Роль мікроорганізмів у перетворенні речовин в природі

За найактивнішої, широкої участі мікроорганізмів в природі, головним чином в грунті і гідросферу, постійно здійснюється два протилежні процеси: синтез з мінеральних речовин складних органічних сполук і, навпаки, розкладання органічних речовин до мінеральних. Єдність цих протилежних процесів лежить в основі біологічної ролі мікроорганізмів в круговороті речовин в природі. Серед різних процесів перетворення речовин в природі, в яких мікроорганізми беруть активну участь, найважливіше значення для здійснення життя рослин, тварин і людини на Землі мають круговорот азоту, вуглецю, фосфору, сірки, заліза.

Найважливіший елемент, що входить до складу білків, а отже, має виняткове значення для життя – це азот. В живих істот, що населяють планету, міститься приблизно 15-20 млрд. Т азоту, в грунтах (в 30-сантиметровому шарі) на кожному гектарі мається на середньому 5-15 т азоту.

В круговороті азоту в природі за участю мікроорганізмів розрізняють наступні етапи: засвоєння атмосферного азоту, Амоніфікація, нітрифікацію, денітрифікацію.

Засвоєння азоту з атмосферного повітря азотфиксирующими бактеріями. Серед мікробів, що засвоюють атмосферний азот, розрізняють дві групи – вільноживучих і бульбочкових.

Свободноживущие азотфіксатори живуть і фіксують азот в грунті незалежно від рослин. Основні види цих мікробів: Azotobacter chroococcum, Cl. pasteurianum. Азотобактер на площі в 1 га протягом року фіксує від 20 до 50 кг газоподібного азоту, підвищуючи родючість грунту. Найбільш інтенсивно цей процес йде при хорошій аерації ґрунту.

Бульбочкові бактерії – активні фіксатори атмосферного азоту в симбіозі з бобовими рослинами. Наявність бактерій в бульбах бобових рослин встановлено М. Вороніним. У чистій культурі ці мікроби виділені Бейеринком в 1888 р

Амоніфікація – це мінералізація азотовмісних органічних речовин, що протікає під впливом аммоніфіцірующіх мікробів, що виділяють протеолітичні ферменти. Завдяки аммонификации представників рослинного і тваринного світу та їх продуктів життєдіяльності (сечовини, випорожнень) грунт збагачується азотом та іншими сполуками. Одночасно з цим аммоніфіцірующіе мікроби виконують величезну санітарну роль, очищаючи ґрунт і гідросферу від розкладається органічного субстрату. Серед представників цієї групи найбільше значення мають наступні мікроорганізми:

· Спороутворюючі аероби – Вас. mesentericus (картопляна паличка), Вас. megatherium (капустяна бацила), Вас. subtilis (сінна паличка), Вас. mycoides (грибовидная бацила).

· Не утворюють спор аеробні амоніфікаторів – це Е. coli, Proteus vulgaris, Ps. fluorescens.

· Анаеробні спороутворюючі амоніфікаторів відносяться Cl. putrificum, Cl. sporogenes.

Амоніфікація викликають також актиноміцети і гриби, що живуть в грунті.

Нітрифікація – наступний за Амоніфікація етап перетворення азоту мікроорганізмами. Цей процес являє собою окислення аміаку, який утворюється при розкладанні органічних азотовмісних сполук.

Денітрифікація, що протікає під впливом мікробів, таке відновлення нітратів з утворенням в якості кінцевого продукту молекулярного азоту, що повертається з грунту в атмосферу. Викликається цей процес денитрифицирующими бактеріями. Найбільш поширені з них в природі: Tiolacillus denitrifi-cans – паличка, що не утворює спор, факультативний анаероб; Ps. fluorescens – рухлива паличка, виділяє зелений пігмент, швидко розкладає нітрати; Ps. aeruginosa – бактерія подібна до попередньої; Ps. stutzeri – невелика паличка, яка утворює ланцюжка, розкладає нітрати в анаеробних умовах.

