного продукта, образующегося в ходе анаэробного разложения, брожения получили соответствующие названия: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др. В аэробных условиях распад органических веществ идет более быстро и может завершиться полным окислением с образованием – CO2 и H2O. Но чаще всего окисление бывает не полным, и кроме CO2 и H2O образуются органические кислоты и спирты. Окислятся, могут углеводы, этиловый и др. спирты, кислоты, углеводороды, жиры и другие вещества. Процессы брожения и окисления органических веществ применяются широко в промышленности для получения ряда ценных продуктов ( ацетона, бутанола, глицерина, уксусной, лимонной, глюконовой и др. кислот), в сельском хозяйстве (силосовании, сенажировании, квашение овощей и переработке молока в кисломолочные продукты), для очищения почв и водоемов от загрязнения нефтью и продуктами ее переработки, для разведки месторождений нефти и газа, обработке лубоволокнистых культур и т.д. Спиртовое брожение Основы виноделия. Получение глицерина. Спиртовое брожение - это превращение углеводов до этилового спирта. Спиртовое брожение вызывается различными микроорганизмами: дрожжами, бактериями, отдельными видами грибов. Основным возбудителем являются дрожжи. Спиртовое брожение с участием дрожжей рода Saccharomyces применяется в хлебопечении, для получения спирта и других продуктов. Дрожжи широко распространены в природе: в почве, на поверхности плодов и ягод, зерне и т.д. Дрожжи сбраживают углеводы (моно- и дисахариды). Дрожжи относятся к факультативным анаэробам, поэтому легко переходят от анаэробного метаболизма (брожение) к аэробному дыханию. Сбраживание углеводов дрожжами с образованием этанола и углекислого газа идет гликолитическим путем. Образовавшийся пируватдекарбоксилазы в результате превращается а пируват ацетальдегид, под влиянием который затем восстанавливается НАД-Н2-алкогольдегидрогеназой до этанола. Суммарное уравнение: С6Н12О6 = 2 СН3СН2ОН + 2 СО2 Обычно спиртовое брожение протекает при кислой реакци среды (рН 45). Если реакцию сместить в щелочную сторону (около рН 8), то в качестве основного конечного продукта будет глицерин. 2С6Н12О6 + Н2О= СН3СООН+ СН3СН2ОН +2СН2ОНСНОНСН2ОН + 2СО2 Кроме вторичных продуктов, при спиртовом брожении образуются побочные продукты- высшие спирты или сивушные масла. Наибольшее практическое значение имеет вид дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Штаммы Saccharomyces cerevisiae подразделяют на расы верхового и низового брожения. Они используются в хлебопечении, получении спирта, пивоворении, виноделии, производстве кваса и некоторых кисломолочных продуктов. Молочнокислое брожение. Молочнокислое брожение - разновидность безкислородного дыхания. Его биологическое значение – снабжение микроорганизмов необходимой энергией. Распад глюкозы при молочнокислом брожении сопровождается образованием молочной кислоты, а также ряда побочных продуктов – уксусной кислоты, диоксида углерода, иногда этанола. Кроме глюкозы, молочнокислые бактерии могут сбраживать лактозу, фруктозу, галактозу и др. моно – и дисахариды Молочнокислое брожение лежит в основе силосования, квашения овощей, переработки молока в кисломолочные продукты, сыра, кислосливочного масла и т.п. Это брожение вызывается специфичной группой молочнокислых бактерий, которая очень разнообразна и широко распространена в природе. Молочнокислые бактерии обитают на поверхности растений, в молоке, на пищевых продуктах, в кишечнике человека и животных. По форме палочки или кокки, не образуют спор, неподвижны, грамположительные, анаэробы или аэротолерантны, требовательны к источникам азота, используют только аминокислоты и растворимые формы белка, нуждаются в ряде витаминов. Известны три типа брожения, вызываемого молочнокислыми бактериями: 1. Гомоферментативное молочнокислое брожение, при котором из глюкозы образуется в основном молочная кислота: C6H12O6 = 2 CH3CHOHCOOH Возбудители гомоферментативного брожения: Streptococcus lactis, S. cremoris, S. Thermophilus; Pediococcus damnosus; Lactobacillus bulgaricus, L. acidophilus, L. plantarum 2. Гетероферментативное молочнокислое брожение, при котором наряду с молочной кислотой образуются этиловый спирт и диоксид углерода: C6H12O6 = CH3CHOHCOOH + CH3CH2OH + CO2 Возбудители гетероферментативного брожения: Lactobacillus brevis, Lactobacillus cellobiosus, Leuconostoc cremoris, L. mesenteroides 3. Бифидоброжение, при котором из глюкозы образуются уксусная и молочная кислоты: 2C6H12O6 = 3CH3COOH + 2CH3CHOHCOOH Возбудители бифидоброжения: Bifidobacterium bifidum Силосование кормов как метод анаэробной биоконверсии. Силосование – способ консервирования зеленого корма без доступа воздуха, при участии молочнокислых бактерий обитающих на поверхности растений. Силосование протекает в три фазы. Первая фаза характеризуется развитием смешанной микрофлоры. На измельченной растительной массе начинают активно размножаться гнилостные, маслянокислые, молочнокислые бактерии, плесневые грибы, дрожжи и др. обычно обитающие на здоровых растениях. В результате деятельности молочнокислых бактерий среда подкисляется, при этом подавляется развитие гнилостной микрофлоры. Плесневые грибы переносят сильное подкисление, но являясь строгими аэробами, погибают в толще спрессованной растительной массы из-за отсутствия кислорода. Во второй фазе – фазе главного брожения - преимущественно развиваются молочнокислые бактерии. Во второй фазе происходит смена молочнокислых бактерий – сукцессия. Сначала развивается Leuconostoc, Streptococcus lactis,а затем более кокковые формы кислотоустойчивые молочнокислые палочки Lactobacillus plantarum. Третья фаза – конечная – связана с отмиранием молочнокислых бактерий, содержание молочной кислоты достигает 1-1,2%, что приводит к постепенному затуханию микробиологических процессов. Различают два способа силосования: холодный и горячий. Холодный способ наиболее распространен, идет наименьшая потеря сухого вещества и получается корм хорошего качества. Горячий способ используется при силосовании грубых малоценных кормов, при этом идет значительная потеря сухого вещества. Сахарный минимум- минимальное содержание сахаров в растениях необходимое для того, чтобы конечное рН силоса составило 4,2. Силос хорошего качества имеет следующими свойствами: кислый вкус, влажность 70%, оливково- зеленый цвет, запах ржаного хлеба или моченых яблок, рН 4-4,2. ЛЕКЦИЯ 6 Процессы брожения, вызванные бактериями рода Clostridium 1. Процессы брожения, вызванные бактериями рода Clostridium 2. Маслянокислое брожение пектиновых веществ. 3. Брожение и окисление клетчатки. 4. Неполное окисление углеводов и других органических соединений микроорганизмами с образованием кислот. 5. Окисление микроорганизмами углеводородов. Процессы брожения, вызванные бактериями рода Clostridium. Маслянокислое брожение – одно из звеньев круговорота углерода в природе. В результате брожения происходит минерализация сложных безазотистых органических веществ, а атмосфера обогащается углекислотой. Возбудители маслянокислого брожения относятся к роду Clostridium. Все виды рода объеденены в группы в зависимости от способности сбраживать те или иные органические соединения. Первая группа - сахаролитические виды, сбраживающие углеводы, крахмал или пектин, целлюлозу. Вторая группа- пртеолитические виды, сбраживающие аминокислоты. Бактерии рода Clostridium строгие анаэробы, грамположительные подвижные палочки с клостридиальным или плектридиальным типом спорообразования, способны накапливать гранулезу перед спорообразованием, некоторые из них обладают способностью фиксировать молекулярный азот. Для возбудителей этого процесса маслянокислое брожение есть способ добывания необходимой для поддержания жизни энергии. широко распространены в почве, навозе, Маслянокислые бактерии загрязненных водоемах, в разлагающихся растительных остатках, молоке, на поверхности растений и т.