Предмет и место экологии микроорганизмов в системе экологических дисциплин

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт экологии и природопользования

Микроорганизмы в природных средах и их участие в биогеохимических круговоротах веществ

(Учебно-методическое пособиек курсу

"Экология растений, животных, микроорганизмов")

Казань – 2014

Микроорганизмы в природных средах и их участие в биогеохимических круговоротах веществУчебно-методическое пособие. - Казань:КГУ, 2014. – 37 с.

Учебно-методическое пособие предназначено для углубленного изучения дисциплины «Экология растений, животных, микроорганизмов» и сопровождения практических занятий. В пособии представлен теоретический материал о предмете и задачах экологии микроорганизмов, распространении микроорганизмов в природных средах обитания и их роли в биогеохимических круговоротах веществ, а также рекомендации к практическим исследованиям в области экологии микроорганизмов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Экология и природопользование».

Содержание

Предмет и место экологии микроорганизмов в системе экологических дисциплин		4
Основные направления экологического изучения микроорганизмов		5
Техника безопасности при работе в микробиологической лаборатории		9
Общие сведения о работе с микроорганизмами		10
	Питательные среды	10
	Методы стерилизации	12
	Культивирование микроорганизмов	13
	Методы приготовления препаратов микроорганизмов	15
Определение численности микроорганизмов в природных средах		16
	Учет численности микроорганизмов в почве	16
	Учет численности микроорганизмов в воде и других жидкостях	19
	Учет численности микроорганизмов в воздухе	19
	Идентификация микроорганизмов. Морфологические признаки. Культуральные признаки	20
	Определение качественного состава бактерий по культуральным и морфологическим признакам	23
	Определение качественного состава микроскопических грибов	26
Участие микроорганизмов в круговороте веществ в природе		31
	Микроорганизмы, разрушающие клетчатку (окисление целлюлозы)	31
	Свободноживущие азотфиксирующие бактерии	33
Приложение 1. Прописи некоторых сред для культивирования микроорганизмов		35
Приложение 2. Определение влажности почвы		36
Литература		37

Предмет и место экологии микроорганизмов в системе экологических дисциплин

Экология - наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и средой их обитания. В задачу экологии входит изучение разных уровней организации жизни в естественной среде обитания: популяций, отдельных организмов популяции, биоценозов - сообществ популяций разных видов на данной территории, экосистем (сообществ биоценозов), биосферы или экосферы (совокупности экосистем Земли).

Экология изучает закономерности влияния всего многообразия факторов естественной среды обитания на популяции, составляющие их отдельные организмы, сообщества и их эволюцию (изменчивость под влиянием условий среды, появление мутантов, действие естественного отбора) и механизмы приспособления организмов к среде. В задачу экологии входит также изучение внутривидовых и межвидовых взаимоотношений организмов и особенностей пищевых цепей в экосистемах. Важной проблемой экологии является выяснение биоэнергетики экосистем и круговоротов элементов в них.

Одним из молодых и еще мало развитых разделов экологии следует считать экологию микроорганизмов, которая хотя и возникла в начале этого века, но энергично разрабатывается лишь в наше время.

Экология микроорганизмов является наукой, которая специальным образом изучает взаимоотношения между микроорганизмами и их биотическим или абиотическим окружением.

В настоящее время в экологии выделяется две области – макроэкология, включающая экологию растений и животных и экология микроорганизмов. Одной из причин исторического разделения макро- и микроэкологии являются значительные различия в методологическом аппарате этих двух частей одной науки. Макроэкологи используют полевые наблюдения и количественные оценки состава и разнообразия видов в качестве основного методического подхода. Лабораторные исследования лишь помогают им обрабатывать данные и позволяют проводить некоторые химические анализы. Напротив, эколог-микробиолог помимо сбора образцов для анализа мало что может сделать в поле. Основную работу он проводит в лаборатории. Фундаментальным подходом к изучению экологии высших растений и животных являются количественные наблюдения за развитием отдельных популяций в различных условиях среды. За более чем 100 лет наблюдений экологи растений и животных приобрели ценный опыт, который позволяет предсказывать появление и направление развития отдельных популяций растений и животных в зависимости от смены условий существования. Были построены модели развития той или иной популяции и взаимоотношений между популяциями. Знания же о микробных сообществах пока крайне малочисленны как в отношении описания систем, так и в плане предсказания их развития.

В настоящее время исследователи, занимающиеся проблемами экологии микроорганизмов, доказали, что среда обитания последних охватывает широкие зоны биосферы, часто с экстремальными условиями обитания, где не могут развиваться ни растения, ни животные. Микроорганизмы найдены в самых глубоких слоях океана, где рядом с подводными термальными источниками они формируют новые оазисы жизни, не основанной на первичной фототрофной продукции органического вещества, а полностью зависящей от образования органического вещества в результате деятельности хемолитотрофных организмов. В толще скальных пород на глубинах 4-6 км микроорганизмы осуществляют «водородный» и «метановый» циклы. Микроорганизмы обнаружены высоко в горах, вплоть до высоты 8 км, а также внутри метеоритных остатков.

Предпосылки для возникновения экологии микроорганизмов были созданы идеями Л. Пастера о большом значении «бесконечно малых» организмов и исследованиями В.И. Вернадского, показавшего громадные размеры биогеохимических превращений, осуществляемых микроорганизмами в природе. Огромную роль в создании и развитии экологического направления в микробиологии сыграл С.Н. Виноградский. Он не только поставил вопрос о необходимости изучения микроорганизмов в условиях, близких к естественной среде жизни, но и разработал методические подходы к экологическому исследованию микроорганизмов и постоянно призывал к развитию разнообразных методов изучения микроорганизмов в природе.

Обозначим лишь основные направления экологического изучения микроорганизмов.

Основные направления экологического изучения микроорганизмов

Одним из важнейших направлений является наблюдение за жизнедеятельностью микроорганизмов в естественной среде обитания.

Микроорганизмы часто рассматриваются в качестве первых обитателей Земли. Впервые за живыми микроорганизмами в микроскоп наблюдал А. Левенгук. Именно Левенгук обнаружил микроорганизмы в каплях дождевой воды (их естественное местообитание) и выявил действие перца на микробы (влияние окружающей среды). В конце XIX – начале XX веков С.Н. Виноградский и М. Бейеринк разработали принцип элективных культур, что можно определить как дату рождения науки, которую впоследствии стали называть «экология микроорганизмов».

Микроорганизмы продемонстрировали огромное разнообразие форм и мест заселений. За последние десятилетия стало очевидно, что из конкретных выделяются определенные микроорганизмы с определенными функциями. Тот факт, что в пробах, взятых в природе, почти никогда не находят микроорганизмы в виде чистых культур, позволяет сделать вывод о взаимодействии микробных популяций друг с другом и микроокружением, с его быстро меняющимися физико-химическими параметрами. Важным и перспективным в научном и практическом отношении является изучение структуры и функционирования комплексов микроорганизмов в рамках которого развиваются представления о таких классических экологических понятиях как сукцессия и гомеостаз. К сожалению, даже существующие современные методы все еще не дают достаточной возможности экологам-микробиологам реально оценить численность, биомассу микроорганизмов и наблюдать за развитием микроорганизмов в их микроокружении. С приходом методов молекулярной микробиологии стало возможным находить новые формы микроорганизмов, которые невозможно было выделить в чистые культуры или культивировать в лабораторных условиях. Оказалось, что количество микроорганизмов, выделенных в чистую культуру, ничтожно мало и составляет лишь 0,1% от общего количества. Некоторые ученые предполагают, что при существующей скорости описания новых видов все растения и животные будут описаны через 50 лет, а на описание всех микроорганизмов потребуется 10000 лет.

Важной задачей экологии микроорганизмов является изучение эколого-географических закономерностей распределения микроорганизмов в почвах, морях и океанах.

Одну из центральных проблем экологии микроорганизмов составляет изучение биогеохимических процессов, осуществляемых микроорганизмами в биосфере. Сюда включается исследование круговоротов элементов и биоэнергетики экосистем – использование потока солнечной энергии для фотосинтеза, энергии окисления неорганических (хемосинтез) и органических (дыхание и брожение) соединений.

Впервые вопрос о громадных размерах биогеохимической деятельности микроорганизмов был поставлен В.И. Вернадским. Он сформулировал основные понятия биогенной миграции химических элементов в биосфере. По современным представлениям, биогеохимические процессы, протекающие в экосистемах с помощью микроорганизмов, можно разделить на несколько широких категорий.

1. Минерализация - превращение органических соединений в неорганические, ведущая к упрощению биохимического состава экосистем.