Роль мікробів у кругообігу вуглецю. Найважливішим органогенного, що входять до складу мікробів, рослин, тварин, є вуглець. У клітинній речовині цей елемент становить близько 50% сухої речовини. Автотрофні мікроби для перетворення вуглекислоти, яка не має енергетичних властивостей, в органічні енергетичні сполуки потребують теплових джерелах, якими для них служить сонячна енергія або хімічна енергія окислення мінеральних речовин. Засвоєння вуглецю з використанням сонячної енергії називається фотосинтезом, а з використанням хімічної енергії – хемосинтезом. Таким чином, автотрофні мікроби, використовуючи сонячну або хімічну енергію, перетворюють вуглекислоту в органічну речовину. Основний процес, який повертає вуглекислоту в атмосферу, – розкладання органічних сполук під впливом мікроорганізмів. Цей процес розкладання органічних сполук називається бродінням. У природі існує багато типів бродіння, викликаються певними видами мікробів. Наведемо лише мають найбільше значення для кругообігу вуглецю.

Бродіння клітковини. У природі величезні запаси вуглецю зосереджені в клітковині (целюлози) рослин. Після їх загибелі йде розкладання клітковини з вивільненням вуглецю у вигляді вуглекислоти, що повертається в атмосферу. Розрізняють анаеробне і аеробне бродіння клітковини.

Анаеробне бродіння клітковини. Збудники бродіння клітковини були виділені в 1889 році і описані як збудники водневого і метанового бродіння (Cl. Omelianskii, Cl. Cellobioparum). анаеробне бродіння клітковини відбувається в два етапи:

· Перший етап – осахаривание клітковини;

· Другий етап – розкладання цукру в залежності від типу бродіння на спирти, молочну, масляну кислоти, вуглекислоту, водень, метан та ін.

Водневе і метанове розкладання клітковини відбувається в преджелудках рогатої худоби при поїданні великої кількості зеленої маси бобових, особливо підвищеної вологості, що обумовлює розвиток гострої тимпании рубця.

Аеробне бродіння клітковини найбільш інтенсивно відбувається під впливом наступних трьох родів мікроорганізмів, широко поширених в природі: Cytophaga – рухомих довгих паличок з загостреними кінцями, Ceivirio – вигнутих довгих паличок, Cetacicula – коротких паличок c загостреними кінцями. В аеробних умовах клітковину розкладають також актиноміцети і цвілеві гриби родів Aspergillus, Penicillium і ін.

Целлюлозоразлагающіе мікроорганізми виконують величезну санітарну роль, розкладаючи клітковину відмерлих рослин, завдяки чому в грунті накопичується гумус, що підвищує її родючість.

Бродіння пектинових речовин. Руйнування відмерлих рослин відбувається за активної участі мікроорганізмів, що викликають бродіння пектинових міжклітинних речовин, що зв’язують рослинні клітини. При нагріванні пектинові речовини набувають студневидного консистенцію (пектіс – холодець). Збудники цього бродіння – Cl. pectinovorum – спороутворюючі рухливі великі палички. Велике практичне значення пектіновокіслое бродіння має при мочці волокнистих рослин (льону, коноплі). Целюлозні волокна цих рослин склеєні з навколишніми тканинами пектином.

Спиртове бродіння викликається дріжджовими грибами, що розкладають цукру з утворенням етилового спирту і вуглекислоти.

Дикі дріжджі широко поширені в природі, вони живуть на квітах, листі і стеблах рослин, особливо у великій кількості на плодах. Культурні дріжджі використовуються в хлібопеченні. Кефір виготовляється також за участю дріжджів. Вся промисловість з виготовлення етилового спирту, різних вин, пива заснована на діяльності дріжджів. У тваринництві застосовуються рідкі і сухі кормові дріжджі, багаті білками, жиром і вітамінами.