д. По преобладанию тех или иных конечных продуктов маслянокислое брожение подразделяется на истинно маслянокислое брожение (брожение глюкозы и крахмала), ацетонобутиловое брожение, брожение пектиновых веществ. Маслянокислое брожение наблюдается повсюду, где безазотистые вещества разлагаются при отсутствии кислорода. Процесс идет по схеме: 4C6H12O6 = 3CH3CH2 CH2COOH + 2CH3COOH + 8CO2 + 8H2 Кроме масляной кислоты, в процессе брожения в заметных количествах образуется уксусная кислота, а при подкислении среды значительные количества бутилового спирта и ацетона. Маслянокислое брожение пектиновых веществ. Пектиновые вещества в значительном количестве содержаться в любом растительном материале, они составляют основу межклеточного вещества растительных тканей. Пектиновые вещества не растворимы в воде, но способны к набуханию. Пектин разрушается микроорганизмами, содержащими ферменты протопектиназу, пектинэстеразу и пектиназу. Процесс брожения пектиновых веществ состоит из двух последовательных стадий. В первой стадии осуществляется гидролиз пектиновых веществ с образованием небольших цепочек, во второй идет дальнейшее сбраживание отдельных продуктов гидролиза до масляной кислоты, уксусной кислоты, CO2 , Н2 и Н2О . Возбудителями маслянокислого брожения пектиновых веществ являются бактерии рода Clostridium (Clostridium pectinovorum, Clostridium felsineum и др.) – подвижные спорообразующие палочки, облигатные анаэробы. Пектиновое брожение применяется при технической обработке лубоволокнистых растений - льна, конопли канатника, джута, кенафы и др. Брожение и окисление клетчатки. В состав целлюлозы входит более 50% всего органического углерода биосферы. Целлюлоза является одной из главных составных частей оболочек растительных клеток. Микроорганизмы способные разлагать клетчатку играют очень важную роль в процессе минерализации органического вещества и круговороте углерода. В почве целлюлоза может распадаться как в аэробных, так и в анаэробных условиях, в кислой или щелочной среде при низких или высоких влажности и температуре. Анаэробный распад целлюлозы осуществляется различными спорообразующими бактериями, распространенными в почве, навозе, речном иле и сточных водах, разлагающихся растительных остатках, рубце жвачных животных. Большинство их относится к роду Clostridium. Разложение целлюлозы с помощью микроорганизмов идет в несколько этапов. На первом этапе идет гидролиз полимера с участием ряда ферментов целлюлазного комплекса. Сначала целлюлоза гидролизуется внеклеточным ферментом – целлюлазой с образованием дисахарида целлобиозы, а затем внутриклеточным ферментом – целлобиазой до моносахаридов (глюкозы): (C6H10O5)n + H2O n C12H22O11 nC12H22O11 + H2O nC6H12O6 Второй этап – сбраживание глюкозы: C6H12O6 CH3CH2 CH2COOH + CH3COOH + CH3CH2OH + CH3CHOHCOOH + CO2 + H2 Большое количество клетчатки находится в поверхностных хорошо аэрируемых слоях почвы, где она окисляется аэробными микроорганизмами (бактериями, грибами и актиномицетами). Особенно много аэробных микроорганизмов, разлагающих клетчатку, в окультуренных пахотных почвах, удобренных навозом. Микроорганизмы окисляющие целлюлозу вырабатывают ферменты целлюлазу и целлобиазу, вызывающие ее гидролиз до глюкозы, которую затем окисляют до СО2 и Н2О; промежуточными продуктами являются оксикислоты, которые являются энергетическим материалом для группы азотфиксирующих бактерий почвы, а уроновые кислоты участвуют в образовании гумуса. Схема окисления целлюлозы: nC6H10O5 + nO2 R-CHOHCOOH + CO2 +H2O R-CHOHCOOH + nO2 CO2 + H2O Часто встречаются следующие роды бактерий способные окислять целлюлозу: Cellvibrio, Cellfalcicula, Cytophaga, Polyangium, Sorangium и др. Среди грибов могут встречаться представители родов – Trichoderma, Fusarium, Alternaria, Cladosporium и др. Неполное окисление углеводов и других органических соединений микроорганизмами с образованием кислот. Некоторые микроорганизмы не полностью окисляют те или иные органические соединения. В этом случае происходит накопление продуктов неполного окисления -оксалата, цитрата, сукцината, фумарата, малата, аконитата, глюконата и других кислот. Подобные процессы могут вызывать грибы. Грибы родов Rhizopus и Mucor вызывают окисление углеводов до малата, сукцината, фумарата, малата, ацетата, муравьиной кислоты, этанола; роды Aspergillus и Penicillium - до глюконата, оксалата и цитрата. Синтез этих кислот идет при интенсивной аэрации. большое практическое значение имеет микробиологическое получение лимонной кислоты из углеводов с использованием Aspergillus niger. Окисление микроорганизмами углеводородов. Углеводороды относят к группе химически стойких органических веществ. Многие микроорганизмы способны окислять углеводороды, получая при этом необходимую им энергию и материал для синтеза структурных компонентов клетки. Разрушать углеводороды в природе могут представители родов: Methylomonas, Methylococcus, Pseudomonas, Nocardia, Mycobacterium, Arthrobacter, а также дрожжи рода Candida и ряд мицелиальных грибов. Они способны окислять углеводороды разных классов простого и сложного строения: метан, этан, пропан, бутан, бензол, толуол, нафталин и др. Эти микроорганизмы применяют для разведки месторождений нефти и газа, для борьбы со скоплениями метана в шахтах, а также для очищения почв и водоемов от загрязнений нефтью и продуктами ее переработки. Конечные продукты окисления углеводородов - CO2 и H2O, а также ряд промежуточных продуктов – спирты, органические кислоты, эфиры и др. Механизация сельского хозяйства приводит к загрязнению сельскохозяйственных земель значительным количеством углеводородов. Так, керосин, бензин, используемые в тракторных, автомобильных и других двигателях, мазут и дизельное топливо, попадая в почву, приводит к нарушению ее свойств, ухудшают экологическую ситуацию, а аварийные разливы нефти превращают почву в техногенную пустыню. В почве углеводороды могут окисляться различными микроорганизмами. ЛЕКЦИЯ 7 Круговорот азота 1. Превращение микроорганизмами азотистых веществ. 2. Минерализация азота. 3. Нитрификация. 4. Денитрификация. 5. Иммобилизация азота. Превращение микроорганизмами азотистых веществ. Азотистые вещества в природе находятся в форме органических и минеральных соединений. Органические соединения входят в состав гумуса, растительных и животных остатков, а также живых микроорганизмов. Минеральные соединения представлены солями азотной и азотистой кислот, аммонийными солями и молекулярным азотом. Все эти соединения в природе подвергаются постоянным превращениям. Эти превращения осуществляются в основном микроорганизмами, которые участвуют в круговороте азота в природе. Огромное количество азота находится в воздухе. Однако большинству организмов, в том числе и растениям газообразный азот недоступен. Из большого разнообразия азотных соединений встречающихся в почве растения могут усваивать только минеральные. Некоторую часть атмосферного азота связывают свободноживущие или симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы. В результате жизнедеятельности этих микроорганизмов почва обогащается усвояемыми формами азота. Органические азотсодержащие соединения, в частности белки, попадающие в почву вместе с растительными и животными остатками, подвергаются минерализации до аммонийных соединений. Часть растительных остатков трансформируется в гумус – плодородный слой почвы. Превращение органических