2. Превращение неорганических элементов питания в органический протоплазматический комплекс микробной клетки.

3. Окисление, являющееся одним из источников энергии в экосистемах. Хемоавтографы (Nitrosomonas, Nitrobacter, Thiobacillus, Ferrobacillus, Hydrоgenomonas) получают энергию при окислении аммония, нитрита, серы, сероводорода, металлических сульфидов, закиси железа, водорода, гетеротрофы - при окислении органических веществ. Наблюдается также окисление неорганических соединений экосистемы продуктами метаболизма микроорганизмов.

4. Восстановление, которое может быть связано с энергетическим метаболизмом клетки, так как при этом акцептируется электрон от окисляемого субстрата. При снижении еН за счет микробиологического потребления кислорода в экосистеме также создаются восстановительные условия, при которых может осуществляться редукция многих элементов (Fe³⁺ в Fe²⁺, Mn⁴⁺ в Мп⁸⁺ и т.д.). Органические и неорганические кислоты, образуемые гетеротрофными и фотосинтезирующими микроорганизмами, могут вызывать огромные биохимические превращения - растворять фосфаты, силикаты, разрушать глинистые минералы и горные породы, участвуя таким образом в первичном почвообразовании. В почвах под действием кислот изменяется доступность элементов микроорганизмам и растениям.

5. Фиксация или превращение газовой формы элемента в негазовую. К этой категории биогеохимических превращений в экосистемах относятся такие процессы, как фотосинтез, биологическая фиксация азота, окисление сероводорода.

6. Формирование геологических отложений. С биогеохимической деятельностью микроорганизмов связано образование серных, сульфидных, марганцевых, железных руд, известняков, угля, нефти, торфа и других каустобиолитов.

7. Выделение органических хелатообразующих или комплексирующих соединений, которые растворяют относительно нерастворимые неорганические вещества или удерживают различные компоненты в растворимой форме. В частности, таким путем растворяются и предохраняются от осаждения многие металлические ионы (Fe, Ca, Mn, Zn, Mg, Cо, Сu и др.), что создает условия для их вертикальной и горизонтальной миграции.

8. Отложение на поверхности клеток микробов неорганических веществ (например, железа и марганца), широко распространенное в природе и причиняющее человеку значительный ущерб (засорение труб водопроводной сети).

9. Фракционирование изотопов. Микроорганизмы обладают способностью использовать более легкий изотоп из смеси природных изотопов. Это явление служит веским доказательством биогенной природы некоторых химических процессов, протекающих в биосфере, например, микробиологического происхождения серных месторождений, обогащенных легким изотопом серы S³².

Таким образом, все химические элементы и природные соединения биосферы подвергаются микробиологическим превращениям.

Важной экологической проблемой является выяснение закономерностей адаптации микроорганизмов к различным факторам естественной среды обитания. Данное направление изучает приспособительные изменения микроорганизмов под влиянием измененных условий среды, помогающие им выжить в этих условиях. Особый интерес представляет изучение адаптивных реакций микроорганизмов в экосистемах с экстремальными условиями, находящихся вблизи лимитов биологического выживания (соленые и щелочные озера, воды рудников, горячие источники, компосты, подвергающиеся разложению при высокой температуре, ледники и т. д.). В этих стрессовых условиях могут выживать только организмы, приспособленные к ним. В таких экосистемах часто доминирует лишь один тип микроорганизмов, что приводит к формированию в экстремальных условиях моноспецифического сообщества, занимающего определенную экологическую нишу. Таким образом, адаптация является важным экологическим признаком, регулирующим состав ценозов в экосистемах с экстремальными условиями и обеспечивающим эволюционный процесс в этих условиях.

В рамках экологии микроорганизмов активно развиваются в настоящее время исследования, посвященные изучению особенностей экологической стратегии микроорганизмов во взаимоотношениях с микроорганизмами, животными и растениями.

Важнейшими проблемами экологии микроорганизмов является познание закономерностей развития природных микробных ассоциаций с целью широкого их использования для нужд сельского хозяйства, очистки окружающей среды от антропогенного загрязнения, мониторинговых исследований. Развитие экологических биотехнологий с использованием микроорганизмов является одним из перспективных направлений экологии микроорганизмов.

Согласно мнению многих ученых, не вызывает сомнений, что в будущем экология микроорганизмов интегрируется в общую экологию, несмотря на некоторое разделение в настоящий момент макро- и микроэкологии.