Saccharomyces cerevisiae – пекарські, хлібні дріжджі – є овальні клітини величиною 8-10 мкм. Ці дріжджі викликають верхове бродіння. Верхове бродіння відбувається з незначним підвищенням температури до 20 … 280С. Через 5 … 7 діб верхове бродіння закінчується, а дріжджі утворюють пластівці і осідають на дно. Дріжджі низового бродіння (S. vini) розвиваються в аанеробних умовах і при більш низькій температурі (6 … 120С), тому процес протікає більш повільно.

Молочнокисле бродіння. Мікробіологічний характер цього процесу встановив Л. Пастер. В результаті молочнокислого бродіння, головним чином цукру, а також поліспирти і білки розщеплюються до молочної кислоти.

Залежно від того, які продукти утворюються при зброджуванні глюкози – тільки молочна кислота або також і інші органічні продукти і СО2 – молочнокислі бактерії поділяють на гомоферментативное і гетероферментативні.

Гомоферментативное молочнокисле бродіння.

До гомоферментативного молочнокислим бактеріям відносять кокковидной мікроорганізми роду Streptococcus (Str. Lactis, Str. Cremoris, Str. Thermophilus, Str. Diacetilactis) і паличкоподібні бактерії роду Lactobacterium (Lact. Bulgaricum, Lact.lactis, Lact. Аcidophilus), що утворюють в процесі бродіння тільки одну молочну кислоту.

Гетероферментативних молочнокисле бродіння.

Викликається представниками пологів Leuconostoc (сферичні клітини, розташовані поодиноко або попарно, факультативні анаероби, грамположительни, нерухомі), Lactobacterium (невеликі грампозитивні палички) і Bifidobacterium (прямі розгалужені палички, нерухомі, грампозитивні анаероби, постійні мешканці кишечника людини і тварин). Всі молочнокислі бактерії є антагоністами гнильних мікроорганізмів. Це явище обумовлено дією молочної кислоти, активно продукується молочнокислими бактеріями, а також здатність продукувати антибіотичні речовини. На цьому грунтується застосування дієтичних молочнокислих продуктів для профілактики і лікування шлунково-кишкових захворювань, викликаних гнильними мікробами у людини і новонароджених тварин.

Оцтовокисле бродіння – мікробіологічний процес окислення етилового спирту в оцтову кислоту. Природу його вперше встановив Л. Пастер, довівши провідну роль в ньому бактерій. Останні широко поширені в природі, їх виявляють у грунті, повітрі, на рослинах, в житлових приміщеннях і на тваринницьких фермах.

Рід оцтовокислих бактерій – Acetobacter – представлений 11 видами, типовими представниками є А. aceti і A. pasteurianurn. Це нерухомі, короткі, бесспоровие, аеробні палички, розташовані ізольовано, але частіше довгими ланцюжками.

При тривалому зберіганні пива, сухих (НЕ кріплених спиртом) вин на їх поверхні А. aceti утворює зморшкувату плівку. Вона складається з трьох найбільш поширених в природі оцтовокислих бактерій – Acetobacter aceti, A. pasteurianurn і A. kutringianurn. У промисловості мікроорганізми роду Acetobacter використовують для виробництва харчового оцту з вина і спирту. Оцтовокисле бродіння має важливе практичне значення при силосуванні кормів.

Маслянокислое бродіння викликається маслянокислого мікроорганізмами, що розкладають вуглеводи з утворенням масляної кислоти.

Збудники маслянокислого бродіння в більшості анаероби, вони широко поширені в природі, їх виявляють у грунті, воді, повітрі, на рослинах, продуктах харчування та кормах. Одночасно з вуглеводами вони розкладають жири і білки, при цьому спочатку утворюються проміжні продукти – пировиноградная кислота, оцтовий альдегід, потім масляна кислота і побічні продукти – ацетон, бутиловий спирт, вуглекислота, водень. Маслянокислое бродіння викликає близько 25 видів мікроорганізмів.