форм азотсодержащих соединений в минеральные, называется аммонификацией. Аммонийная форма азота подвергается в почве окислению нитрифицирующими бактериями с образованием солей азотистой, а затем азотной кислоты. Этот процесс называется нитрификацией. Нитраты и нитриты при определенных условиях могут восстанавливаться до молекулярного азота и улетучиваться из почвы, что приводит к значительным потерям доступных для растений форм азота. Процесс восстановления нитратов и нитритов до молекулярного азота называется денитрификацией. Таким образом, мобилизационные микроорганизмы процессы и способны накапливать вызывать доступные для как растений минеральные азотсодержащие вещества, так и диаметрально противоположные им – иммобилизационные, обедняющие почву ценными для растений соединениями. Минерализация азота. Разложение белков сопровождается аммонификацией, и других выделением или азотсодержащих аммиака. минерализацией соединений Этот азота. процесс Процесс в почве называется широко распространен в природе и является наиболее динамичным звеном в цикле азота. Белки подвергаются разложению как аэробными, так и анаэробными бактериями, а также грибами и актиномицетами. Наиболее активными являются представители родов Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Proteus. Микроорганизмы используют продукты распада белков как источник азота, углерода и энергии. Следовательно, аммонификация – акт дыхания и питания. Разложение начинается с гидролиза белков с помощью протеолитических экзоферментов – протеаз, а затем внутриклеточных пептидаз до свободных аминокислот. Образующиеся аминокислоты используются для синтеза белков клетки или подвергаются дальнейшему расщеплению с образованием аммиака и других продуктов. Внутриклеточное или внеклеточное расщепление аминокислот может идти четырьмя путями: 1. дезаминирования 2. окислительное дезаминирование 3. восстановительное дезаминирование 4. декарбоксилирование Состав конечных продуктов зависит от условий, в которых протекает процесс аммонификации. При аэробном распаде белка основными конечными продуктами бывают аммиак, углекислый газ, сульфаты и вода. В анаэробных условиях при распаде белка образуются аммиак, амины (кадаверин и путресцин), углекислый газ, органические кислоты, меркаптаны, а также вещества с неприятным запахом – индол, скатол и сероводород. Нитрификация. Окисление аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты называется нитрификацией. Этот процесс был открыт С.Н. Виноградским, которому впервые удалось выделить возбудителей этого широко распространенного в почве процесса. Процесс идет в две фазы, идущие последовательно одна за другой. В первой фазе происходит окисление аммиака до азотистой кислоты, возбудителями являются нитрозные бактерии, представители родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira: 2 NH3 + 3 O2 = 2 HNO2 + 2 H2O +ккал. Во второй фазе нитрификации азотистая кислота окисляется до азотной кислоты, возбудителями являются нитратные бактерии родов Nitrobacter, Nitrobacter, Nitrococcus: 2 HNO2 + O2 = 2 HNO3 + ккал. Энергию окисления аммиака или азотистой кислоты нитрификаторы используют для синтеза органических веществ из СО2 (хемосинтез). Бактерии нитрификаторы – хемолитоавтотрофы и строгие аэробы, грамотрицательные, различной морфологии – кокки, палочки или спирально изогнутые, в большинстве своем подвижные, с полярными или перитрихальными жгутиками. Денитрификация. Окисленные формы азота (нитраты, нитриты) образующиеся в почве при нитрификации могут, горизонты а почвы, усваиваются растениями, вымываться в нижние также восстанавливаться до оксидов азота или молекулярного азота. Это приводит к существенным потерям из почвы ценных для растений соединений азота, таким образом, для сельского хозяйства это нежелательный процесс. Однако, для природы в целом – это оздоровительный процесс, так как именно в результате денитрификации происходит предохранение грунтовых вод и водоемов от чрезмерного накопления в них нитратов, вымываемых из почв. Нитратное дыхание происходит с использованием связанного кислорода нитрата. Многие бактерии в актах дыхания восстанавливают нитрат с выделением молекулярного азота. Этот процесс диссимиляционного восстановления нитрата получил название денитрификации. Денитрификация идущая с участием восстановление микроорганизмов нитратов – косвенной называется прямой, денитрификацией. химическое В процессе денитрификации органические безазотистые вещества окисляются до CO2 и H2O. Суммарно этот процесс можно выразить следующим уравнением: C6 H12O6 + 4NO3- = 6CO2 +6 H2O + 2 N2 + ккал. Микроорганизмы, осуществляющие процесс денитрификации, широко распространены в природе. Большинство из них относятся к родам Pseudomonas, Paracoccus и Bacillus. Процесс идет в основном в анаэробных условиях. Иммобилизация азота. При определенных условиях имеющиеся в почве минеральные формы азота переходят в недоступные для растений соединения. Один из таких процессов возникают вследствие бурного развития микроорганизмов, которые потребляют азот и переводят его в белок цитоплазмы. Подобный процесс называется иммобилизацией азота. Биологически закрепленный азот не теряется из почвы. После отмирания микроорганизмов белковые вещества минерализуются и превращаются в аммиак. Установлено, что превращение азотсодержащих соединений по пути минерализации или, наоборот, иммобилизация полностью определяется соотношением азота и углерода в органическом веществе, вносимом в почву. В осеннее время иммобилизация полезна, так как нитраты и аммиак связываются и не теряются из почвы в результате выщелачивания зимой. Весной азот, входящий в состав микробной клетки минерализуется и превращается в доступную для растений форму. ЛЕКЦИЯ 8 Фиксация молекулярного азота атмосферы микроорганизмами. 1. Свободноживущие, ассоциативные и симбиотические азотфиксаторы. 2. Биохимия азотфиксации. 3. Значение фиксации молекулярного азота для растений. Биологическая азотфиксация как альтернатива азотным удобрениям. Азотфиксация – биологический процесс, и единственными организмами, способными его осуществлять, являются прокариоты. Свыше 90% всей фиксации молекулярного азота атмосферы осуществляется в результате метаболической активности микроорганизмов. В зависимости от взаимоотношений с растениями микроорганизмы фиксирующие молекулярный азот делятся на две группы: 1. Симбиотические 2. Несимбиотические Симбиотические живут в симбиозе с растениями и образуют на корнях или листьях клубеньки. Несимбиотические делятся на свободноживущие и ассоциативные. Свободноживущие, ассоциативные и симбиотические азотфиксаторы. Свободноживущие почвенные азотфиксаторы живут независимо от присутствия растения: вне ризосферы, в почве пара, даже в почве дорог. Среди свободноживущих азотфиксаторов наибольший интерес представляют виды родов Azotobacter и Clostridium. Аэробные азотфиксаторы рода Azotobacter. Azotobacter chroococcum – фиксирует азот в аэробных условиях. Для азотобактера характерны изменения формы клеток. Молодые клетки представляют собой подвижные палочки, позже они теряют подвижность и превращаются в крупные кокки, часто покрытые слизистой капсулой и содержащие разные включения. Азотобактер требователен к условиям окружающей среды, прежде всего к высокому содержанию в почве влаги и органических веществ, поэтому обитает в высокоплодородных, достаточно влажных почвах с нейтральной или близкой к ней реакцией среды. Источниками азота для него могут служить соли аммония, нитриты, нитраты и аминокислоты. В отсутствии связанных форм азота азотобактер фиксирует молекулярный азот. В качестве источника углерода азотобактер способен использовать сахара, спирты, органические кислоты. Он нуждается в фосфоре и кальции, а также в микроэлементах молибдене и боре. В анаэробных условиях наиболее активным азотфиксатором является Clostridium pasterianum. Это облигатные анаэробы получающие энергию в ходе маслянокислого брожения. Сбраживают моно- , дисахара и некоторые полисахариды. Молодые клетки C. pasterianum имеют форму палочек с перитрихальным жгутованием, в старых клетках образуются споры. При спорообразовании клетки утолщаются посередине или на конце. Перед спорообразование часто накапливают гранулезу, которая окрашивается раствором Люголя в сине- фиолетовый цвет. Анаэробные азотфиксаторы широко распространены в природе. Они встречаются почти повсеместно в почвах и загрязненных водоемах. Симбиотическая азотфиксация – это способность бактерий связывать молекулюрный азот, находясь в симбиозе с высшими растениями. Важная роль в фиксации молекулярного азота принадлежит клубеньковым бактериям, развивающимся преимущественно на корнях бобовых растений. Симбиотические отношения, устанавливающиеся между ними, заключаются в том, что бактерии питаются органическими веществами, синтезированными растением, а растение получает из клубеньков связанные соединения азота. Клубеньковые бактерии могут существовать длительное время в почве как сапрофиты, развиваясь за счет органических соединений. Бактерии проникают в корни растений из почвы через корневые волоски. Клетки корня, в которые проникли бактерии, начинают интенсивно делиться, благодаря чему образуются клубеньки. Форма и размер клубеньков, а также их расположение на корнях зависят как от активности бактерий, так и от растений, на которых они образуются. Клубеньковые бактерии относятся к родам Rhizobium (преимущественно), Bradyrhizobium, Azorhizobium и др. Бактерии рода Rhizobium имеют палочковидную форму, подвижные, спор не образуют. Клубеньковые бактерии проходят сложный цикл развития, поэтому на одном и том же препарате можно встретить одновременно палочковидные, шаровидные или разветвленные (бактероидные) формы, которые представляют собой отдельные этапы жизненного цикла. Благодаря совместной деятельности бобового растения и клубеньковых бактерий неисчерпаемые запасы азота воздуха становятся доступными растениям и накапливаются в почве. Ассоциативные азотфиксаторы обитают в ризосфере и филлосфере и формируют ассоциации с различными видами не бобовых растений. ассоциативным азотфиксаторам относятся бактери родов К Enterobacter, Klebsiella, Escherichia, Erwinia и др. Для них характерна колонизация корней растений без образования выраженных морфологических структур, но с положительным эффектом на продуктивность растений. Рост развитие ассоциативных бактерий связаны с поступлением к ним от растений легкодоступных источников углерода и энергии в виде корневых выделений. а также корневого отпада и опада. Наибольший интерес среди ассоциативных азотфиксаторов представляют бактерии рода Azospirillum, обитающие на корнях трав, особенно злаков. Это грамотрицательные, микроаэрофильные вибрионы или палочки с заостренными концами, подвижные. Бактерии рода Pseudomonas также обитают на корнях злаковых и других небобовых растений. Ассоциативная азотфиксация играет большую роль в азотном питании небобовых растений. Биохимия азотфиксации. Молекула азота характеризуется очень прочной тройной связью, которая обуславливает инертные свойства газа. Фиксация азота атмосферы представляет собой восстановительный процесс и первым продуктом который можно выявить является аммиак. Процесс восстановления азота представляет собой ряд ферментативных реакций, осуществляемых ферментным комплексом нитрогеназой. Активный цент нитрогеназы содержит два компонента: MO-Fe-белок и Fe -S-белка. Азотфиксирующей активностью обладает только комплекс этих компонентов нитрогеназы. Нитрогеназа очень чувствительна к кислороду. У микроорганизмов существуют механизмы защиты от окисления. У клубеньковых бактерий эту функцию выполняет леггемоглобин, который обеспечивает дозированное поступление кислорода в бактероиды. Воссановление молекулярного последовательные стадии. Вначале N2 азота до аммиака идет в три превращается в диимид (HN=NH). а затем в гидразин (H2N-NH2) и, наконец, в NH3. Восстановление одной молекулы азота идет с затратой 12 молекул АТФ. Далее образующийся аммиак связывается с кетокислотами, что приводит к синтезу аминокислот, а затем и белков плазмы бактериальных клеток. После отмирания бактерий, белки подвергаются аммонификации, тем самым увеличивая количество минерального азота в почве. Кроме того еще при жизни азотфиксаторы выделяют различные азотсодержащие соединения: аммиак, гидразин, аминокислоты, которые непосредственно поглощаются растениями. Значение фиксации молекулярного азота для растений. Биологическая азотфиксация как альтернатива азотным удобрениям. Биологической альтернативой минеральным азотным удобрениям в сельском хозяйстве является биологическая фиксация молекулярного азота атмосферы. На основе азотфиксирующих микроорганизмов в настоящее время разработаны биопрепараты комплексного действия- они улучшают питание растений, стимулируют рост растений, подавляют развитие фитопатогенной микрофлоры. Применение биопрепаратов повышает продуктивность растений, улучьшают их качество за счет повышения содержания белка, крахмала, витаминов и других соединений, позволяет получить более раннюю продукцию, улучьшает сохранность, а также позволяет снизить норму минеральных удобрений, что положительно сказывается на уровне нитратов и нитритов в продукции. Наибольшая эффективность биопрепаратов на основе азотфиксирующих микроорганизмов проявляется на овощных и кормовых культурах. К биопрепаратам на основе клубеньковых бактерий относится нитрагин или ризоторфин. На основе свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов готовят препарат - азотобактерин. На основе ассоциативных азотфиксирующих микроорганизмов готовят препараты: агрофил, агрофор, азоризин и др. ЛЕКЦИЯ 9 Микробиологические превращения соединений серы, железа, фосфора. 1. Биологический цикл соединений серы. 2. Превращение соединений фосфора. 3. Превращение соединений железа. Биологический цикл соединений серы. Сера неоходимый элемент для организмов. В почве встречается в виде сульфатов, сульфитов, неорганические органических соединения серы соединений. под Органические влиянием и микроорганизмов подвергаются в почве различным превращениям. Органические соединения серы могут быть разрушены и минерализованы. В определенных условиях восстановленные неорганические соединения серы подвергаются окислению микроорганизмами, а окисленные наоборот, могут быть восстановлены в сероводород. 1. Окисление соединений серы. Среди активных окислителей восстановленных неорганических соединений серы выделяют несколько групп микроорганизмов: Тионовые бактерии родов Thiobacillus, Thiosphaera и др., обитающие в почве. Нитчатые формы встречаются на затопленных почвах. в грязевых водоемах. Фотосинтезирующие виды обитают в водной среде. Наиболее распространены тионовые бактерии рода Thiobacillus. T. thioparus, T. denitrificans, T. ferrooxidans и др. Это неспорообразующие грамотрицательные палочки, большинство подвижны. Источником углерода для синтеза органических соединений бактерии служит углекислый газ и бикарбонаты. Большинство представителей рода Thiobacillus облигатные хемолитогетеротрофы, т.е. живут за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических соединений серы. Способны окислять тиосульфат, сероводород, сульфиды, тетратионаты и тиоцианаты. Для окисления бактериями молекулярной серы необходим ее контакт с клетками. Тионовые бактерии - облигатные аэробы, за исключением T. denitrificans. Сероокисляющие бактерии также обнаружены в термальных серных источниках. Одноклеточные бесцветные серобактерии представлены A chromatium, Thiobacterium, Thiospira и др. Это сферические, овальные, палочковидные или извитые формы, подвижные или неподвижные, грамотрицательные. К многоклеточным бесцветным серным бактериям относят микроорганизмы родов Beggiatoa, Thioploca, Thiothrix и др. Они окисляют сероводород до элементарной серы. которая временно откладывается внутри клеток. Окисляют соединения серы также фотолитоавтотрофные пурпурные и зеленые серные бактерии, они обитают в среде, где имеется Н2S.Большой роли в почвах не играют. Серу могут окислять многие хемоорганогетеротрофные микроорганизмы, такие как виды родов Bacillus, Pseudomonas, актиномицеты и грибы. Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы, применяют при разработке месторождений полезных ископаемых. 2. Восстановление неорганических соединений серы. Оно осуществляется при различных обменных процессах. Сульфаты могут быть источником серы как для микро-, так и для макроорганизмов. Усвоение данных соединений сопровождается восстановлением серы в биосинтетических процессах- при ассимиляционной сульфатредукции. Среди бактерий, вызывающих восстановление сульфатов, наиболее изучены бактерии родов - Desulfovibrio и Desulfotomaculum. Бактерии рода Desulfovibrio - неспоровые грамотрицательные изогнутые палочки, подвижные, облигатные анаэробы, мезофилы. Встречаются в морской воде, иле, пресной воде и почве.Типичный представитель Desulfovibrio desulfuricans. Бактерии рода Desulfotomaculum - грамотрицательные, прямые или изогнутые спорообразующие подвижные палочки. облигатные анаэробы, восстанавливающие сульфаты до сульфидов. Встречаются в пресных водах, почвах, испорченных продуктах и др. Типичный представитель Desulfotomaculum nigrificans. Сульфатредуцирующие бактерии - специализированная группа анаэробных микроорганизмов, использующих сульфат как акцептор водорода для окисления органических соединений. Продуктом восстановления соединений серы является Н2S. Сульфатредуцирующие бактерии наносят определенный ущерб, разрушая материалы, неустойчивые к сероводороду, вызывают коррозию металлов а анаэробных условиях. Значительное накопление сероводорода в почве, водоемах может быть токсично для растений и животных. С другой стороны образование сероводорода играет большую роль в геологических процессах. Превращение соединений фосфора. Превращение органических соединений фосфора. Фосфор является вторым после азота важнейшим элементом питания растений. Он входит в состав почвы, растений и микроорганизмов в виде органических и неорганических соединений. В почву соединения фосфора поступают с растительными и животными остатками и минеральными удобрениями. В почве встречается в формах: фосфатов кальция, фосфатов или оксифосфатов железа, а также в органической форме. Органические соединения фосфора( нуклеиновые кислоты, фитин, фосфолипиды) разлагаются бактериями родов Bacillus, Pseudomonas, грибами родов Penicillium, Aspergillus, Rhizopus и др. , некоторыми актиномицетами, а также дрожжами родов Rhodotorula, Candida, Saccharomyces и др. при участии активных фосфатаз отщепляющих фосфорную кислоту. Разложение органических веществ при участии микроорганизмов сопровождается фиксацией в клетках определенного количества фосфора в виде тех или иных органических веществ. Поэтому внесение в почву большого количества соломистых удобрений может привести к биологическому закреплению фосфатов и вызвать фосфорное голодание растений. Превращение неорганических соединений фосфора. Неорганические формы фосфора в почве представлены нерастворимыми фосфатами кальция (аппатиты, оксиапатиты, фосфориты). Такие соединения фосфора входят в состав минералов и недоступны или слабо доступны растениям. Многие микроорганизмы могут переводить нерастворимые соединения фосфорной кислоты в растворимое состояние. Среди них бактерии родов Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus, грибы родов Penicillium, Aspergillus и др. Растворение фосфатов в почве происходит в результате образования углекислоты, азотной , серной кислот, органических кислот, кетокислот образующихся в результате жизнедеятельности сероокисляющих, нитрифицирующих бактерий, как конечные продукты брожения или окисления углеводов. Превращение соединений железа. Железо необходимо в небольшом количестве для всех существ. В почве железо находится в минеральной форме или в комплексных органических соединениях, представленых в почве гуминовыми соединениями. Существенную роль в трансформации железа в природе играют микроорганизмы. Биологический цикл превращения железа складывается из трех этапов: Минерализация органических соединений, содержащих железо. Органические вещества, представлены ферментами каталазой, пероксидазой, цитохромами, железопорфириновыми соединениями. Их минерализацию осуществляют многие хемоорганогетеротрофные микроорганизмы- бактерии, актиномицеты и грибы. Микроорганизмы усваивают органическую часть молекулы, а железо освобождается и в аэробных условиях осаждается в виде гидроксида. Окисление восстановленных соединений железа. Многие микроорганизмы прямо или косвенно участвуют в окислении железа. Железобактерии окисляют органические соединения железа, а образующийся в результате гидроксид железа откладывается на поверхности их клеток. Железобактерии флексибактериями, цианобактериями. представлены нитчатыми одноклеточными Все они бактериями, подразделяются на бактериями, микоплазмами, две группы: хемоорганогетеротрофы и хемолитоавтотрофы. Нитчатые железобактерии различны по морфологии, грамотрицательные, имеют слизистые чехлы в которых накапливается окисное железо, окисляют неорганические соединения в болотах, ручьях, дренажных трубах и др. с образованием охристых осадков. К ним относятся Leptothrix с неподвижными нитями, флексибактерии способные к скольжению - Toxothris, Spirothrix. Одноклеточные бактерии Arthrobacter и Seliberia окисляют железо в нейтральных почвах при наличии закисного железа и органических веществ. Аккумулировать железо в почве могут также микоплазмы - Gallionella, Siderococcus. Хемолитоавтотрофные железобактерии получают энергию в результате окисления закисного железа и используют углерод диоксида углерода, к таким относятся бактерии родовThiobacillus и Leptospirillum, Sulfolobus/ Восстановление окисленных соединений железа. В анаэробных восстанавливаются в условиях результате окисленные активности бактерий родов Bacillus, Clostridium и др. соединения железа хемоорганогетеротрофных ЛЕКЦИЯ 3 Микроорганизмы и окружающая среда. Взаимоотношения микроорганизмов между собой. 1. Отношение микроорганизмов к факторам внешней среды (Излучения, температура, влажность, реакции среды, кислород). 2. Взаимоотношения между микроорганизмами. Нейтрализм, мутуализм, метабиоз, синтрофия, конкуренция, антогонизм. 3. Практическое использование симбиоза и антогонизма в сельском хозяйстве и медицине. 1. Отношение микроорганизмов к факторам внешней среды Условия внешней среды имеют в жизни микрорганизмов такое же большое значение, как и в жизни любого живого существа. На рост и распространение микроорганизмов в природе влияют различные факторы: влажность, температура, кослотность среды, наличие кислорода и др. Влажност среды. Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутствии свободной воды, в которой растворены питательные вещества. Большое влияние на рост микробов оказывает концентрация переносить высокие концентрации растворенных в воде соединений. Микроорганизмы способные растворенных веществ называются осмотолерентными. Высокое осмотическое давление среды не препядствует росту осмофильных микроорганизмов. Микроорганизмы способные жить только при очень высоких концентрациях солей, называются галофильными. При дефиците влаги микроорганизмы не размножаются. Устойчивость микроорганизмов к недостатку воды неодинакова. Наиболее устойчивы грибы, что имеет важное значение для поддержания непрерывности круговорота веществ в природе. Устойчивость к высушиванию бактерий и актиномицетов различна и зависит от способности образовывать устойчивые формы или защитные структуры (капсулы). Жизнеспособность бактерий при высушивании определяется многими факторами - температурой, реакцией среды и др. Температура. Существование микроорганизмов определяется температурой внешней среды. При высоких температурах многие микробы погибают. Низкие температуры также нарушают процессы биосинтеза и рост бактерий прекращается. Для каждого микрорганизма существуют минимальные, оптимальные и максимальные температуры. По отношению к температуре микроорганизмы делятся на три группы: психрофилы (холодолюбивые), мезофилы (средние, умеренные температуры), термофилы (теплолюбивые). Возможность существования при определенных температурах определяется ферментами, проницаемостью мембран, свойстввми белков. Кислотность среды. Кислотность среды оказывает большое влияние на рост и размножение микроорганизмов. Для большинства микроорганизмов оптимально нейтральные значения реакции среды. Очень кислая или очень щелочная реакция обычно токсичны для бактерий. По отношению к кислотности среды микроорганизмы делят на группы: нейтрофилы (рН 4-9) алкалофилы (рН 10 и выше) ацидофилы (рН 3 и менее) ацидотолерантные алкалофилы Отношение к кислороду. Молекулярный кислород - важный экологический фактор. По отношению к кислороду все микроорганизмы делят на ряд групп: облигатные аэробы- живущие только с кислородом анаэробы - не используют кислород. Среди них различают облигатных и факультативных анаэробов. Излучения. Свет необходим для фотосинтезирующих микроорганизмов. Для большинства других радиация, видимая и невидимая, как правило бесполезна или даже вредна. Ультрафиолетовые лучи обладают бактерицидным эффектом. Видимое излучения также оказывает некоторое отрицательное воздействие на микроорганизмы, особенно лишенные пигментов. Ионизирующая радиация (ренгеновские лучи, альфа частицы и гамма лучи) в низких дозах оказывают мутагенное действие на микроорганизмы, в высоких -летальное. 2. Взаимоотношения между микроорганизмами. Микрорганизмы в природе живут в тесной взаимосвязи друг с другом и прочим населением окружающей среды. Взаимоотношения между микроорганизмами могут приносить им как пользу, так и вред, а также быть антогонистическими, или нейтральными. Конкуренция - это взаимоотношения когда питание на одних и тех же субстратах. виды соревнуются за Различают пассивную и активную конкуренцию. В ряде случаев наблюдаются ассоциативные взаимоотношения, например нитрифицирующие бактерии. Синтрофия, когда два или более вида бактерий способны осуществлять совместно процесс, который ни один из них не в состоянии выполнять отдельно. Симбиоз - совместное длительное существование микроорганизмов и микро- или макроорганизмами. Различают несколько типов симбиоза: комменсализм, мутуализм, паразитизм. Хищничество. когда одни используют других в качестве пищи. Антогонизм, когда один вид микроорганизма задерживает или подавляет развитие другого. 3. Практическое использование симбиоза и антогонизма в сельском хозяйстве и медицине. Симбиотические взаимоотношения между организмами нашли практическое применение в сельском хозяйстве. Так например, использование бактериальных землеудобрительных препаратов на основе симбиотических азотфиксаторов, значительно повышает продуктивность растений, улучшает качество получаемой и сохранность продукции. Кроме того, их использование позволяет снизить норму минеральных азотных удобрений, что положительно сказывается на уровне нитратов и нитритов в прдукции. Явление антогонизма также, широко используется в сельском хозяйстве и медицине. Использование микробов-антогонистов против возбудителей болезней растений, против растений-паразитов культурных растений, в борьбе с почвенной инфекцией. Применение антибиотиков для защиты растений и лечения и профилактики животных. ЛЕКЦИЯ 1 Микроорганизмы почвы. Влияние антропогенных факторов на микробное сообщество почвы. 1. Цель, задачи, структура курса. Модульная система обучения и рейтинговая оценка знаний. 2. Роль микроорганизмов в природе и жизни человека. Микроорганизмы в почве как среде обитания. 3. Характеристика почвенных микроорганизмов. 4. Влияние на почвенные микроорганизмы обработки почвы и милеорации, органических и минеральных удобрений, химических средств защиты растений(пестицидов). 2. Роль микроорганизмов в природе и жизни человека. Микробиология - это наука о мельчайших невидимых невооруженным глазом организмах, называемых микрорганизмами, или микробами. Микробиология распадается на ряд самостоятельных разделов: общая микробиология, техническая, сельскохозяйственная, санитарная и т.д. Микроорганизмы широко распространены в природе. Они постоянно присутствуют в почве, воде, на поверхности и внутри тела человека, животных и растений, в пищевых продуктах, воздухе и т.д. Широкое распространение микробов свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии присходит разложение различных органических веществ в почвах и водоемах, они обуславливают круговорот веществ и энергии в природе; от их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти и др. ископаемых. Многие микроорганизмы используются в промышленности и сельском хозяйстве. Особенно велико значение микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве. Это обогощение почвы азотом, борьба с вредителями сельхозкультур, приготовление и хранение кормов, получение кормового белка, антибиотиков и т. д. Микроорганизмы принемают активное участие в разложении ксенобиотиков. Наряду с полезными микробами существует большая гркппа болезнетворных, или патогенных микробов. 3. Характеристика почвенных микроорганизмов. Мир почвенных микроорганизмов весьма разнообразен. В почве встречаются грибы, актиномицеты, водоросли, вирусы, бактерии, простейшие. Простейшие -Protozoa Простейшие многочисленные и повсеместно распространенные в почвах одноклеточные микроорганизмы. Среди простейших встречаются сапрофиты, но чаще это хищники паразиты. Для простейших характерны сложные взаимоотношения с другими почвенными микроорганизмами. Большинство почвенных простейших бактериоядные формы, обладающие избирательностью. Простейшие выделяют биологически вещества положительно влияющие на фиксацию азота атмосферы почвенными микробами. Простейшие стимулируют рост и развитие высших растений, выделяя азотсодержащие соединения в почву или участвуя в разложении сложных органических веществ до более простых, доступных для растений. Могут влиять и косвенно на численность почвенных микроорганизмов. Некоторые простейшие вызывают различные заболевания человека и животных. В почве обитают представители 3 классов: Саркодовые -Rhizopoda или Sarcodina Инфузории, или ресничные - Ciliata Жгутиковые - Flagellata Типы питания простейших: фототрофные, гетеротрофные сапрофиты, гетеротрофные галозоиды. Водоросли -Algae Водоросли - эукариотные организмы, осуществляющие фотосинтез с выделением кислорода и имеющие хлоропласты. Среди водорослей известны одноклеточные, нитчатые, колониальные формы, а также многоклеточные, тело которых таллом, или слоевище. Морфологическое разнообразие водорослей велико. Почти все почвенные водоросли одноклеточные и имеют микроскопические размеры, реже нити или колонии. Классификация водорослей основана на таких признаках, как химический состав клеточной стенки, строение и расположение жгутиков у подвижных форм, характер фотосинтезирующих пигментов, а также природа запасных веществ. Наиболее распространены в почве: Зеленые водоросли- Chlorophyta Желто-зеленые -Xanthophyta Диатомовые водоросли - Bacillariophyta (Diatomeae) Значение водорослей: обогощают почву органическими веществами, участвуют при формировании почв, используются в сельском хозяйстве как зеленые удобрения и источник каротина, некоторые фиксируют молекулярный азот, могут быть индикаторами на газовый и солевой режим почвы. Грибы- Fungi Грибы - низшие эукариотные одноклеточные и мицелиальные хемоорганотрофные организмы. Представители грибов делят на макро- и микромицеты. Макромицеты образуют крупные плодовые тела, отсутствующие у микромицетов. У микромицетов на протяжении всего жизненного цикла имеются только микроскопические структуры. Почвенные грибы представляют самую крупную экологическую группу, участвующую в минерализации органических остатков растений и животных и в образовании почвенного гумуса. Грибы обладают признаками как животных, так и растений, а также признаками характерными только для царства Mycota. По взаимоотношениям со средой и другими организмами грибы делят на пять экологических групп: сапротрофы паразиты факультативные паразиты микоризообразователи хищные грибы Для сельскохозяйственного или промышленного производства наиболее важны классы: Zygomycetes Ascomycetes Basidiomycetes Deuteromycetes Значение грибов: активные редуценты- участвуют в разложении органических веществ, могут вызывать болезни растений, человека и животных, используются для получения антибиотиков, средств защиты растений, могут вызывать порчу пищевых продуктов, древесины и т.д. Вирусы Вирусы -группа ультрамикроскопических облигатных внутриклеточных паразитов, способных размножаться только в клетках живых организмов. Среди них возбудители болезней человека, животных, растений, микроорганизмов. По химическому составу вирусы представляют собой нуклеопротеид, причем в каждом опреднленная нуклеиновая кислота ДНК или РНК. Признаки вирусов: не имеют клеточного строения не способны к росту и бинарному делению не имеют собственных систем метаболизма и др. Вирусы специфичны, паразитируют на определенных хозяевах. Не размножаются в почве, но могут долго в ней сохраняться. Актиномицеты (лучистые грибки) Представлены порядком Actinomycetales. Это грамположительные бактерии, обладающие способностью к образованию ветвящихся гиф, могут образовывать мицелий. Гифы одноклеточные. Для них характерно образование субстратного и воздушного мицелия со спороносцами. Большинство размножается спорами. К актиномицетам также относят организмы, у которых гифы почти не наблюдаются и они представляют собой ветвящиеся или слегка разветвленные палочки. Клетки имеют типичную для прокарио структуру. Актиномицеты занимают промежуточное положение между грибами и бактериями. Обитают в почве, где участвуют в разложении органических соединений и образовании гумуса. Среди них есть сапрофиты и возбудители болезней человека и животных. Многие образуют антибиотики. которые используются для борьбы с болезнями человека, животных и растений. Наибольшее значение имеют представители семейств: Actinomycetaceae Mycobacteriaceae Frankiaceae Nocardiaceae Streptomycetaceae 4. Влияние на почвенные микроорганизмы обработки почвы и милеорации, органических и минеральных удобрений, химических средств защиты растений(пестицидов). Среди антропогенных факторов наибольшее влияние на микробное сообщество почвы имеют разнообразные приемы обработки и милиорация. Главный прием основной обработки почвы, влияющей на жизнедеятельность ее микрофлоры, - вспашка. Она должна создавать в почве благоприятные условия для протекания мобилизационных процессов, в результате которых накапливаются питательные вещества для растений. Существуют разные подходы к решению вопроса об использовании различных приемов основной обработки почвы. Необходимо учитывать биологическую разнокачественность пахотного слоя, которая выражается в постепенном снижении численности микроорганизмов по мере углубления в почву. Мелиорация. Огромное значение в повышении плодородия почв имеют мелиоративные мероприятия. К ним относят орошение. осушение, внесение в кислые и щелочные почвы соединений, нормализующих реакцию среды, удаление избыточных солей. Увлажнение активизирует микрофлору почвы, что приводит к накоплению питательных веществ для растений и способствует их роста. Избыточное увлажнение почвы вызывает нежелательные явления, снижающие плодородие. Осушение переувлажненных почв благоприятно сказывается на составе микрофлоры. Нормализация реакции среды в почве активизирует деятельность тех или иных микроорганизмов. Органические удобрения- навоз, городские отходы. компосты и др. способствуют интенсификации микробиологических процессов, поскольку они являются источником энергии и элементов питания микроорганизмов. Минеральные удобрения. Внесение в почву удобрений не только улучшает питание растений, но и изменяет условия существования почвенных микроорганизмов, также нуждающихся в минеральных элементах. Приблагоприятных климатических условиях количество микроорганизмов и их активность после внесения в почву удобрений значительно возрастают. Усиливается распад гумуса, увеличивается мобилизация азота, фосфора идр. элементов. Химические средства защиты урожая - пестициды - используются в сельском хозяйстве очень широко. Ежегодно публикуются списки химических и биологических средств борьбы с вредителями, болезнями растений, сорняками и регуляторов роста растений, разрешенных для применения в сельском хозяйстве. Неумеренное применение пестицидов загрязняет окружающую среду и приводит к гибели многих ценных представителей фауны и флоры. Поэтому к применению пестицидов нужно относиться крайне осторожно и отбирать для практического использования в сельском хозяйстве наименее вредные и быстро разлагающиеся соединения. ЛЕКЦИЯ 2 Систематика, морфология, строение и размножение бактерий. 1. Принципы систематики микроорганизмов. 2. Строение, движение, размножение бактерий, спорообразование у бактерий. 1. Принципы систематики микроорганизмов. Чтобы получить информацию, необходимую для наименования и классификации микроорганизмов, изучают все многообразие и все особенности их внешней и внутренней структуры, физиологические и биохимические свойства, а также процессы, вызываемые микроорганизмами в их естественной среде обитания. Понятия вид, штамм или клон, чистая культура. Царство прокариоты - Procaryotae, которое подразделено на 4 отдела, согласно руководства по систематике бактерий Берги: Gracilicutes Firmicutes Tenericutes Mendosicutes В свою очередь они подразделяются на классы, порядки, семейства, роды и виды. 2. Строение, движение, размножение бактерий, спорообразование у бактерий. Бактерии самый многочисленный класс микроорганизмов. Все они относятся к прокариотам. По форме бактерии бывают шаравидные, палочковидные, извитые, нитчатые и др. Структурное строение бактериальной клетки. Принято различать внешние и внутренние структуры. К внешним относятся клеточная стенка, капсула, слизистый чехол, жгутики, фимбрии и пили. К внутренним - цитоплазма, в которой расположены нуклеоид, рибосомы и мембранные структуры, включения. Фимбрии и пили, необязательные компоненты клетки - длинные тонкие прямые нити. обнаруживаются как у подвижных так и неподвижных форм. Различают фимбрии общего типа - органы прикрепления и половые фимбрии или F-пили. Жгутики, необязательный компонент клетки. Различают два типа подвижных бактерий: скользящие ( за счет волнообразных сокращений клетки) и плавающие (передвигаются за счет жгутиков). Различают несколько типов жгутования: монотрихальное, перитрихальное, амфитрихальное, лофотрихальное. Капсула, необязательный компонент. Представляет собой слизистое вещество, чаще полисахаридной природы. Наличие капсулы зависит от штамма микроорганизма и условий его культивирования. Функции : защитная, источник запасных питательных веществ,способствует прикреплению к различным поверхностям и др. Клеточная стенка (оболочка) - важный и обязательный элемент клетки. В зависимости от химического сроения и ультраструктуры клеточной стенки все бактерии делятся на гамположительные и грамотрицательные. Грамположительные содержат 40-90% муреина, остальное полисахариды и тейхоевые и тейхуроновые кислоты. Клеточная стенка выглядит как гомогенный слой плотно прилегающий к цитоплазматической мембране. Грамотрицательные содержат 1-10 % муреина, основную массу составляют липопротеиды, фосфолипиды, липополисахариды и белки входящие в состав наружной мембраны. Клеточная стенка многослойная, между цитоплазматической и наружной мембраной расположено периплазматическое пространство. Деление бактерий на грам+ и грам- имеет важное диагностическое значение. Цитоплазматическая мембрана образует выросты - мезосомы, выполняющие ряд важных функциий: на ней локализованы мембранные системы участвующие в процессе дыхания, хемосинтеза, азотфиксации, пигменты; участвует в избирательном поступлении веществ. Цитоплазма представляет собой коллоидный раствор состоящий из белков, жиров, углеводов, воды и минеральных веществ. Нуклеоид, представляет собой свернутую в кольцо нить ДНК и является основным носителем генетической информации. В клетке имеются также внехромосомные факторы наследственности плазмиды, не являющиеся обязательными компонентами. Их присутствие обеспечивает дополнительные полезные свойства. Включения накапливаются, когда рост и деление клетки замедлены и в среде присутствуют исходные питательные вещества. К ним оносятся волютин, гликоген, гранулеза, жир. Для бактерий характерно бесполое размножение путем бинарного деления. Спорообразование характерно для палочковидных форм. Процесс образования спор подразделяется на шесть -семь последовательных стадий. Споры покрыты многослойной оболочкой и обладают рядом свойств: термоустойчивостью, высоким коэффициеном преломления света, устойчивостью к химическим веществам и др. Спорообразование неблагоприятных условий для бактерий внешней является среды и не способом имеет перенесения отношения к размножению. ЛЕКЦИЯ 4 Питание микроорганизмов и биосинтез. 1. Химический состав клеток микроорганизмов. 2. Способы питания и поступление питательных веществ в клетку бактерий. 3. Типы питания у микроорганизмов. 4. Источники углерода, азота и др. элементов для разных групп микроорганизмов. 1. Химический состав клеток микроорганизмов. Для биосинтеза основных макромолекул клетки, из которых формируется клеточная стенка, мембрана, нуклеоид, цитоплазма и др., микроорганизмы должны получать все эти элементы в составе источников питания. Элементы входящие в состав живых организмов называются биогенными, к их числу относятся C, H,J,N,P,S,K,Ca,Mg - составляют 98,8%. На долю микроэлементов приходится 0,02% - Cu,Mn,Mo,Co,Pb и др. Основную часть микробной клетки составляет вода 80-90 %. Такое большое содержание воды говорит о ее важной роли (вода как растворитель и участник биохимических процессов...) Сухая часть клетки 20-15% составляют органические вещества - белки, углеводы, жиры и жироподобные вещества, а также минеральные вещества. На долю белков приходиться 40-60% от сухой части. Функции: структурные единицы клетки, биологические катализаторы, транспорт веществ, участники реакций, запасающая функция. Углеводы составляют 10-30 % от сухой массы, чаще это моно- и дисахариды или полисахариды. Функции: энергетический материал, структурные элементы, основная транспортная форма веществ, запас веществ. Жиры и жироподобные вещества составляют 5-10 %. Функции: структурные компоненты клетки, энергетическая, запасающая). Минеральные вещества содержаться в виде катионов калия. элементарная сера и др. 2. Способы питания и поступление питательных веществ в клетку бактерий. Известны два способа питания живых существ - голозойный и голофитный. Для микроорганизмов характерен голофитный способ питания. Микроорганизмы способны осуществлять внешнее и внутреннее переваривание. Поступление воды и растворенных в ней питательных веществ из окружающей среды внутрь микробной клетки, а также выход продуктов обмена происходит через клеточную стенку, капсулу и слизистые слои. Различают 4 механизма поступления веществ в клетку: 1. простая диффузия 2. облегченная диффузия 3. активный транспорт 4. перенос групп 3. Типы питания у микроорганизмов. В соответствии с принятой сейчас классификацией микроорганизмы по типу питания разделяют на ряд групп в зависимости от источников энергии и углерода. Выделяют фототрофов, использующих энергию света, и хемотрофов. 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 - источник углерода диоксид углерода, и гетеротрофные, получающие углерод в составе довольно сложных восстановленных органических соединений. По способу получения энергии и углерода микроорганизмы подразделяют на фотоавтотрофы, фотогетеротрофы, хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Внутри группы в зависимости от природы окисляемого субстрата выделяют органотрофов и литотрофов. Каждый тип питания характерен для большего или меньшего числа микроорганизмов. Наиболее распространены среди микроорганизмов следующие типы питания: фотолитоавтотрофия фотоорганогетеротрофия хемолитоавтотрофия хемоорганогетеротрофия 4. Источники углерода, азота и др. элементов для разных групп микроорганизмов. Наибольшее значение в питании микроорганизмов имеет углерод. Углерод составляет около 50% в сухом веществе клетки. Потребности в углероде у различных микроорганизмов неодинаковы. Источником углерола для фотосинтезирующих бактерий является углекислый газ, а источник энергии солнечный свет. Для других организмов источник углерода главным образом органические вещества, а источник энергии - окисление этих соединений. Питательная ценность органических источников углерода зависит от строения их молекул. Лучший источник для большинства - органические соединения, содержащие частично окисленные атомы углерода. Хуже ассимилируются вещества с большим количеством полностью восстановленных атомов углерода. Почти не усваиваются органические соединения, содержащие углерод только в форме карбоксила. Практически не существует органических соединений, которые не усваивались бы микроорганизмами. Микроорганизмы нуждаются в источниках азотного питания. Самый доступный источник азота для многих микроорганизмов - ионы аммония и аммиак. Некоторые микроорганизмы способны усваивать нитраты и нитриты. Существуют виды способные усваивать молекулярный азот воздуха. Наряду с минеральными источниками многие микроорганизмы могут потреблять азот из органических соединений, которые одновременно служат и источником углерода. Сера также как и азот необходимый элемент питания. большинство микроорганизмов используют сульфаты, сульфиды. тиосульфаты и содержащие серу органические соединения. Источником фосфора являются молекулы фосфорной кислоты, лучьший источник соли ортофосфорной кислоты. Кроме основных питательных элементов микробы нуждаются в специфических соединениях, ростовых аминокислотыи др. веществах - витамины, пурины, пиримидины,