Основні з них: Cl. pasteurianum, Cl. pectinovorum, Cl. felsineum. Це рухливі великі палички з закругленими кінцями, утворюють спори, набуваючи характерну веретеноподібну форму. В цитоплазмі цих мікробів міститься глікоген і гранулеза, тому вони добре фарбуються розчином йоду в синій і бурий колір. Спори мікробів досить стійкі до тепла і можуть переносити стерилізацію при температурі 120 оС, залишаючись живими, наприклад, в м’ясних і рибних консервах. Розмножуючись в консервах, вони утворюють гази, що викликають здуття банок (бомбаж). Одночасно в цих продуктах накопичуються і отруйні речовини. Тому консерви з бомбажем в їжу непридатні.

Маслянокислое бродіння нерідко є причиною прогоркания насіння соняшнику, сої, прогоркание рослинних масел і жирів тваринного походження. При накопиченні в силосі масляної кислоти в кількості 0,3-0,4% він погано поїдається тваринами. Маслянокислі мікроби беруть участь в самозігріванні вологого зерна, сіна.

Перетворення мікроорганізмами фосфору, заліза і сірки. Фосфор входить до складу білків і ліпоїдів. Особливо багато його в ядрах клітин, головному мозку людини і тварин. Мікроорганізми, які беруть участь у перетворенні фосфору, живуть в грунті, воді. Їх роль зводиться до двох процесів: мінералізації фосфору, що входить до складу органічних речовин, і перетворенню фосфорнокислий солей з слаборозчинних в добре розчинні. Мінералізацію фосфору викликають гнильні бактерії, зокрема Вас. megatherium. Утворюється при цьому фосфорна кислота зв’язується з лугами грунту і перетворюється в слаборозчинні солі кальцію, заліза, магнію і, отже, малодоступні для рослин. Надалі під дією ґрунтових кислотообразующих бактерій, особливо нитрифицирующих, ці солі перетворюються в розчинні сполуки фосфорної кислоти, доступні для рослин.

Залізо входить до складу білка гемоглобіну, що міститься в еритроцитах, і дихальних ферментів (цитохромів). Цим пояснюється його важлива роль в процесі дихання людини і тварин. У природі залізо входить до складу багатьох органічних і мінеральних сполук у вигляді нерозчинного окисного Fe3 + і розчинної закісного Fe2 +. Переклад заліза з однієї форми в іншу здійснюється железобактериями.

Основні представники железобактерий – нитчасті бактерії пологів Crenothrix, Leptothrix. Залізобактерій є аеробами і живуть у водоймах, в процесі їх Діяльності утворюється окис заліза. Після відмирання бактерій утворюється болотна і озерна залізна руда, залягає островами в десятки і сотні квадратних метрів. Железобактериями належить важлива роль в утворенні залізо відкладень в природі.

До складу білка рослинного і тваринного походження входить і сірка, цим пояснюється важливість цього елементу в круговороті речовин. Бактерії, що засвоюють сполуки сірки, називають серобактериями. Живуть вони в грунті, воді, гної. При розкладанні в грунті органічних сірковмісних речовин, а також при відновленні солей сірчаної, сірчистої та сірчано кислот утворюється сірководень, отруйний для рослин і тварин. Цей газ перетворюється в нешкідливі, доступні для рослин сполуки серобактериями. Серобактерии поділяють на нитчасті (Beggiatoa, Thiothix), тіонові (Thiobaccilus), фотосинтезуючі пурпурні і зелені. Нитчасті бактерії представляють собою довгі нитки, що складаються з безлічі клітин, є аеробами, здатні окисляти сірководень до сірчаної кислоти. Тіонові бактерії – це рухливі, не утворюють спор грамнегативні палички, здатні окисляти сірку та її сполуки. Фотосинтезирующие серобактерии мають різні морфологічні форми (коки, палички, спірили), є строгими анаеробами і розвиваються на світлі в середовищі з сірководнем або тіосульфітом натрію.

...
ПОДІЛИТИСЯ: