Энергетический обмен в клетке. Гликолиз и брожение

Процесс хемолитоавтотрофии был открыт Виноградским. Такой образ жизни присущ только прокариотам: для получения энергии используется восстановленное неорг. вещество, а для построения клеточного материала — СО₂. Виноградский открыл этот процесс, работая с микроорганизмы, окисляющими восстановленные соединения серы. Такой микроб, как Beggiatoa — серная бактерия из водных местообитаний, окисляя H₂S, откладывает элементарную серу S⁰ внутри клетки. Когда сероводород кончается, микроорганизмы может окислять отложенную серу до сульфата.

Окисление восстановленных соединений серы связано с получением энергии, микроорганизмы требуют небольших количеств орг. соединений и способны фиксировать СО2, т.е. являются факультативными автотрофами. В настоящее время известно значительное число микроорганизмов, способных окислять восстановленные соединения серы. Их называют тионовыми микроорганизмами. Эти микроорганизмы принимают участие в глобальном цикле серы, окисляя ее восстановленные соединения до сульфатов. Сероводород образуется повсеместно в процессе аммонификации и окисляется тионовыми микроорганизмами по достижении аэробной зоны. Природные выходы элементарной серы на поверхности земли (сольфатары) имеются в районах с вулканической активностью. Тионовые микроорганизмы являются, в основном, аэробами. Короткий период они могут существовать без кислорода, окисляя сероводород в процессе нитратного дыхания, но при наличии подвижности активно покидают анаэробные местообитания.

Нитрификаторы.Нитрификация идет в 2 стадии: NH4→NO2→NO3.

Может осуществляться в аэробных и анаэробных условиях. В анаэробных условиях – АнАммОкс процесс – только в присутствии нитрита: NH4 NO2→N2 H2O

Для фиксации CO2 нитрификаторы используют цикл кальвина.

1)NH3 1/2O2→NH2OH

2)NH2OH H2O→HNO2 4H 4e

Водородные бактерии. Окисляют молекулярный водород и ассимилируют CO2. У аэробов конечный акцептор электронов – кислород. Водород энергоемкий субстрат, дающий до 3 молекул АТФ в ЭТЦ.

Реакция: 2H2 O2→2H2O

Карбоксибактерии –используют в своем метаболизме CO, который подвергается фотоокислению до CO2. CO – донор эл, акцепторы: O2, S, SO4, NO3, Fe3 , CO2/

Реакция: CO 1/2O2→CO2

Следующая группа хемолитоавтотрофов — э т о металлокисляющие микроорганизмы. Наиболее изучены виды, способные окислять Fe2 до Fe3 . Такие микроорганизмы легко обнаруживаются в природных водоемах в виде обрастаний нижней части водных растений. Большинство железоокисляющих микроорганизмов растут при средних температурах в аэробных условиях, экстремальные термофилы встречаются только среди архей. При окислении Fe энергии получается очень мало, поэтому небходимо большое количесво субстрата.

При рН бродильщики -> ацетогены -> метаногены).

В морсиких анаэробных местообитаниях ацетат используют также сульфатредукторы. Метан в смеси с СО2 (биогаз) образуется на дне озер и болот, поднимаясь вверх, попадает в аэрбную зону и используется метанокисляющими микроорганизмы Метан образуется также в рубце жвачных и в кишечнике термита. Считают, что метаногены – это древнейшие организмы в истории Земли, когда атмосфера состояла из СО2, Н2 и СО. По морфологии они варьируют от простых палочек, кокков и сарцин до спиральных форм и нерегулярных коккоидов. В их клеточных стенках содержится псевдомуреин, пептиды и/или полисахариды. Метаногены потребляют довольно узкий набор субстратов. К первой группе субстратов относят Н2/СО2, СО. Ко второй группе относят ацетат и некоторые спирты (ацетокластический метаногенез). Третью группу составляют одноуглеродные субстраты (формиат, метанол, метиламин, ди- и триметиламины). Путь Вуда—Льюнгдела синтеза ацетат (Ацетил-КоА-путь). АТФ генерируется, в основном, с помощью хемиосмотического механизма, сопряженного с восстановлением углекислоты до ацетил-КоА

Принципиально иным способом энергетического метаболизма в мире микробов можно считать использование световой энергии, или фотосинтез. Многие микроорганизмы могут поглощать энергию света и использовать ее для синтеза АТФ и восстановительных эквивалентов. Этот процесс, в котором световая энергия поглощается и преобразовывается в химическую, и называется фотосинтезом. Способность к фотосинтезу наблюдается в разных систематических группах, как среди эукариот, так и среди прокариот. Это высшие растения, а также многоклеточные зеленые, бурые, красные и одноклеточные эвгленовые, диатомовые и динофлагеллятные водоросли (эукариоты). Среди прокариот к фотосинтезу способны цианобактерии и прохлорофиты, зеленые серные и несерные бактерии, пурпурные серные и несерные бактерии, гелиобактерии и галоархеи. Возбужденная светом молекула пигмента может энергию рассеивать, передавать и преобразовывать в химическую связь. Фотосинтетический аппарат состоит из с в е т о с о б и р а ю щ и х л о в у ш е к (а н т е н н), р е а к ц и о н н ы х ц е н т р о в (Р Ц), электронтранспортной цепи (ЭТЦ) и локализован в мембранных структурах. Эти структуры усложняются от гелиобактерий (ЦПМ), через пурпурные бактерии (внутриклеточные выросты ЦПМ различной формы) до зеленых (хлоросомы и ЦПМ) и цианобактерий (фикобилисомы и тилакоиды). РЦ и антенна составляют фотосинтетическую единицу. Процесс фотосинтеза делится на две стадии. В световых реациях энергия света поглощается и преобразуется в химическую энергию. В темновых реакция эта энергия используется для восстановления и ф и к с а ц и я С О 2 и с и н т е з а к л е т о ч н ы х к о м п о н е н т о в . О с н о в н ы м и фотосинтетическими пигментами, участвующими в световых реакциях у эукариот и цианобактерий, являются хлорофиллы. Разновидности хлорофилла, наиболее важные из которых хлорофиллы а и b, различаются своими свойствами и максимумами поглощения. Другие широко распространенные пигменты — каротиноиды (бета-каротин и фукоксантин). Красные водоросли и цианобактерии имеют фикобилипротеины — фикоэритрин и фикоцианин. Их также называют вспомогательными пигементами. Хлорофиллы и вспомогат. пигменты объединены в высокоорганизованные образования, называемые антеннами, цель которых уловить как можно больше фотонов. Световая энергия улавливается антеннами и передается от одного хлорофилла к другому, пока не достигнет спец. хлорофилла реакционного центра, непосредственно включенного в фотосинтетический транспорт электронов. У эукариот и цианобактерий имеется два вида антенн, ассоциированных с двумя разными фотосистемами. ФС I адсорбирует более длинноволновый свет (больше 680 нм) и энергия попадает к хлорофиллу а, обозначенному Р700. ФС II поглощает более коротковолновый свет (менее 680 нм) и передает энергию на спец. хлорофилл Р680. Когда антенны ФС I передают световую энергию к хлорофиллу Р700 реакционного центра, он переходит в возбужденное состояние и передает высокоэнергетичный электрон специфическому акцептору. Далее электрон передается ферредоксину, а потом может пойти по двум путям. При циклическом пути электрон движется через ряд переносчиков обратно к окисленному Р700. При этом на участке цитохрома b6 синтезируется АТФ. Это циклическое фотофосфорилирование (работает только ФС I). При нециклическом пути задействованы две фотосистемы. Р700 возбуждается и передает электрон на ферредоксин, как и в циклическом пути. Здесь ферредоксин восстанавливает НАДФ до НАДФН. Так как электрон потрачен на восстановительный эквивалент и не может восстановить окисленный Р700, необходимо участие ФС II. Именно она дает электроны на восстановления Р700. Антенны ФС II поглощают свет и передают энергию на Р680, который переходит в возбужденное состояние и восстанавливает феофетин а. Электроны последовательно передаются через хиноны и ряд переносчиков к Р700. Хлорофилл- пигмент Р680 получает необходимые электроны из окисления воды с выделением О2 (оксигенный фотосинтез). Таким образом, при движении двух электронов от воды до НАДФ синтезируется 1 молекула АТФ путем нециклического фосфорилирования. Световая стадия фотосинтеза у зеленых и пурпурных бакерий происходит иначе. У них существует аноксигенный фотосинтез, когда донором электронов является не вода, а другие вещества (H2S, S0, H2, органика). Тогда уравнение фотосинтеза выглядит так: СО2 Н2А —> (СН2О) А. Пурпурные бактерии не образуют НАДФН непосредственно в световых реакциях фотосинтеза, а зеленые бактерии могут восстанавливать НАДФ во время световой стадии. Также они имеют другие фотосинтетические пигменты, называемые бактериохлорофиллами, с максимумами поглощения при более длинных волнах (до 1040 нм). Все эти различия являются следствием отсутствия у них ФС II: они не могут использовать воду как донор электроном в нециклическом электронном транспорте, образовывать кислород из воды при фотосинтезе и обладают только циклическим фотофосфорилированием. Пурпурные бактерии — способны к автотрофии и откладывают элементарную серу внутри клеток. В качестве доноров электронов для фотосинтеза используют Н2S и S0. Фотосинтет. пигменты — бактериохлорофиллы a и b, каротиноиды четырех видов. Зеленые бактерии четко подразделяются на две группы. Хлоробии – грамотрицательные микроорганизмы, осуществляющие аноксигенный фотосинтез и откладывающие снаружи элементарную серу. В качестве запасного вещества хлоробии могут накапливать в клетках гликоген. ФС I лежит в ЦПМ и содержит Бхл a, c, d или e и каротиноиды циклического типа. Светособирающие пигменты находятся в хлоросомах (хлоробиум-везикулах), округлых тельцах, покрытых белковой оболочкой. Они прикреплены к внутренней стороне ЦПМ базальной пластинкой. Зеленые нитчатые (несерные) бактерии филогенетически далеко отстоят от зеленых серных бактерий. Фотосинтетический аппарат локализован в хлоросомах и ЦПМ и содержит Бхл a, c, d или e (см. табл.) и каротиноиды. Бактериохлорофиллы синтезируют на свету и в темноте, но в отсутствии кислорода. Вспомогательные пигменты представлены β-, γ-каротином или миксобактином. Представители этой группы требуют для фотосинтеза высокой интенсивности света.

Пурпурные бактерии.

Сем. Chromatiaceae

· автотрофы, откладывают серу внутрь клеток

· Донор электронов: H2S, S

· Пи

Все пурпурные одноклеточные. Мб жгутики, подвижны, фототаксис.

· Размножение бинарное, почкование. Есть цисты и эзкоспоры.

· Грамотрицательные, капсулы, s-слой.

· Запасные вещества: поли-бета-гидроксиалконоаты, гликоген.

· Синтез Бхл подавляется кислородом, но может идти в темноте. Переносчики: цитохромы, Fe-S белки, тиоредоксины, убихиноны, менахиноны.

· Предпочтительно растут на свету.

· Несерные – ауксотрофы, серные – прототрофы. Многие способны к азотофиксации.

· CO2 фиксируется в цикле Кальвина. Есть брожения.

· Мб анаэробное дыханиею

· Сахара – гликолиз, КДФГ. Полный/незамкнутый ЦТК с глиоксилатным шунтом. Есть цитрамалатный цикл.

Зеленые бактерии.

2 филума:

1) Зеленые серные — Chlorobi

2) Зеленые несерные – Chloroflexi

Зеленые серные – Chlorobi

· Строгие анаэробы

· Фотоавтотрофы, H2S, S

· Бхл a,c,d,e, каротиноиды циклического типа. Находятся в хлоросомах, прикрепленных на внутренней стороне ЦПМ

· Грамотрицательные

· Неподвижные/скользящие

· Накапливают гликоген, элементарную серу — снаружи

· Переносчики: цитохромы с, b, менахиноны

· Мезофилы. Нейтрофилы, галотолерантные

· Ауксотрофы – необходим В12

· Нуждаются в аммонии, восстановленной сере.

· Незамкнутый ЦТК без глиоксилатного шунта

· Могут использовать органику

· CO2 – цикл Арнона или восстановительный ЦТК

3CO2 12H 5 АТФ→триозофосфат

· Скольжение, таксисы

· Газовые вакуоли, запасают поли-бета-гидроксиалконоаты, полиглюканы. В кл ст много жирных кислот

· Пигменты Бхл a,c,d,e, бета и гама каротины. В хлоросомах и ЦПМ. Синтезируются на свету и в темноте, в отсутствии кислорода.

· Переносчики цитохромы b, c, FeS белки, менахиноны

· Доноры – H2S, H2

· Гетеротрофы, мб автотрофы

· Полный ЦТК и глиоксилатный шунт

· Мезофилы, термофилы

· Есть ауксотрофы

· Азот потребляют в виде аммония и органики, некот. Способны к ассимиляционной сульфатредукции. мб азотофиксация

· Мб дикарбоновый цикл

· CO2 – цикл кальвина

Гелиобактерии.

· Кл ст муреиновая, похожа на грамположительную, но окрашивается грамотрицательно.

· Способны образовывать эндоспоры

· Скольжение, жгутики

· Пигменты – Бхл g, Хл a, каротиноиды – производные нейроспорина. Фотосин аппарат – как ФСI.

· Переносчики – цитохромы c, bc1, менахиноны

· Растут на свету, в анаэробных усл,

· Фотогетеротрофы

· Доноры электронов – восстановленная сера, H2

· Мб сульфатредукция

· Способны к серному дыханию, активные азотофиксаторы, карбоксилирование

· CO2 – цикл Кальвина НЕ обнаружен

Цианобактерии.

· Оксигенный фотосинтез

· Кл ст – грамотрицательные, четырехслойные,s-слой

· Чехлы

· Пигменты – фикоэритрин, фикоцианин, аллофикоцианин, каротиноиды. Фикобилисомы на тилакоидах. В РЦ – Хл а(П680 и П700). ЭТЦ построена по Z схеме.

· Переносчики: поастохинон, пластоцианин, НАД , НАДФ , флавопротеиды, цитохромы.

· Гетероцисты(нет ФСII, сахара через плазмодесмы, не функционирует цикл Кальвина, есть ПФП, азотофиксация)

· Размножение – гормогонии, байоциты (множественное деление), бинарное, почкование

· Акинеты – переживание небл усл

· Запасное вещество – цианофицин в акинетах, в вегетативных – полифосфаты.

· НЕТ жгутиков вообще, скольжене, вращение, скручивание. Фототаксис, хемотаксис.

· Обычно прототрофы

· Способны к ассим сульфатредукции

· CO2 – цикл Кальвина

· ЦТК неполный, с/без глиоксилатным шунтом

· Гомо/гетероферментативное молочнокислое брожение

· Также АНоксигенный фотосинтез с H2S, только ФСI.

· Мезофилы, есть психрофилы и психроактивные

Прохлорофиты – теперь вместе с циано

· Оксигенный фотосинтез

· Другие пигменты

Галобактерии – галоархеи.

· Аэробные хемогетеротрофы с дыхательным метаболизмом

· Гидролитики

· Углеводы(сахара) – по пути Энтнера-Дудорова

· Мб азотофиксация

· CO2 – цикл Кальвина

· Мб анаэробное дыхание с нитратом, фумаратом и окисленными соединениями в качестве доноров

· Неподвижны/ лофотрихальные жгутики

· Все одноклеточные

· Размножение – бинарнок, мб галоцисты

· Запасное вещество ­­– поли-бета-гидроксимасляная кислота

· Зависят от высоких концентраций NaCl. Синтезируют внутриклеточные осморегуляторы. Много кислых аминокислот.

· Много каротиноидов(защита от инсоляции)

· Пигм – бактериородопсин, образуется из каротиноидов при немного кислорода. Фотоактивен – под действием света выкачивает протоны из клетки. (это позволяет расвориться кислороду,что хорошо, тк не могут нахоиться в анаэробных условиях, синтезируют АТФ)

·

ДНК основная и минорная(1/3), есть плазмиды

Галобактерии (галоархеи).

Галобактерии (галоархеи) – это одноклеточные микроорганизмы разной морфологии, часто плейоморфные, некоторые имеют газовые вакуоли. Характерной чертой этих микроорганизмов служит их абсолютная зависимость от высоких концентраций NaCl (до 20-30%). Способность к фотосинтезу реализуется у галобактерий в неблагоприятных условиях при недостатке кислорода. В концентрированных растворах соли кислород очень плохо растворим, что приводит к созданию почти анаэробных условий. В этом случае галоархеи на свету при низком содержании кислорода образуют модифицированные клеточные мембраны, содержащие несколько видов пигментов – бактериородопсин, галородопсин, слоуродопсин, фобородопсин и археродопсин. Бактериородопсин отвечает за транслокацию протонов, галородопсин закачивает К в обмен на Na , а слоу-, фобо- и археродопсины служат фоторецепторами на красный и синий свет, управляют активностью жгутиков для осуществления фототаксиса. Бактериородопсин (или ретиналь) синтезируется в присутствии небольшого количества О2 из С40-каротиноидов. Окисленный С20-фрагмент присоединяется через лизин к белковой молекуле и мигрирует в ЦПМ, образуя там агрегаты. Это соединение имеет темно-пурпурный цвет, поэтому агрегаты получили название «пурпурных мембран». При поглощении света бактериородопсин изменяет конформацию, что сопровождается выбросом протонов из клетки и наведением трансмембранного потенциала. Энергия ΔμН с помощью фермента АТФазы преобразуется в макроэргические связи. Таким образом, галобактерии используют световую энергию, чтобы в неблагоприятных условиях синтзировать до статочное количе ство АТФ и пережить неблагоприятные условия.гменты: Бхл фбиб каротиноиди 4 типов.

Сем. Ectothiorhodospiraceae

· Автотрофы, откладывают серу вне клеток

· Есть несерные фотогетеротрофы

· Донор: H2S, S

Соединения азота, используемые в конструктивных целях:

· молекулярный азот

· аммоний

· нитрит

· нитрат

· гидроксиламин

· метиламины

· аминокислоты

· мочевина

· пурины

· пирамидины

· белки

Возможности использования соединений азота у микроорганизмы значительно шире, чем у животных и растений. В отношении использования нитрата микроорганизмы похожи на растения.

Процесс ассимиляционной натратредукции проходит в два этапа:

NO3- —> NO2 —> NH4 .

На первом этапе нитратредуктаза переносит два электрона, на втором — последовательно переносится шесть электронов под действием ферментного комплекса нитритредуктазы.

Ассимиляционная нитратредуктаза — растворимый фермент, и реакция происходит в цитоплазме. Фермент содержит ион Мo⁵ и ФАД.

Ассимиляция аммония:

Часто источником аммония для микроорганизмов служит мочевина. Реакцию разложения мочевины проводит фермент уреаза:

NH2—CO—NH2 H2O —> CO2 2NH3 (NH4 ).

У микроорганизмы обнаружено несколько систем ассимиляции NH4 :

· у факультативных анаэробов семейства энтеробактерий, клостридий — аммоний присоединяется по двойной связи к непредельным жирным кислотам с образованием аминокислот: аминирование фумарата с образованием аспарагиновой кислоты под действие фермента аспартазы:

COOH-CH=CH-COOH NH₃→ COOH-CH₂-CHNH₂-COOH

· восстановительное аминирование кетокислот, фермент – глутаматдегодрогеназа:

альфа-кетоглутаровая NH3 НАДН → глутаминовая НАД

· аммоний может реагировать с карбоксильной группой с образованием амидов: синтез глутамина, фермент глутаминсинтетаза:

глутамат NH4 АТФ → глутамин АДФ Ф

· взаимодействие аммония с CO2:

NH4 CO2 АТФ → карбамоилфосфат АДФ

Это вещество далее образует цитрулин, орнитин, нуклеотиды у перперных бактерий и стрептококков.

· Система переаминирования, трансаминаза:

Глутамат пируват → альфа-кетоглутарат аланин

В реакции переаминирования глутаминовая кислота служит донором аминогруппы. При недостатке аммония.

Азотфиксация — укникальный процесс, присущий только прокариотическим микроорганизмам. Под азотфиксацией понимается способность к энзиматическому восстановлению атмосферного N2 до аммония (с образованием водорода), который затем включается в клеточное вещество.

Азот допустим для большинства организмов только в связанной форме, поэтому необходима азотофиксация.

Азотофиксирующие бактерии:

· Rhizobium

· Clostridium

· Azotobacter

· Nostos

Азотфиксаторов подразделяют на свободноживущих и симбиотических.

Свободноживущие азотфиксаторы относятся к хемотрофам (это анаробные клостридии и сульфатредукторы, факультативно анаэробные бациллы, аэробные метанотрофы) и фототрофам (пурпурные и зеленые бактерии, цианобактерии). Свободноживущие азотфиксаторы подраpделяют на истинно свободноживущие и ассоциативные, т.е. предпочтительно встречающиеся в ризосфере некоторых высших растений (злаков). К ассоциативным диазотрофам относятся представители семейства Enterobacteriaceace и Azotobacteriaceae.

Симбиотические диазотрофы включают прежде всего так называемые клубеньковые бактерии семейства Rhizobiaceae, обр. разрастания на корнях бобовых растений. Несмотря на разнообразие микроорганизмов, осуществляющих азотфиксацию, ферментный нитрогеназный комплекс имеет принципиальное сходство в строении и свойствах и у анаэробов, и у аэробов. Один из его отличительных признаков – чрезвычайная чувствительность к наличию кислорода. Поэтому аэробные микроорганизмы сталкиваются с проблемой защиты нитрогеназы от кислорода.

Фиксация азота жестко регулируется наличием его связанных форм. Нитрогеназная активность ингибируется, если в среде есть NH4 . Газ азот – это химически инертное и очень стабильное вещество. Реакция 3Н2 N2 → 2NH3 – эндотермическая, поэтому чтобы разорвать тройную связь в молекуле азота необходимо, по крайней мере, 8 электронов и 16 молекул АТФ. В действительности АТФ затрачивается больше, т.к. часть ее необходима для поддержания анаэробных условий. Нитрогеназный ферментный комплекс состоит из двух белковых компонентов разной молекулярной массы. Для проявления нитрогеназной активности необходимы оба компонента, но они взаимозаменяемы у разных микроорганизмов. Нитрогеназа получает электроны и протоны непосредственно от низкопотенциального переносчика ферредоксина, который восстанавливается в реакциях фотосинтеза у фототрофов, при дыхании у аэробных диазотрофов или при брожении у анаэробов. Реакция проходит в несколько стадий: N≡N —> HN=NH —> H2N-NH2 —> 2NH3.

Азотфиксация.

К фиксации атмосферного азота способны клубеньковыек бактерии рода Rhizobium, свободноживущие Clostridium pasteurianum и Azotobacter, цианобактерии Nostoc. Вообще, к этому способны 80 родов бактерий из 27 семейств и по крайней мере 3 термофильных рода архей.

Азотофиксирующие организмы способны к росту на средах без связанного азота.

При изучении азотофиксации используют нерадиоактивый 15й и радиоактивный 13й изотопы азота. Другим способом изучения азотофиксации является ацетиленовый, основанный на способности азотофиксирующих бактерий превращать ацетилен в этен.

Азотофиксаторы делятся на свободноживущих и симбиотических.

Свободноживущие:

хемеавтотрофы (клостридии, сульфатредукторы, факультативные анаэробные бациллы, сем. Enterobacteriaceae, аэробные метанотрофы, сем. Azotobacteriacea) и фототрофы (ряд пурпурных и зелёных бактерий, многие цианобактерии)

Подразделяются на истинно свободноживущих и ассоциативных (живут в ризосфере высших растений, например, злаков). К ассациативным диазотрофам относятся семейства Enterobacteriaceae и Azotobacteriacea.

Симбиотические:

это в первую очередь клубеньковые бактерии сем. Rhizobiaceae, Образующие наросты на корнях растений сем. Бобовые и представители рода Frankia, живущие на корнях в клубеньках и листьях покрытосеменных кустарниках, например, ольхи и облепихи.

В симбиозе изменяется и МО, и растение. Они фиксируют азот на стадии эндосимбионтов-бактероидов.

Синезеленые водоросли Nostoc, Anabaena — азотофиксирующие симбионы лишайников.

Диазотрофы способны фиксировать азот и не в симбиозе, но делают это менее эффективно. Растение-хозяин вырабатывает для поиска МО аттрактанты-лектины, а МО — стимуляторы роста растений.

Соединения азота, используемые в конструктиынх целях, — это молекулярный азот, аммоний, нитрит, нитрат, гидроксиламин, метиламины, аминокислоты, мочевина, пурины, пирамидины, белки. Возможности использования соединений азота у микроорганизмы значительно шире, чем у животных и растений. В отношении использования нитрата микроорганизмы похожи на растения. Процесс ассимиляционной натратредукции проходит в два этапа: NO3- —> NO2 —> NH4 . На первом этапе нитратредуктаза переносит два электрона, на втором — последовательно переносится шесть электронов под действием ферментного комплекса нитритредуктазы. Ассимиляционная нитратредуктаза — растворимый фермент, и реакция происходит в цитоплазме. Фермент содержит ион Мo5 и ФАД. Часто источником аммония для микроорганизмов служит мочевина. Реакцию разложения мочевины проводит фермент уреаза: NH2—CO—NH2 H2O —> CO2 2NH3 (NH4 ). У микроорганизмы обнаружено несколько систем ассимиляции NH4 :

• у факультативных анаэробов семейства энтеробактерий — аминирование фумарата с образованием аспарагиновой кислоты под действие фермента аспартазы;

• восстановительное аминирование кетокислот;

• аминирование пирувата с образованием аланина, глиоксилата с образваонием глицина и оксалоацетата с бразование аспарагиновой кислоты под действием соотв. дегидрогеназ; у некоторых бацилл есть только аланиндегидрогеназа, у других микроорганизмы систем утилизации аммония может быть несколько; • образование амидов под дейтсвием фермента глутаминсинтетазы; • образование карбамоилфосфата. Д л я ф о рми р о в а ни я д р у ги х ами н о ки с л о т ми к р о о р г . им ею т си с т ем у переаминирования. В реакции у ча с тв уе т фермен т тран самина за с пиридоксинфосфатом в качестве кофермента. В реакции переаминирования глутаминовая кислота служит донором аминогруппы. Азотфиксация — укникальный процесс, присущий только прокариотическим микроорганизмам. Под азотфиксацией понимается способность к энзиматическому восстановлению атмосферного N2до аммония (с образованием водорода), который затем включается в клеточное вещество. Азотфиксаторов подразделяют на свободноживущих и симбиотических. Свободноживущие азотфиксаторы относятся к хемотрофам (это анаробные клостридии и сульфатредукторы, факультативно анаэробные бациллы, аэробные метанотрофы) и фототрофам (пурпурные и зеленые бактерии, цианобактерии). Свободноживущие азотфиксаторы подра зделяют на и с тинно свободноживущие и а с социа тивные, т.е. предпочтительно встречающиеся в ризосфере некоторых высших растений (злаков). К ассоциативным диазотрофам относятся представители семейства Enterobacteriaceace и Azotobacteriaceae. Симбиотические диазотрофы включают прежде всего так называемые клубеньковые бактерии семейства Rhizobiaceae, обр. разрастания на корнях бобовых растений. Несмотря на разнообразие микроорганизмов, осуществляющих азотфиксацию, ферментный нитрогеназный комплекс имеет принципиальное сходство в строении и свойствах и у анаэробов, и у аэробов. Один из его отличительных признаков – чрезвычайная чувствительность к наличию кислорода. Поэтому аэробные микроорганизмы сталкиваются с проблемой защиты нитрогеназы от кислорода. Фиксация азота жестко регулируется наличием его связанных форм. Нитрогеназная активность ингибируется, если в среде есть NH4 . Газ азот – это химически инертное и очень стабильное вещество. Реакция 3Н2 N2 → 2NH3 – эндотермическая, поэтому чтобы разорвать тройную связь в молекуле азота необходимо, по крайней мере, 8 электронов и 16 молекул АТФ. В действительности АТФ затрачивается больше, т.к. часть ее необходима дляподдержания анаэробных условий. Нитрогеназный ферментный комплекс состоит из двух белковых компонентов разной молекулярной массы. Для проявления нитрогеназной активности необходимы оба компонента, но они взаимозаменяемы у разных микроорганизмов. Нитрогеназа получает электроны и протоны непосредственно от низкопотенциального переносчика ферредоксина, который восстанавливается в реакциях фотосинтеза у фототрофов, при дыхании у аэробных диазотрофов или при брожении у анаэробов. Реакция проходит в несколько стадий: N≡N —> HN=NH —> H2N-NH2 —> 2NH3.

Белки синтезируются из двадцати аминокислот, предшественниками которых являются различные интермедиаты катаболизма. Все аминокислоты делятся на группы в соответствии со своим биосинтетическим происхождением.

Синтез аминокислот группы

· глутаминовой к-ты (глутаминовая к- та, глутамин, аргинин, пролин) берет начало от альфа-кетоглутарата, интермедиата цикла Кребса.

· Оксалоацетат дает начало цепи реакций, приводящих к образованию аспарагиновой кислоты, аспарагина, метионина, треонина, изолейцина и лизина (группа аспарагиновой кислоты).

· Синтезы группы ароматических аминокслот (триптофана, фенилаланина и тирозина) начинаются с конденсации ФЕП из гликолитического пути и эритрозо-4-фосфата.

· 3-ФГК и пируват дают начало реакциям, приводящим к синтезу аминокислот группы серина (серин, глицин, цистеин) и группы пировиноградной кислоты (аланин, валин, лейцин) соответственно.

· Биосинтез гистидина тесно связан с путями образования пуринов. Два атома углерода пятичленного имидазольного кольца и три углерода боковой цепи происходят из фосфорибозилпирофосфата. Фрагмент C—N этого кольца образуется из пуринового ядра АТФ, а другой атом азота — из глутамина.

· Для биосинтеза белков требуется присутствие не только ферментов и мономеров, но и матрицы (молекулы иРНК), задающей последовательность присоединения аминокислот к растущей цепи, а также специфического переносчика для активирования мономера и отбора его в соответствии с заданным кодом (тРНК).

Липиды. Группа соединений, разнообразных по химическому составу, но нерастворимых в воде. Их можно условно разделить на вещества:

· содержащие жирные кислоты, связанные эфирной связью (нейтральные жиры, фосфолипиды, гликолипиды, липополисахариды, полиалканоаты и т.д.),

· и вещества, содержащие изопреновые фрагменты (полиизопрены, каротиноиды, стеролы, хлорофиллы, хиноны и т.д.).

Наращивание углеродной цепи образуемой жирной кислоты происходит на ацилпереносящем белке (АПБ).Синтез жирных кислот с четным и нечетным числом атомов отличается только первой реакцией, где происходит конденсация пропионил-АПБ с амонил-АПБ.

В синтезе фосфолипидов принимает участие интермедиат гликолиза диоксиацетонфосфат, который восстанавливается до 3- фосфоглицерола и присоединяет два остатка жирных кислот, связанных с АПБ.

Первые стадии образования изопреноидных липидов связаны с последовательной конденсацией трех молекул ацетил-КоА в разных положениях и перегруппировкой полученного соединения. В результате синтезируется разветвленная мевалоновая кислота, которая претерпевает два последовательных фосфорилирования и декарбоксилирование с образованием активированного С5-соединения, являющегося предшественником сложных изопреноидных веществ.

Сложные липиды могут строиться из разнообразных предшественников – жирных кислот, многоатомных спиртов, изопренов, а также моносахаров, аминокислот и аминов.

Высшие жирные кислоты синтезируются из активированной уксусной кислоты, предшественником других липидных макромолекул может быть изопреновый фрагмент.

Нуклеиновые кислоты . Синтезируются и з пурин — и пиримидиннуклеозидтрифосфатов(AТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ, УТФ), которые имеют в целом сходное строение. В них пуриновое или пиримидиновое основание соединено с пентозой через атом азота (нукоеозид), а фосфатные группы находятся в 5’-положении (нуклеотид). Дезоксирибонуклеотиды обр. из рибонуклеотидов путем восстановления. Синтез рибонуклеотидов начинается с образования 5-фосфорибозил-1-пирофосфата. Рибозо-5-фосфат является промежуточным продуктом пентозофосфатного пути. Пуриновые рибонуклеотиды далее синтезируются путем последовательного присоединения амино- и углеродсодержащих групп к ФРПФ с образованием девятичленного пуринового кольца. В случае пиримидиновых рибонуклеотидов снчала происходит конденсация аспарагиновой кислоты и карбамоилфосфата с образованием шестичленного пиримидинового кольца, а затем присоединение рибозофосфатного остатка. Образование нуклеиновых кислот осущ. путем матричного синтеза в процессах репликации и транскрипции.

Порфирины. Важной группой изопреноидных соединений являются порфирины – сложные азотсодержащие вещества, служащие простетическими группами ряда ферментов и хлорофиллов. Конденсация сукцинил-КоА и глицина и ряд по след ующи х модификаций приводя т к обра зованию пятичленного азотсодержащего кольца с тремя заместителями (порфобилиногена), четыре молекулы которого далее объединяются в тетрапиррольное ядро протопорфирина IX. Последующие реакции могут приводить к синтезу гема (при введении в молекулу атома железа) или образованию хлорофилла (при введении в молекулу магния). Различные формы хлорофиллов синтезируются в дальнейшем с помощью реакций периферического метаболизма определенных групп фототрофных микрооорганизмов.

Пептидоглюкан=муреин.

Состоит ил линейных молекул гликана, соединенных между собой поперечно пептидами с аминокислотными остатками. Гликан муреина образован n-ацетил-n-глюкозамином и n-ацетилмурамовой кислотой через бета-1-4-связи.

Синтез: (n-ацетил-n-глюкозамином уридиндифосфат ) ФЕП = n-ацетилмурамовая кислота

Потом с помощьэ ферментов и затратой АТФ формируются мостики при наличии ионов Mg.

Далее в ЦПМ происходит реакция трансгликозилирования при участии фосфолипида-переносчика.

Вторичные метаболиты.

Вторичные метаболиты очень разнообразны. Каждый вид второчного метаболита производит небольшой круг видов.

Вторичные метаболиты — вещества микробного (или растительного) происхождения, не существенные для роста и репродукции организма. Вообще, строгого определения нет.

ВМ синтезируются в конце экспоненциальной или в течение стационарной фазы роста, а их формирование зависит не только от штамма микроорганизма, но и от условий роста. ВМ относятся к различным классам химических соединений:аминоциклитолы, кумарины, эпоксиды, полиены, пирролыв, терпеноиды, тетрациклины, нерибосомальные пептиды и др. Важной группой ВМ являются антибиотики: например, эрготоксин спорыньи, поликетиды (которые не только антибиотики, но и иммунодепрессанты широкого спектра), изопреноиды (каротиноиды, стероиды, гиббереллины, фитоалексины, являющиеся фитогормонами, антираковые антибиотики). к ВМ также относятся полигидроксиалканоаты, являющиеся запасающими веществами.

Все вторичные метаболиты синтезируются из первичных метаболитов. Способы получения ВМ:

1) Преобразование первичного метаболита в специфические предшественники для ВМ

2) реакция модификации или актвации, уводящие предшественник на путь вторичного меиаболизма

3) полимеризация и конденсация

4) поздние реакции модификации

Первичные метаболиты синтезируются в трофофазе, когда происходит рост и размножение колонии, а синтез ВМ — в идиофазе (замежление роста, остановка роста и начала синтеза продуктов)

Образование антибиотиков микроорганизмами.

Вторичные метаболиты. Это вещества микробного (или растительного) происхождения, не существенные для роста и репродукции образующего их организма. Каждый вторичный метаболит производится относительно ограниченным числом видов. Эти соединения синтезируются в конце экспоненциальной или в течение стационарной фаз роста, и их формирование взначительной степени зависит от условий роста, особенно состава питательной среды. Многие вторичные метаболиты имеют химическую структуру, необычную для биологической материи, однако их образование берет начало от интермедиатов первичного метаболизма. В отличие от синтеза первичного метаболита, который происходит одновременно с ростом и размножением культуры, для продуцента вторичных метаболитов принято говорить о трофофазе (когда культура растет и размножается) и идиофазе (когда рост замедляется или останавливается и начинается синтез продукта). Механизмы переключения путей метаболизма с первичного на вторичный не ясны.

К вторичным метаболитам причисляют антибиотики, токсины, иммунодепрессанты и стимуляторы, а также некоторые запасные вещества (поли-β-алканоаты). Эти соединения относятся к разнообразным классам органических веществ (аминоциклитолы, кумарины, эпоксиды, нерибосомальные пептиды, полиены, пирролы, терпеноиды, тетрациклины, поликетиды, изопреноиды, стероиды, гиббереллины, фитоалексины и т.д.). О физиологической роли вторичных метаболитов в жизни собственного продуцента достоверно известно очень мало. Неизвестно, насколько распространен вторичный метаболизм в природе. Само понятие “вторичный метаболит” достаточно расплывчатое и многие исследователи его не признают.

Антибиотики — вторичные метаболиты. Нахрен бактериям это сдалось: Антагонизм – подавление роста конкурентов. Среди бактерий наиболее часто явление антагонизма встречается у Bacillus. Из культуры неспороносной бактерии антибактериальное вещество пиоцианаза было выделено Р. Эммерихом и О. Лоу в конце прошлого века. Позже были обнаружены антибиотические вещества в культурах Bacterium prodigiosum, молочнокислых стрептококков, микрококков, азотобактера и др. Примеры: Bacillus brevis (грамицидин и тироцидин), Bacillus brevis var. G.-B. (грамицидин С), Bacillus subtilis и Вас. mesentericus (субтилин, бацитрацин), Bacillus polymyxa (полимиксин), Pseudomonas pyocyanea (пиоцианин), Streptococcus lactis (низин). Самой богатой антагонистами группой почвенных микроорганизмов оказалась группа лучистых грибков, актиномицетов, а среди них — представители рода Actinomyces. Подавляющее большинство применяющихся антибиотиков, получено именно из этой группы.

Для самого существования жизни важны как регуляция активности отдельных путей метаболизма, так и координация деятельности этих путей. Дезорганизация без адекватного контроля метаболизма приводит к гибели клетки. Задачи регуляторных механизмов: все пути метаболизма должны регулироваться и координироваться так эффективно, чтобы клеточные компоненты присутствовали в данный момент в точно необходимых количествах; микробные клетки должны эффективно «отвечать» на изменения окружающей среды использованием имеющихся на данный момент питательных веществ и включением новых катаболических путей, когда другие в-ва становятся доступными. Регуляция важна для поддержания баланса между энергодающими и синтетическими реакциями в клетке.

Поток углерода через тот или иной путь может регулироваться следующими основными способами:

1) Локализацией метаболитов и ферментов в разных частях клетки – достигается за счет компартментализации. Например: окисление жирных кислот в МТХ, а их синтез в цитоплазме. Это одновременное, но раздельное регулирование метаболизма. Далее регуляция идет на уровне транспорта между разными компартментами. Неоднородность клетки позволяет создавать градиенты метаболитов между компартментами.

2)Контроль активности ферментов: стимуляцией или ингибированием активности определенных ферментов, позволяющей быстро менять путь метаболизма;

Контроль активности ферментов осуществляется несколькими способами:

1. Аллостерическая регуляция предполагает наличие у молекулы фермента двух сайтов — каталитического и регуляторного. Под действием эффектора — небольшой молекулы, обратимо нековалентно связывающейся с регуляторным сайтом фермента, происходит конформационное изменение его каталитического сайта.

2. Ковалентная модификация ферментов — обратимый процесс, заключающийся в ковалентном связывании или удалении определенной группы, что изменяет активность фермента.

Каждый путь имеет хотя бы один фермент, определяющий скорость всего процесса, так как катализирует самую медленную, лимитирующую скорость реакцию. Фермент лимитирующей стадии обычно подвергается ингибированию продуктом пути. Разветвленные пути регулируются в точках разветвления изоферментами –разные ферменты, катализирующие аналогичные реакции. В таком случае конечный продукт лишь замедляет путь, так как некоторые изоферменты остаются активными.

3)Управление синтезом ферментов — контроль количества молекул фермента у микроорганизмов на уровне транскрипции.

Ферменты, синтезирующиеся независимо о т условий выращивания микроорганизма, называются конститутивными (пример: ферменты утилизации глюкозы), а синтезирующиеся при наличии опр. доступного субстрата — индуцибельными (ферменты утилизации лактозы).

1.РНК-полимераза нуждается в наличии сигма-фактора для связывания промотора и инициации транскрипции. Сложный процесс, требующий радикальных изменений в транскрипции или синтезе продуктов разных генов в опр. последовательности, может регулироваться серией сигма-факторов. Каждый сигма-фактор дает возможность кор-ферменту узнавать специфическую пос-ть и транскрибировать именно эти гены. Замена сигма-факторы немедленно изменяет экспрессию генов.

2.Другой механизм управления синтезом нужного фермента — это индукция и репрессия. Например, фермент бета-галактозидаза — индуцибельный фермент, уровень которого повышается в присутствии небольшой молекулы, называемой индуктором. Аминокислоты, присутствующие в окружающей среде, могут снижать образование ферментов, ответственных за их биосинтез. Тогда эти ферменты относят к репрессибельным, а метаболиты, вызывающие снижение синтеза такого ферменты, называют корепрессорами.

· Примером оперона под позитивным контролем может служить lac-оперон. Такие опероны функционируют только в присутствии контролирующего фактора. Lac-оперон регулируется САР-белком или цАМФ. Когда бактерии растут на глюкозе, уровень цАМФ падает, что приводит к дезактивации САР-белка, и lac-оперон не экспрессируется. Это катаболитная репрессия.

Уменьшение кол-ва цАМФ может быть следствием влияния ФЕП-фосфотрансферазной системы на активность аденилатциклазы. Активный катаболизм глюкозы приводит к возрастнию энергетического заряда клетки, так как среди аденозинфосфатов преобладает АТФ, поэтому можно сказать, что чем больше энергетический заряд клетки, тем меньше образуется цАМФ.

Короче: много глюкозы – мало ц АМФ. Мало цАМФ – нет CAP-белка(не активен). CAP не активен – не синтезируется lac-оперон, нет лактозы, потому что все еще жрет глюкозу.

Энергетический заряд клетки:

([АТФ] 1/2[АДФ])/[АТФ] [АДФ] [АМФ].

· Аттенуация – контроль продолжения транскрипции специфическими аминоацил-тРНК.(снижает синтез)

· Регуляция с помощью антисмысловых РНК – блокируют гены на ДНК, комплиментарно связываясь. Кодируются антисмысловыми генами.

Клеточный цикл — это жизнь клетки от одного деления до другого. Про клетки, которые делиться больше не будут, обычно говорят, что они вышли из клеточного цикла. Продолжительность клеточного цикла у бактерий может составлять всего 20-30 мин, а у клеток эукариот цикл обычно длится не менее 10-12 ч, часто сутки и более. Исключение составляют быстро делящиеся клетки самых ранних зародышей, весь цикл у них может проходить за 15-20 мин.

Установлено, что для прохождения клеткой цикла необходимо последовательное включение определенных генов. Синтез белков, обеспечивающих каждую стадию цикла, осуществляется чаще всего заранее — в Gi-пeриоде синтезируются белки, участвующие в синтезе ДНК.

Регуляция клеточного цикла у эукариот

● · В цитоплазме митотической клетки есть фактор (или факторы), стимулирующие митоз (ФСМ, или MPF — mitosis promoting factor). Этот фактор вызывает не только конденсацию хромосом, но и приводит к распаду ядерной оболочки

● · Циклины получили свое название в связи с тем, что их внутриклеточная концентрация периодически изменяется по мере прохождения клеток через клеточный цикл, достигая максимума на его определенных стадиях.

● · Наличие контрольных точек в клеточном цикле необходимо для определения завершения его каждой фазы. Остановка клеточного цикла происходит при повреждении ДНК в G1-периоде, при неполной репликации ДНК в S-фазе, при повреждении ДНК в G2-периоде и при нарушении связи веретена деления с хромосомами.Одним из контрольных пунктов в клеточном цикле является собственно митоз, который не переходит в анафазу при неправильной сборке веретена и при отсутствии полных связей микротрубочек с кинетохорами. В этом случае не происходит активации АРС-комплекса, не происходит деградации когезинов, соединяющих сестринские хроматиды, и деградации митотических циклинов, что необходимо для перехода в анафазу.

Клеточный цикл размножения бактерий осуществляется путем бинарного деления. При этом все компоненты клетки распределяются между сестринскими клетками поровну. Исключение составляет хромосома, которая находится одна в каждой клетке. . Так как чаще всего прокариотические клетки имеют клеточную стенку, бинарное деление сопровождается образованием септы — перегородки между дочерними клетками, которая затем расслаивается посередине. Центральную роль в делении клеток грамотрицательных бактерий играет септальное кольцо — кольцевая органелла, расположенная примерно посередине клетки и способная сокращаться, образуя перетяжку между двумя новыми дочерними клетками. Зрелое септальное кольцо представляет собой сложный белковый комплекс

Регуляциябактериального клеточного цикла очень сложна и включает несколько взаимодействующих регуляторных механизмов.На протяженииклеточного цикла бактериальная хромосома никогда не изменяет своей длины и толщины путем спирализации, а в расхождении дочерних хромосом не участвует система микротрубочек. Вообще микротрубочки, играющие столь многообразную роль в организации и функционировании эукариотической клетки, у прокариот до сих пор не были обнаружены.

Тк каждая клетка обладает хотя бы одной копией ген материала, репликация днк и клет. деление должны быть тесно скоординированы. У Е. коли при 37 градусах деление происходит через 20 минут после завершения репликации.за это время ген. материал должен быть распределен между дочерними клетками.для разделения копий — белки ParA, ParB, MukB и нек. другие. ParA, ParB локализованы на полюсах перд делением, возможно, сходны с митотическим аппаратом. Движение днк может быть результатом роста мембраныы и синтеза клеточной стенки. После разделения копий — попер. стенка/септа. Для запуска репликации клетка должна достигнуть порогового размера или начальной массы.репликация деление = 40 минут.

Инициация репликации днк требует , чтобы к сайту начала репликации присоединились несколько мол-л белка DnaA. Его активная форма связана с АТФ, поэтому регуляция инициации может осуществлятьсявзаимопереходом DnaA-АТФ и DnaA-АДФ. Следующий цикл репликацииначинается не сразу,тк родительская нить ДНК метилируется сразу после репликации и становится неактивной.

Итак, для образования перегородки и клет.деления необходимы завершение репликации и достижение пороговой длины клетки. Повреждение днк ингибирует образование септы.Для инициации образования перегородки важен белок FtsZ. Между делениями он равномерно распределен в цит-ме, в начале деления формирует Z-кольцо в месте образования септы. Также нужны белки, которые осуществляют трансгликозилирование и транспептидацию в синтезепептидогликаноа при создании новой клет. стенки.

Наследственную изменчивость у прокариотических микроорганизмы вызывают рекомбинации генетического материала трех основных типов: конъюгация, трансформация и трансдукция.

Конъюгация предполагает непосредственный контакт клетки-донора и клетки- реципиента. Клетка-донор должна обладать так называемой половой плазмидой — F-фактором, который может быть автономен или интегрирован в хромосому. F- фактор обусловливает способность донорной клетки вступать в контакт с реципиентом, формировать половые F-пили, а также передавать генетический материал. При интеграции F-факторы в хромосому такая передача осущ. с высокой частотой. Перенос генет. материала строго ориентирован: разрыв копии хромосомы и передача ДНК происходит в локусе 0 в пределах полового фактора. Скорость переноса в одинаковых условиях для опр. штамма является постоянной. Обычно всей хромосоме не удается перейти в клетку-реципиент, так как контакт клеток очень нестабилен и часто прерывается до завершения перехода. Поскольку первым реципиенту передается всегда один и тот же участок хромосомы, частота передачи стоящих следом за ним генов позволяет расположить их по отношению к этому локусу и составить генет. карту хромосомы.

Трансформацией называется процесс изменения свойств одних бактерий под влиянием экзогенной растворенной ДНК, выделенной из других бактерий. Для трансформации не нужна клетка-донор, а проникновение фрагментов ДНК зависит от физиологического состояния клетки-реципиента (компетентности). Только двухцепочечные фрагменты ДНК значительной молекулярной массы могут быть трансформирующими агентами. В геном может включиться ДНК с определенной степенью гомологии с ДНК реципиента. Специальный белок – фактор компетентности, который вызывает синтез автолизина для клеточной стенки, Днк-связывающего белка и энодонуклеазы1. На ЦПМ – специфические рецепторы. Эндонуклеаза делает одноцепочечные разрывы для встраивания приобретенной днк.

Гены могут переносится из одной бактериальной клетки в другую и в процессе трансдукции. При этом функцию векторов=переносчиков информации выполняют фаги, случайно захватывающие фрагмент бактериальной хромосомы в процессе формирования зрелых фаговых частиц. При заражении клетки-реципиента таким фагом может произойти включение фрагмента ДНК другой клетки путем обмена по гомологичным участкам. Для приобретения признака хозяином необходимо длительное время.

Основные понятия и методы экологии микроорганизмов.

Культивировать можно меньше 0,1% биоразнообразия. Особенно, если они симбионты.

Методы изучения некультивируемых микроорганизмов:

1. Прямое микроскопическое окрашивание, молекулярная диагностика (амплификация генома, кодирующего 16 рРНК для изучения).

2. Метод прямого прижизненного окрашивания проб воды, почвы (акридиновый оранжевый).

3. Прямой метод оценки метаболитической активности клеток (клеточное дыхание) — отделения живых от мертвых. Соли тетразолия при дыхательной активности превращаются в формазан красного цвета.

4. Флуорохромы позволяют измерить мембранный потенциал (жив-мертв).

5. Молекулярные методы: гибридизация со специфическим участком ДНК, метод обратной транскрипции иРНК. Применяется для некультивируемых форм бактерий (растут в природе, но не растут на среде).

Первичная экологическая ниша — совокупность градиентов питательных веществ и лимитирующих факторов (Т, рН, свет, активность воды).

Функции микроорганизмов в природе:

1. Минерализация (разрушения органических веществ до СО₂, аммиака, Н₂, СН₄, Н₂О).

2. Поставка питательных веществ для других хемогетеротрофных организмов.

3. Пища для других организмов.

4. Перевод соединений в другую форму (кислоты).

5. Выделение токсинов и антибиотиков.

Симбиоз – если отношения между организмами обусловлены не только пищевыми связями.

Симбиозы различаются по

● · входящим в них компонентам(микро-микро, микро-макро, макро-макро)

● · по расположению компонентов относительно др др(экзо/эндо)

● · по характеру взаимоотношений(взаимовыгодный – мутуализм, подавляющий – паразитизм, безразличный – нейтрализм)

Нормальная микрофлора человека – мутуализм, но если иммунитет снижается, то некоторые м-орг могут стать патогенными.(паразитизм).

Облигатный симбмоз – один партнер не может существоватьь без другого(эндо). Например: паразитирование риккетсий и хламидий внутри животных клеток.

Факультативный симбиоз – клубеньковые бактерии, которые могут нормально существовать и без бобовых.

Мутуалистический симбиоз – это защита от внешних воздействий, получение питательных компонентов, преимущества в узнавании половых партнеров и в размножении. В таком случае взаимоотношения основаны на взаимном улучшении обстановки друг для друга. Например:

● · чайный гриб: дрожжи сбраживают сахар в спирт и углекислоту, уксуснокислые бактерии окисляют спирт в ацетат

● · в кефире: дрожжи сбраживают сахара, синтезируют витамины для молочнокислых бактерий, которые сбраживают лактозу в лактат.

· Ассоциациии фототрофных бактерий и сульфидогенов основаны на циклическом использовании соединений серы.

Комменсализм – один партнер получает выгоду, а второму ассоциация безразлична. Например:

· аэробные и анаэробные м-орг, где аэробы, потребляя кислород, обеспечивают условия для развития анаэробов, а сами при этом выгоды не получают.

· Гнилостные бактерии образуют аммиак.ю который используют нитрифицирующие бактерии

Это метабиотические связи.

Ассоциация с клубеньковыми бактериями – экзосимбиоз(клубеньки, цианобактерии Azolla, рубец, микробиота кишечника).

Эндосимбиоз – микориза.

Особенности мутуалистических и паразитических микроорганизмов.

Мутуализм.

Кальмар:светящиеся бактерии в светящемся органе. Захватываются – прикрепляются к стенке, теряют жгутики. Активно размножаются в течение 40 минут и при этом максимально светятся, свечение сохраняется на всю ночь. Утром кальмар вытсняет бактерии, чтобы не кормать их весь день, а к ночи опять захватывает новых. Светящийся орган – система камуфляжа, чтобы не было видно тень на фоне лунной ночи.

У асцидий во рту – Prochloron,фиксирующий CO2? Получает внешнюю защиту.

Рубецу жвачных. Объем – 80-100л. Очень много бактерий, что позволяет им питатться небелковой пищей. В слюне нет целлюлаз, поэтому нужны бактерии. Целлюлозоразрушающие бактерии образуют жирные кислоты для животного(формиат, ацетат, пропионат, бутират) М-орг утилизируют также CO2 и Н2. Метаногены превращают ацетат и формиат в метан.

Рубец населен археями, бактериями, простейшими и грибами.

Основное расщепление целлюлозосодержащего корма происходит в рубце, здесь создаются анаэробные условия, что позволяет непрерывно культивироваться анаэробам.

В рубце поддерживается постоянный рН благодаря бикарбонату слюны. Разные прокариоты по разному относятся к изменению рН. Целлюлозолитические и метаногенные археи очень чувствительны к понижению, крахмалрасщепляющие – нет.

Есть высокоспециализированные, и использующие разный субстрат

В рубце постоянно: Ruminococcus, Fibrobacter, Butirivibrio – с целлюлазами, Ruminobacter Selenomonas, Prevotella? Streptococcus – расщепляют крахмал, Lachnospira – переваривание пектина, Clostridium – полисахариды, пептиды, Eubacterium, Esherichia, Micromonospora – сбраживают сахара, спирты, амк, жирные кислоты. Сульфатредуцирующие – Desulfovibrio, Метанногенные археи – Methanobrevibacter, Methanospirillum.

Грибы –гидролиз лигнина и ксилана, целлюлозы.

Также микробиота обеспечивает животного витаминами, амк, факторами роста, стимулируют иммунную систему.

Под действием сложного сообщества рубца растительная пища переваривается за 0,5-2 суток. При рождении детеныша микробиота передается через слюну.

Кишечник человека:Bacteroides, Streptococcus, Bifidobacterium, Peptococcus, Peptostreptococcus, E.coli(первая населяет)

Паразитический симбиоз– один за счет другого и наносит вред хозяину.

Есть болезнетворные – патогенные. Паразиты могут отличаться по степени вирулентности=патогенности. Аверулентные – не приносят большого вреда, высоковирулентные – всегда вызывают болезни, обычно специфичны(определенный м-орг – конкретное заболевание). Факторы патогенности – вещества м-орг, каждый из который отвечает за определенную стадию заболевания. Патогены проникают с помощью факторов инвазии в ткани хозяина.Защитные факторы обманывают иммунитет хозяина. Фактора агрессии – нападают на иммунную систему.

Облигатные паразиты – вирусы, бактериофаги, хламидии, риккетсии.

Факультативные – vibrio cholera.

Случайные паразиты – сибиреязвенные бацилла, легионеллы.

Сообщества микроорганизмов.

Микробное сообщество – множество функционально различных МО, связанных между собой, как правило, одним местообитанием, осуществляющие трофические процессы. Функциональная единица.

Экологические стратегии:

1. Автохтонные — постоянно присутствуют в сообществе независимо от количества питательных веществ. Растут медленно, но всегда (К-стратеги). Олиготрофы.

2. Аллохтонные (зимогенные) — растут, когда много питательных веществ. Высокая скорость роста (r-стратеги). Копиотрофы.

3. L-стратегия – высокая устойчивость к изменениям, способность переживать неблагоприятные условия.

В почве функционирование идет так: гидролитики → копиотрофы → олиготрофы.

В сообществе всегда есть градиент организмов по активностям, но есть и функциональные дублеры.

Отношения кооперации редко встречаются между м-орг. Факултативная кооперация может возникать в случае накопления какого-то продукта. В анаэробных условиях кооперация облигатна. В таком сообществе возникают тесные трофические связи, субстрат может быть расщеплен до простых веществ именно группой м-орг, а не отдельными ее членами, которые в виде чистых культур этот субстрат вообще не могут использовать из-за энергетических барьеров.

Например – микробиота рубца. Это анаэробное собщество.

1.Полимеры расщипляются внеклеточными ферментами бродильщиков 1 стадии( часто клостридии)

2. На 2 стадии бродильщики – облигатные восстановители H — проводят эндэргонические реакции, используя жирные кислоты с более чем 2мя атомами углерода и спирты с больше чем 1 атом углерода, с образованием ацетата и H₂.

При метаногенном расщеплении эту операцию осуществляют метаногены(в 3 стадии).

При сульфатзависимом расщеплении полимеров – 2 стадии: бродильщики сульфидогены.

При выбросе большого количества органики в анаэробную метаногенную среду происходит закисление(до рН 6) и метаногены выключаются. Происходит разбалансировка системы, что приводит к ацидозу у жвачного животного.

Поэтому необходим межвидовой перенос водорода от микроорганизма к микроорганизму. Здесь возникает синтрофия – полная взаимозависимость м-орг друг от друга в пищевых потребностях.

Выделенный при брожении H₂ могут удалять метаногены, ацетогены, сульфат и серуредукторы.

Например: 2 организма: S и M.o.H.

1.S осуществляет реакцию: 2CH3CH2OH 2H2O = 2CH3COO^‑ 2H

2.MoH потребляет молекулярный водород: 4H2 CO2 = CH4 2 H2O

Первая реакция идет только при эффективном удалении водорода.

Первую реакцию способен осуществлять: Pelobacter

Вотрую: гидрогенотрофные метаногены Methanospirillum, Methanococcus, Methanobacterium, Methanobrevibacter.

Другой пример: Acetobacterium woodii превращает фруктозу в ацетат, а Methanosarcina осуществляет ацетокластический метаногенез.

Синтрофия.

Способность двух или более видов бактерий осуществлять такой процесс, который ни один из них не может осуществлять по отдельности. Синтрофия является частным случаем симбиотических взаимоотношений между бактериями.

Синтрофия – полная взаимозависимость м-орг друг от друга в пищевых потребностях.

Например – микробиота рубца. Это анаэробное собщество.

1.Полимеры расщипляются внеклеточными ферментами бродильщиков 1 стадии( часто клостридии)

2. На 2 стадии бродильщики – облигатные восстановители H — проводят эндэргонические реакции, используя жирные кислоты с более чем 2мя атомами углерода и спирты с больше чем 1 атом углерода, с образованием ацетата и H₂.

При метаногенном расщеплении эту операцию осуществляют метаногены(в 3 стадии).

При сульфатзависимом расщеплении полимеров – 2 стадии: бродильщики сульфидогены.

При выбросе большого количества органики в анаэробную метаногенную среду происходит закисление(до рН 6) и метаногены выключаются. Происходит разбалансировка системы, что приводит к ацидозу у жвачного животного.

Поэтому необходим межвидовой перенос водорода от микроорганизма к микроорганизму.

Выделенный при брожении H₂ могут удалять метаногены, ацетогены, сульфат и серуредукторы.

Например: 2 организма: S и M.o.H.

1.S осуществляет реакцию: 2CH3CH2OH 2H2O = 2CH3COO^‑ 2H

2.MoH потребляет молекулярный водород: 4H2 CO2 = CH4 2 H2O

Первая реакция идет только при эффективном удалении водорода.

Первую реакцию способен осуществлять: Pelobacter

Вторую: гидрогенотрофные метаногены Methanospirillum, Methanococcus, Methanobacterium, Methanobrevibacter.

Другой пример: Acetobacterium woodii превращает фруктозу в ацетат, а Methanosarcina осуществляет ацетокластический метаногенез.

Трофические связи — субстрат может быть расщеплен до простых веществ группой микроорганизмы, а не отдельными ее членами, которые в виде чистых культур этот субстрат вообще не могут использовать из-за энергетических барьеров. Пример тесных связей — анаэробное сообщество, разлагающее полимерные молекулы, в частности, микробиота рубца. Полимеры расщепляются внеклеточными ферментами брожильщиков I стадии. На II стадии бродильщики — облигатные восстановители Н — обычно проводят эндэргонические реакции, используя жирные кислоты с более чем двумя атомами углерода и спирты с больше чем одним атомом углерода, с образованием ацетата и Н2. Такие реакции требуют обязательно отвода Н2. При метаногенном расщеплении эту операцию осуществляют метаногены. Расщепление идет в три стадии. При вбросе большого количества орг. в-ва в анаэробную метаногенную систему снижается рН и метаногены «выключаются». Происходит разбалансировка системы, что приводит к ацидо з у у жвачны х живо тны х. Таким обра зом, для нормал ьно го функционирования анаэробного пищевой цепи неохоим межвидовой перенос водорода от микроорганизма к микроорганизма. Выделенный при брожении Н2 могут удалять метаногены, ацетогены, сульфатредукторы. При таких условияхвозникает синтрофия — полная взаимосвзять микроорганизмов друг от друга в пищевых потребностях.

Микроорганизмы – существенная часть любой экосистемы, выполняющая функции синтеза нового органического вещества в процессе первичной продукции и деструкции органических веществ. Функции микроорганизмов в природных сообществах: 1) Минерализация – полное разрушение органических веществ до самых простых неорганических веществ – СО2, Н2О, Н2S, CH4, NH4 и др.; 2) Питание для других организмов сообщества – «мортмасса». 3) Пища для крупных микроорганизмов, простейших. Роль жертвы. 4) Модификация сложных соединений или газообразную форму. 5) Подавление/стимулирование активности или ограничение роста и жизнедеятельности других организмов сообщества. В природных сообществах: • Микроорганизмы никогда не находятся в оптимальных условиях. • Пищевые ресурсы в систему поступают медленно. • Бактерии используют 1 % от своих возможностей жизнедеятельности. Между собой микроорганизмы строят различные взаимоотношения: 1. Конкуренция. Микроорганизмы вырабатывают антибиотики и другие агрессивные вещества, подавляя жизнедеятельность конкурирующей биоты. 2. Кооперация. Кооперативные взаимоотношения возникают при накоплении субстрата. Для анаэробов кооперативные взаимоотношения более обязательны, чем для аэробов, поскольку анаэробные бактерии часто испытывают энергетические барьеры при потреблении питательных субстратов. 3. Симбиозы. Обусловлены не только пищевой зависимостью, но и изменениями условий внешней среды (микориза, ризосфера, эндо- и экзосимбиозы с простейшими и пр.) 4. Паразитизм. Возбудители инфекционных болезней человека и животных, риккетсии и хламидии (облигатные паразиты); фитопатогенные бактерии Agrobacterium; хищники грамотрицательных бактерий Bdellovibrio и зеленых водорослей Campylobacter.

В почве выявляют азотфиксирующий род Azotobacter, нитрифицирующие рода Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira, сероокисляющие бактерии родов Achromatium, Beggiatoa, Thioploca, Thiospirillopsis, Thiothrix; железобактерии; сапрофитные кокки родов Micrococcus (Micr. albus, Micr. candicans, Micr. cereus flavus), Sarcina (S. ureae) и грибы группы актиномицетов родов Actinoplanes, Streptomyces, Kineosporia и др. Актиномицеты участвуют в деструкции органических, в частности растительных остатков, подключаясь к процессу на поздних стадиях минерализации. Они способны разлагать и более сложные соединения, в том числе гумусовые вещества. Обильно населяют почвы микроскопические грибы. Обладая мощным ферментативным аппаратом, грибы активно разлагают растительные остатки. Способность грибов к образованию органических кислот отводит им главенствующую роль в процессах первичного почвообразования. Биомасса грибов в лесных почвах зачастую превышает бактериальную биомассу. Среди почвенных водорослей чаще всего встречаются представители четырех отделов: зеленые, сине-зеленые, желто-зеленые и диатомовые. Отношения между микроорганизмами и растениями базируются как на обмене метаболитами, так и на обеспечении физического контакта. Микроорганизмы в этом союзе: • участвуют в процессах почвообразования, создают среду обитания для растений; • разлагают сложные биологические полимеры; • микроорганизмы возвращают в окружающую среду соединения, необходимые для роста и развития растений; • проводят процесс связывания молекулярного азота, который обогащает почву азотными соединениями; • специфические микробные метаболиты влияют на скорость роста растений (грибы обеспечивают растения соединениями фосфора);• способны освоить большее пространство почвы для питания растением (мицелиальные микроорганизмы – актиномицеты); • выделение антимикробных субстанций сдерживает колонизацию и и н ф и ц и р о в а н и е р а з л и ч н ы х ч а с т е й р а с т е н и я ф и т о п а т о г е н н ы м и микроорганизмами. Развивающаяся корневая система, проникая в глубь почвы, вступает во взаимодействие с почвенными микроорганизмами, животными и корнями других растений. Вокруг корня формируется так называемая ризосфера – окружающее корень пространство почвы, характеризующееся более высокой плотностью микроорганизмов. Размер ризосферы исчисляется примерно от 0 до 8 мм в диаметре, количество микробных клеток в ней велико. Пространство поверхности корня часто определяют как отдельное местообитание микроорганизмов, называемое ризопланой. Микориза (грибокорень) — симбиотическая ассоциация мицелия гриба с корнями высших растений. Эктотрофная микориза возникает, когда гифы гриба оплетают плотной сетью, образуя или чехол, или микоризные трубки. Гифы гриба проникают сквозь ризодерму корня и распространяются по межклетникам, не проникая в клетки. Для такого типа микоризы характерно отсутствие корневых волосков и редукция корневого чехлика вплоть до одного-двух слоёв клеток. Гифы гриба разделяют корень на зоны. Основное отличие эндотрофной микоризы в том, что гифы гриба проникают в клетки коры корня (через поры, не проходя сквозь плазмалемму). На поверхности корня микориза выражена слабо, то есть вся основная часть гриба находится внутри корня. В клетках корня могут образовываться скопления гиф гриба в виде клубков. Гифы могут разветвляться внутри клетки — эти образования называются арбускулами. Эндоэктомикориза очетает в себе признаки и эндо- и эктомикоризы. Возможен переход между эктомикоризой и эндомикоризой. Со стороны высших растений участвуют все голосеменные, около 70% однодольных и 80—90% двудольных. Со стороны грибов — аскомицеты, базидиомицеты и зигомицеты. Гриб получает от дерева углеводы, аминокислоты и фитогормоны, а сам делает доступным для поглощения и всасывания растением воду и минеральные вещества, прежде всего соединения фосфора. Кроме того, гриб обеспечивает дерево большей поверхностью всасывания, что особенно важно, когда оно растёт на бедной почве.

Микориза.

В почве выявляют азотфиксирующий род Azotobacter, нитрифицирующие рода Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira, сероокисляющие бактерии родов Achromatium, Beggiatoa, Thioploca, Thiospirillopsis, Thiothrix; железобактерии; сапрофитные кокки родов Micrococcus (Micr. albus, Micr. candicans, Micr. cereus flavus), Sarcina (S. ureae) и грибы группы актиномицетов родов Actinoplanes, Streptomyces, Kineosporia и др. Актиномицеты участвуют в деструкции органических, в частности растительных остатков, подключаясь к процессу на поздних стадиях минерализации. Они способны разлагать и более сложные соединения, в том числе гумусовые вещества. Обильно населяют почвы микроскопические грибы. Обладая мощным ферментативным аппаратом, грибы активно разлагают растительные остатки. Способность грибов к образованию органических кислот отводит им главенствующую роль в процессах первичного почвообразования. Биомасса грибов в лесных почвах зачастую превышает бактериальную биомассу. Среди почвенных водорослей чаще всего встречаются представители четырех отделов: зеленые, сине-зеленые, желто-зеленые и диатомовые. Отношения между микроорганизмами и растениями базируются как на обмене метаболитами, так и на обеспечении физического контакта. Микроорганизмы в этом союзе: • участвуют в процессах почвообразования, создают среду обитания для растений; • разлагают сложные биологические полимеры; • микроорганизмы возвращают в окружающую среду соединения, необходимые для роста и развития растений; • проводят процесс связывания молекулярного азота, который обогащает почву азотными соединениями; • специфические микробные метаболиты влияют на скорость роста растений (грибы обеспечивают растения соединениями фосфора);• способны освоить большее пространство почвы для питания растением (мицелиальные микроорганизмы – актиномицеты); • выделение антимикробных субстанций сдерживает колонизацию и и н ф и ц и р о в а н и е р а з л и ч н ы х ч а с т е й р а с т е н и я ф и т о п а т о г е н н ы м и микроорганизмами. Развивающаяся корневая система, проникая в глубь почвы, вступает во взаимодействие с почвенными микроорганизмами, животными и корнями других растений. Вокруг корня формируется так называемая ризосфера – окружающее корень пространство почвы, характеризующееся более высокой плотностью микроорганизмов. Размер ризосферы исчисляется примерно от 0 до 8 мм в диаметре, количество микробных клеток в ней велико. Пространство поверхности корня часто определяют как отдельное местообитание микроорганизмов, называемое ризопланой. Микориза (грибокорень) — симбиотическая ассоциация мицелия гриба с корнями высших растений. Эктотрофная микориза возникает, когда гифы гриба оплетают плотной сетью, образуя или чехол, или микоризные трубки. Гифы гриба проникают сквозь ризодерму корня и распространяются по межклетникам, не проникая в клетки. Для такого типа микоризы характерно отсутствие корневых волосков и редукция корневого чехлика вплоть до одного-двух слоёв клеток. Гифы гриба разделяют корень на зоны. Основное отличие эндотрофной микоризы в том, что гифы гриба проникают в клетки коры корня (через поры, не проходя сквозь плазмалемму). На поверхности корня микориза выражена слабо, то есть вся основная часть гриба находится внутри корня. В клетках корня могут образовываться скопления гиф гриба в виде клубков. Гифы могут разветвляться внутри клетки — эти образования называются арбускулами. Эндоэктомикориза очетает в себе признаки и эндо- и эктомикоризы. Возможен переход между эктомикоризой и эндомикоризой. Со стороны высших растений участвуют все голосеменные, около 70% однодольных и 80—90% двудольных. Со стороны грибов — аскомицеты, базидиомицеты и зигомицеты. Гриб получает от дерева углеводы, аминокислоты и фитогормоны, а сам делает доступным для поглощения и всасывания растением воду и минеральные вещества, прежде всего соединения фосфора. Кроме того, гриб обеспечивает дерево большей поверхностью всасывания, что особенно важно, когда оно растёт на бедной почве.

Почвенные микробы оказывают положительное влияние на атмоферу, разрушая такие воздушные «загрязнители», как метан, водород, СО, бензол, трихлорэтилен, формальдегид. Почвенные микроорганизмы оказывают большое влияние на глобальное содержание разных газов. Относительно стабильные газы — СО2, NO, N2O и метан. Эти газы называют парниковыми газами, так как они отражают тепловые лучи, не позволяя теплу уходить от поверхности Земли, и вызывают глобальное потепление. Метан может потребляться метанотрофами, обитающими в почве и воде. Критическим фактором, влияющим на потребление метана почвой, является концентрация иона аммония. При увеличении содержания аммония в почве из-за сельскохозяйственной деятельности или вследствие загрязнения потребление метана снижается. Таким образом почвенные и водные метанотрофы могут рассматриваться как своеобразный бактериальный газовый фильтр.

Микробный метаболизм может приводить к образованию различных газов. Наиболее значимыми газообразными продуктами, достигающими атмосферы, являются молекулярный кислород, углекислый газ, сероводород, аммиак, метан, оксиды азота и серы. Накопление «отхода» оксигенного фотосинтеза цианобактерий – молекулярного кислорода, привело к кардинальным изменениям физико-химических условий жизни на нашей планете и превратило земную атмосферу из «восстановленной» в «окисленную». Микробная деструкция органического вещества, сульфатное и аэробное дыхания – это постоянные «поставщики» значительных количеств аммиака, сероводорода, углекислого газа и биогаза (метана в смеси с СО2). Однако бόльшая их часть не попадает в атмосферу, поскольку перехватывается группами микроорганизмов бактериального газового фильтра (тионовыми, нитрифицирующими, метанотрофными). Относительно стабильные газы (СО2, NO, N2O и метан) могут накапливаться в атмосфере при нарушении баланса между их эмиссией и потреблением, в основном, за счет антропогенных факторов. Эти газы называют парниковыми газами, так как они отражают тепловые лучи, не позволяя теплу уходить от поверхности земли, и вызывают глобальное потепление. Значительное влияние на содержание разных газов в атмосфере оказывают многие почвенные микроорганизмы, разрушая такие атмосферные «загрязнители» как метан, водород, СО, бензол, трихлорэтилен, формальдегид. Из «экзотических» явлений можно отметить способность Pseudomonas syringae синтезировать белок, который служит ядром формирования льда на поверхности листьев и снега в грозовых тучах. Такой снегоформирующий почвенный микроорганизм может влиять на погоду в глобальном масштабе. Нарушение жизнедеятельности почвенных и водных микроорганизмов вследствие загрязнения или сельскохозяйственных работ может усиливать эмиссию парниковых газов. Так, при увеличении содержания аммония потребление метана метанотрофами, обитающими в почве и воде, снижается. Накопление метана и углекислого газа в атмосфере приводит к «парниковому эффекту».

76. Роль микроорганизмов в самоочищении водотоков и почв. !нужны примеры!

Водные микроорганизмы осуществляют в водоемах замкнутые циклы основных элементов, поскольку в микробных сообществах представлены и первичные продуценты орг. в-ва (фотоавтотрофы, прокариоты-хемоавтотрофы), и консументы (простейшие), и деструкторы (большинство гетеротрофных прокариот и грибов). Водные микроорганизмы присутствуют в планктоне и бентосе, прикрепляясь к плавающим частицам и обитая в донных осадках. Простейшие представлены фораминиферами и радиоляриями. Среди водорослей преобладают диатомеи. Отдельные виды микроскопических грибов из оомицетов и хитридиевых приспособились к жизни в пресноводных и морских водоемах. Некоторые хитридиевые паразитируют на диатомовых водорослях. Другой важной группой нитчатый грибов являются гифомицеты из группы грибов Инголда. Эти грибы способны образовывать под водой четырехлучевые споры. В олиготрофных и бедных органическим веществом водых присутствуют скользящие и простековые микроорганизмы, способные прикрепляться к доступному субстрату, обрастать его, образуя хлопья. В аэробной зоне водоема расположено множество экологических ниш. В поверхностной зоне преобладают микроорганизмы, способные находиться во взвешенном состоянии: клетки, имеющие жгутики, простеки, прикрепленные диски, газовые вакуоли, или организмы малых размеров. Доминирующими формами здесь являются олиготрофы и простекобактерии родов Hyphomicrobium, Planctomyces, Blastobacter, Caulobacter. Спириллы относятся к типично планктонным бактериям. Из способов метаболизма преобладают фототрофия, метилотрофия и нитрификация. Вся толща водной массы в зависимости от градиентов факторов поделена на ряд подзон: подзона фотосинтеза, подзоны продукции биомассы гетеротрофных и хемолитотрофных микроорганизмов, подзона деструкции орг. в-ва, подзона термоклина. В водоемах с повышенной соленостью наблюдается заметная первичная продукция орг. в-ва за счет хемосинтеза. Основная масса орг. в-ва разлагается в аэробной водной толще и не достигает дна. Миксобактерии спосбны лизировать живые клетки цианобактерий и зеленых водорослей. Биополимеры мортмассы микроорганизмы, фитопланктона и высших растений и животных разлагают различные миксобактерии. В поверхностном слое ила обитают прикрепленные или скользящие микроорганизмы. Это микроаэрофильные организмы различных родов, факультативно анаэробные цитофаги и бациллы, нитчатые бактерии, железобактерии, зеленые нитчатые бактерии. Анаэробный распад в приповерхностном слое донных осадков осуществляют клостридии и энтеробактерии. Нижние слои ила составляют сульфатредукторы и метаногены, завершающие анаэробную деструкцию упавших на дно растительных и животных остатков.

Глобальный цикл углерода.

С углеродом тесно связан весь процесс возникновения и развития биосферы, т.к. именно углерод является основой белковой жизни на нашей планете, т.е. углерод является важнейшим химическим компонентом живого вещества. Именно этот химический элемент, благодаря своей способности образовывать прочные связи между своими атомами, является основой всех органических соединений. Основным резервуаром углерода в биосфере, из которого этот элемент заимствуется живыми организмами для синтеза органического вещества, является атмосфера. Углерод содержится в ней, главным образом, в форме диоксида СО2. Небольшая доля атмосферного углерода входит в состав других газов – СО и различных углеводородов, в основном метана СН4. Но они в кислородной атмосфере неустойчивы, и вступают в химические взаимодействия с образованием, в конечном счёте, того же СО2. Из атмосферы углерод усваивается автотрофными организмами-продуцентами (растениями, бактериями, цианобионтами) в процессе фотосинтеза, в результате которого, на основе взаимодействия с водой, формируются органические соединения – углеводы. Далее, в результате процессов метаболизма, с участием веществ, поступающих с водными растворами, в организмах синтезируются и более сложные органические вещества. Они не только используются для формирования растительных тканей, но также служат источником питания для организмов, занимающих очередные звенья трофической пирамиды – консументов. Таким образом, по трофическим цепям, углерод переходит в организмы различных животных. Возвращение углерода в окружающую среду происходит двумя путями. Во-первых – в процессе дыхания. Суть процессов дыхания заключается в использовании организмами окислительных химических реакций, дающих энергию для физиологических процессов. Окисление органических соединений, для которого используется атмосферный или растворённый в воде кислород, имеет результатом разложение сложных органических соединений с образованием СО2 и Н2О. В итоге углерод в составе СО2 возвращается в атмосферу, и одна ветвь круговорота замыкается.

Второй путь возвращения углерода – разложение органического вещества. В условиях биосферы процесс этот в основном протекает в кислородной среде, и конечными продуктами разложения являются те же СО2 и Н2О. Но большая часть углекислого газа при этом не поступает прямо в атмосферу. Углерод, высвобождающийся при разложении органического вещества, в основном остаётся в растворённой форме в почвенных, грунтовых и поверхностных водах. Или в виде растворённого углекислого газа, или же в составе растворённых карбонатных соединений – в форме ионов НСО3- или СО32-. Он может после более или менее продолжительной миграции частично возвращаться в атмосферу, но большая или меньшая его доля всегда осаждается в виде карбонатных солей и связывается в составе литосферы. Часть атмосферного углерода непосредственно поступает из атмосферы в гидросферу, растворяясь в воде. Главным образом, углекислый газ поглощается из атмосферы, растворяясь в водах Мирового Океана. Сюда же поступает и часть углерода, в тех или иных формах растворённого в водах суши. СО2, растворённый в морской воде, используется морскими организмами на создание карбонатного скелета (раковины, коралловые постройки, панцири иглокожих и т.д.). Он входит в состав пластов карбонатных пород биогенного происхождения, и на более или менее продолжительное время «выпадает» из биосферного круговорота. В бескислородных средах разложение органического вещества также идёт с формированием в качестве конечного продукта углекислого газа. Здесь окисление протекает за счёт кислорода, заимствуемого из минеральных веществ бактериями-хемосинтетиками. Но процесс в этих условиях идёт медленнее, и разложение органического вещества обычно является неполным. В результате существенная часть углерода остаётся в составе не до конца разложившегося органического вещества и накапливается в толще земной коры в битуминозных илах, торфяниках, углях. Хранители углерода – это живая биомасса, гумус, известняки и каустобиолиты. Естественными источниками углекислого газа, кроме вулканических эксгаляций, являются процессы разложения органичесекого вещества, дыхание животных и растений, окисление органических веществ в почве и других природных средах. Таким образом, часть углерода всё время выпадает из биологического круговорота, связываясь в литосфере в составе различных горных пород. Почему же тогда не возникает дефицита углерода в атмосфере? Причина в том, что его потеря компенсируется постоянным поступлением СО2 в атмосферу в результате вулканической деятельности. То есть, в атмосферу постоянно поступают глубинные углекислый газ и окись углерода. Это позволяет поддерживать баланс углерода в биосфере нашей планеты.

Глобальный цикл азота

Азот и его соединения играют в жизни биосферы такую же важную и незаменимую роль, как и углерод. Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода. Основным резервуаром азота в биосфере также является воздушная оболочка. Около 80% всех запасов азота сосредоточено в атмосфере планеты, что связано с направлением биогеохимических потоков соединений азота, образующихся при денитрификации. Основной формой, в которой содержится азот в атмосфере, является молекулярная – N2. В качестве несущественной примеси в атмосфере содержатся различные оксидные соединения азота NOx, а также аммиак NH3. Последний в условиях земной атмосферы наиболее неустойчив и легко окисляется. В то же время, величина окислительно-восстановительного потенциала в атмосфере недостаточна и для устойчивого существования оксидных форм азота, потому его свободная молекулярная форма и является основной. В отличие от углерода, атмосферный азот не может напрямую использоваться высшими растениями. Поэтому ключевую роль в биологическом круговороте азота играют организмы-фиксаторы. Это микроорганизмы нескольких различных групп, обладающие способностью путём прямой фиксации непосредственно извлекать азот из атмосферы и, в конечном счёте, связывать его в почве. К ним относятся:

некоторые свободноживущие почвенные бактерии;

симбионтные клубеньковые бактерии (существующие в симбиозе с бобовыми);

цианобионты, которые также бывают симбионтами грибов, мхов, папоротников, а иногда и высших растений.

В результате деятельности организмов – фиксаторов азота он связывается в почвах в нитритной форме (соединения на основе NH3).

Нитритные соединения азота способны мигрировать в водных растворах. При этом они окисляются и преобразуются в нитратные – соли азотной кислоты HNO3. В этой форме азотные соединения способны эффективно усваиваться высшими растениями и использоваться для синтеза белковых молекул на основе пептидных связей C-N. Далее, по трофическим цепям, азот попадает в организмы животных. В окружающую среду (в водные растворы и в почву) он возвращается в процессах выделительной деятельности животных или разложения органического вещества.

Возврат свободного азота в атмосферу, как и его извлечение, осуществляется в результате микробиологических процессов. Это звено круговорота функционирует благодаря деятельности почвенных бактерий-денитрификаторов, вновь переводящих азот в молекулярную форму.

В литосфере, в составе осадочных отложений, связывается весьма небольшая часть азота. Причина этого в том, что минеральные соединения азота, в отличие от карбонатов, очень хорошо растворимы. Выпадение некоторой доли азота из биологического круговорота также компенсируется вулканическими процессами. Благодаря вулканической деятельности в атмосферу поступают различные газообразные соединения азота, который в условиях географической оболочки Земли неизбежно переходит в свободную молекулярную форму.

Таким образом, основными специфическими чертами круговорота азота в биосфере можно считать следующие:

à преимущественную концентрацию в атмосфере, играющей исключительную роль резервуара, из которой живые организмы черпают запасы необходимого им азота;

à ведущую роль в круговороте азота почв и, в особенности, почвенных микроорганизмов, деятельность которых обеспечивает переход азота в биосфере из одних форм в другие

Вследствие чрезвычайно высокой растворимости солей азотной кислоты и солей аммония, азота в почве мало и почти всегда недостаточно для питания растений. Поэтому потребность культурных растений в азотных удобрениях всегда высока. Поэтому ежегодно в почву вносится по разным оценкам от 30 до 35 млн. тонн азота в виде минеральных удобрений. Таким образом, поступление за счет азотных удобрений составляет 30% от общих поступлений азота на сушу и в океан. Это часто приводит к существенному загрязнению окружающей среды и тяжелым заболеваниям человека и животных. Особенно велики потери нитратных форм азота, так как он не сорбируется почвой, легко вымывается природными водами, восстанавливается в газообразные формы и до 20-40% его теряется для питания растений. Существенным нарушением цикла азота является и все возрастающее количество отходов животноводства, промышленных отходов и стоков больших городов, поступление в атмосферу аммония и оксидов азота при сжигании угля, нефти, мазута и т.д. Опасно проникновение оксидов азота в стратосферу (выхлопы сверхзвуковых самолетов, ракет, ядерные взрывы), так как это может быть причиной разрушения озонового слоя. Все это, естественно, сказывается на биогеохимическом цикле азота.

Глобальный цикл серы.

Сера является одним из элементов, играющих чрезвычайно важную роль в круговороте веществ биосферы. Она относится к числу химических элементов, наиболее необходимых для живых организмов. В частности, она является компонентом аминокислот. Она предопределяет важные биохимические процессы живой клетки, является незаменимым компонентом питания растений и микрофлоры. Соединения серы участвуют в формировании химического состава почв, в значительных количествах присутствуют в подземных водах, что играет решающую роль в процессах засоления почв. В засоленных почвах содержание серы может достигать значений, измеряемых целыми процентами. Таким образом, основным резервуаром, из которого она черпается живыми организмами, является литосфера. Это обусловлено тем, что устойчивое существование сернистых соединений в условиях современной атмосферы Земли, содержащей свободный кислород и пары Н2О, невозможно. Сероводород (H2S) в кислородной среде окисляется, а кислородные соединения серы, реагируя с Н2О, образуют серную кислоту H2SO4, которая выпадает на поверхность Земли в составе кислотных дождей. Поэтому оксиды серы SOх, хотя и могут усваиваться растениями непосредственно из атмосферы, существенной роли в круговороте серы этот процесс не играет. В составе земной коры соединения серы существуют, в основном, в двух минеральных формах: сульфидной (соли сероводородной кислоты) и сульфатной (соли серной кислоты). Редко встречается самородная сера, которая неустойчива и склонна, в зависимости, от значений окислительно-восстановительного потенциала среды, формировать или кислородные, или водородные соединения.

Первичной, глубинной по происхождению, минеральной формой нахождения серы в земной коре, является сульфидная. Сульфидные соединения в условиях биосферы практически нерастворимы, и потому сульфидная сера растениями не усваивается. Но, в то же время, сульфиды в кислородной среде неустойчивы. Поэтому сульфиды на земной поверхности, как правило, окисляются, и в результате этого сера входит в состав сульфатных соединений. Сульфатные соли обладают достаточно хорошей растворимостью, и сера в географической оболочке активно мигрирует в водных растворах в составе сульфат-иона SO42-.

Именно в этой, сульфатной форме сера, в составе водных растворов, эффективно усваивается растениями, а далее – животными организмами. Усвоению способствует то, что сульфатные соединения серы способны накапливаться в почвах, участвуя в процессах обменной сорбции и входя при этом в состав почвенного поглощающего комплекса (ППК). Разложение органического вещества в кислородной среде приводит к возвращению серы в почву и природные воды. Сульфатная сера мигрирует в водных растворах, и может снова использоваться растениями. Если же разложение идёт в бескислородной среде, ведущую роль играет деятельность серобактерий, которые восстанавливают SO42- до H2S. Сероводород выделяется в атмосферу, где окисляется и возвращается в другие компоненты биосферы в сульфатной форме. Часть серы в восстановительной обстановке может связываться в сульфидных соединениях, которые, при возобновлении доступа кислорода, снова окисляются и переходят в сульфатную форму.

Биогеохимический цикл серы состоит из 4 стадий (рис. 3.5.4 ):

● усвоение соединений серы живыми организмами (растениями и бактериями) и включение серы в состав белков и аминокислот.

● Превращение органической серы живыми организмами (животными и бактериями) в конечный продукт – сероводород.

● Окисление минеральной серы живыми организмами (серобактериями, тионовыми бактериями) в процессе сульфатредукции. На этой стадии происходит окисление сероводорода, элементарной серы, ее тио- и тетрасоединений.

● Восстановление минеральной серы живыми организмами (бактериями) в процессе десульфофикации до сероводорода. Таким образом, важнейшим звеном всего биогеохимического цикла серы в биосфере является биогенное образование сероводорода.

Изъятие серы из биосферного круговорота происходит в результате накопления сульфатных отложений (в основном гипсовых), слои и линзы которых становятся компонентами литосферы. Компенсируются потери во-первых, в процессах вулканизма (поступление H2S и SOx в атмосферу, а оттуда, с атмосферными осадками – на поверхность Земли). А во-вторых, в результате деятельности термальных вод, с которыми в верхние горизонты земной коры и на дно Мирового океана поступают сульфидные соединения.

Таким образом, к характерным особенностям круговорота серы можно отнести второстепенную роль процессов атмосферной миграции, а также многообразие форм нахождения, обусловленное переходом её из сульфидных форм в сульфатные и обратно, в зависимости от изменения окислительно-восстановительных условий.

Промышленные процессы выносят в атмосферу большое количество серы. В отдельных случаях значительная концентрация соединений серы в воздухе служит причиной нарушений в окружающей среде, в том числе, кислотных дождей. Присутствие в воздухе двуокиси серы негативно влияет как на высшие растения, так и на лишайники, причем эпифитные лишайники могут служить индикаторами повышенных содержаний серы в воздухе. Лишайники поглощают влагу из атмосферы всем слоевищем, поэтому концентрация серы в них быстро достигает предельно допустимого уровня, что ведет к гибели организмов. Антропогенное поступление серы в биосферу существенно изменяет круговорот этого элемента, а приход серы в биосферу превышает ее расход, в результате чего, должно происходить постепенное ее накопление.

Микробный цикл железа.

Железо – широко распространенный на Земле элемент, существующий в земной коре в основном в виде труднорастворимых окисных и сульфидных минералов. Микроорганизмы способны осуществлять в природе замкнутый цикл железа. Они используют соединения железа в энергодающих и конструктивных процессах, а также могут откладывать железо внутри клеток и во внеклеточных структурах. Направление микробной метаболической активности в значительной степени зависит от наличия и концентрации молекулярного кислорода. В присутствии кислорода стабильно только трехвалентное железо, тогда как в анаэробных условиях стабильность двух- и трехвалентного железа одинакова. В водных растворах при рН>6 катионы Fe² и Fe³ неустойчивы и выпадают в виде нерастворимых соединений. Вещества, содержащие в своем составе двухвалентное железо, легко окисляются как микроорганизмами, так и в чисто химических процессах, и образовавшиеся нерастворимые соединения трехвалентного железа либо осаждаются в нижележащие анаэробные слои в водных системах, либо депонируются в аэробной экосистеме почвы.

Аэробное окисление двухвалентного железа способны осуществлять морфологически, физиологически и филогенетически разные микроорганизмы. Это, прежде всего, группа железоокислителей-хемолитоавтотрофов (бактерии Leptospirillum ferrooxidans, L. thermoferrooxidans, Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, Sulfobacillus acidophilus, S. thermosulfidooxidans и археи рода Ferroplasma), а также факультативные литоавтотрофы – археи родов Sulfolobus, Acidianus, Sulfurococcus и бактерии Acidimicrobium ferrooxidans, Galionella ferruginea, представители рода Thiomonas. Большая группа аэробных гетеротрофных окислителей железа представлена так называемыми хламидобактериями родов Leptothrix и Sphaerotilus, образующими мощные поверхностные структуры, в которых откладываются нерастворимые соединения трехвалентного железа, и видами семейства Hyphomicrobiaceae, имеющими выросты-простеки.

Анаэробное окисление двухвалентного железа показано в природе при хемолитотрофии, когда конечным акцептором электронов в ЭТЦ служит, как правило, нитрат. К такому процессу способны неидентифицированные факультативно литоавтотрофные представители классов Beta- и Gammaproteobacteria, а также литоавтотрофный Pseudomonas stutzeri. Из архей анаэробно окислять двухвалентное железа в присутствии нитрата способен Ferroglobus placidus.

Использование закисных форм железа в качестве донора электронов для аноксигенного фотосинтеза изучено у ряда представителей пурпурных несерных бактерий родов Rhodobacter, Rhodovulum, Rhodomicrobium. Есть данные об окислении двухвалентного железа в процессе аноксигенного фотосинтезаwtcctктерий родов оавтотрофные представители классов «ми, образующими мощные пове у нитчатых цианобактерий.

В анаэробных зонах трехвалентное железо восстанавливается прежде всего в процессе «железного» дыхания, при этом образованные растворимые катионы Fe² могут легко диффундировать в вышележащие аэробные системы.

Для ряда микроорганизмов, например, для Chloroflexus aurantiacus показано, что окисление железа имеет защитную функцию «борьбы» с активными формами кислорода и не связано с получением энергии.

На Земле в естественных местообитаниях фосфор распространен неоднородно и количество его ограничено, поэтому развитие живых организмов сдерживается доступностью фосфора. В отличие от некоторых форм углерода, азота и серы, этот элемент не подвержен выбросам в атмосферу, за исключением экстремальных обстоятельств. Фосфор в основном присутствует в скальных породах и в почве, а при попадании в морскую воду этот элемент «уводится» из цикла в виде нерастворимых минеральных солей. В связи с этим крупнейшим резервуаром фосфора на Земле являются осадки на океаническом дне. На суше фосфор встречается в растворимых и нерастворимых формах органических и минеральных соединений. Растворимый фосфор – это анион ортофосфата (РО), осаждаемый Ca² , Mg² и Fe² при нейтральном и слабощелочном рН. При еще более высоких значениях рН он снова может переходить в растворимую форму, связывая ионы Na . При значениях рН, характерных для почвы, фосфор может находиться также в формах гидрофосфата (НРО) и дигидрофосфата (Н₂РО). В почве фосфор содержится, в основном, в составе трудноразлагаемых веществ и становится доступным растениям только после расщепления их микроорганизмами. Идентифицировано более 200 форм минерального фосфора в почвах. Наиболее часто встречающиеся соединения – это апатиты с общей формулой М₁₀(РО₄)₆Х₂, где М – металл, а Х — галоген. Бóльшая часть органического фосфора находится в неидентифицированных соединениях. От общего органического фосфора почвы от 15 до 30% составляет инозитолфосфат, на нуклеотиды приходится 2-5% и на фосфолипиды – 1-2%.

Микробный цикл фосфора отражает его движение между неорганическим и органическим пулами и между нерастворимой и растворимой формами. Микроорганизмы играют главную роль в растворении, иммобилизации (связывании) и минерализации фосфора. Существует три основных механизма, позволяющих растворять минеральные формы фосфора и делать их доступными для растений: хелатирование, восстановление железа и подкисление. Все три механизма дестабилизируют минералы, содержащие фосфор. Органические соединения, образуемые микроорганизмами, такие как оксалат, могут связывать Ca² , Mg² и Fe² , тем самым переводя фосфор в растворимое состояние. Двухвалентное железо обладает большей растворимостью, чем трехвалентное, поэтому фосфорные минералы, содержащие Fe² , более растворимы. При замещении трехвалентного железа двухвалентным, например, в анаэробных условиях, концентрация доступного фосфора существенно возрастает. Образование микроорганизмами кислых продуктов (органических кислот – азотистой, азотной, серной и угольной) приводит к растворению минералов фосфора. Именно поэтому перед внесением фосфатных удобрений значительный эффект дает смешивание почвы с навозом и серой, которую тиобациллы преобразуют в серную кислоту. Растворение фосфорных минералов микроорганизмами можно легко проследить чашечным методом по образованию прозрачных зон растворения осадков минералов вокруг колоний в чашках Петри.

Органический фосфор, составляющий от 30 до 50% всего фосфора в почве, должен превратиться в минеральный, чтобы стать доступным для растений. Фосфолипиды и нуклеиновые кислоты минерализуются быстро, а инозитолфосфаты – медленно. Минерализация проходит быстрее при повышенных температурах, слабощелочной или нейтральной реакции почвы и при высоком содержании органического фосфора. Бактерии, активно минерализующие фосфор, составляют до 10% от общей микробной популяции почвы. Это преимущественно ризосферные организмы родов Bacillus, Micrococcus, Mycobacterium, Pseudomonas и некоторые грибы.

Концентрация фосфора в клетках микроорганизмов обычно в 10 раз выше, чем в растительных. Фосфор может составлять от 0,5 до 1,0% грибного мицелия и от 1 до 3% биомассы бактерий. Бóльшая часть фосфора у микроорганизмов содержится в РНК (от 30 до 50%). При низких концентрациях фосфора в почве микроорганизмы связывают (иммобилизуют) его в биомассе, лишая растений доступного фосфора. Бактерии также запасают фосфор в виде полифосфатов (волютина), накапливая его в бóльших, чем им требуется, количествах. Это приводит к тому, что фосфор переводится в недоступную растениям форму. Быстрота связывания зависит от скорости роста микроорганизма и доли фосфора в органических соединениях. Для оптимального развития почвенной микробиоты содержание фосфора должно составлять 0,3% от общего количества органических соединений, расходуемых на рост. Дефицит фосфора можно создать, добавляя в почву избыток углерода.

1. 4,5 млрд. лет назад – возникновение Солнечной системы.

2. 3,5 млрд. лет назад – возникновение жизни.

3. 3,5 млрд. лет назад – Земля была населена прокариотами. Их жизнедеятельность позволила существовать эукариотам. Микрофоссилии — окаменевшие остатки бактерий, строматолиты — слоистые осадочные породы. Хемофоссилии — продукты жизнедеятельности бактерий.

4. Возникновение простых органических веществ (возможно, из вулканических газов (метана, аммиака, водорода) под действием молний.

5. Появление предшественника прокариот – хемолитотрофа.

6. 3 млрд. лет назад — накопление мертвой органики, повышение уровня океана, снижение вулканической активности → появление фототрофов (сначала аноксигенных: H₂S и CO₂).

7. 2,3 млрд. лет назад – возникновение оксигенного фотосинтеза (мало H₂S и много H₂O). Цианеи обеспечили атмосферу килородом.

8. Появление эаробов.

9. 1,8 млрд. лет назад – возникновение озонового экрана.

10. 1,5 млрд. лет назад возникли эукариоты.

11. 800 тыс. лет назад – возникла многоклеточность.

84. Теории симбиогенеза и панспермии.

85. Микробное выщелачивание металлов из руд.

Использование биологической активности для удаления загрязняющих веществ из окружающей среды называют биоремедиацией.

Бактериальное выщелачивание металлов — способность ряда ацидофильных микроорганизмов, окисляющих железо и серу, переводить сульфиды и элементарную серу в водорастворимые сульфаты металлов. Используется для добычи меди, цинка, никеля, урана и др. металлов из природных руд. Выщелачивание осуществляют аэробные бактерии Thiobacillus (Acidithiobacillus) thiooxidans и Thiobacillus ferrooxidans, а также археи рода Sulfolobus.

Способность Thiobacillus thiooxidans окислять сульфиды нашла практическое применение для бактериального выщелачивания бедных руд. В настоящее время этот процесс используется в основном для обогащения медных руд с настолько низким содержанием меди, что их неэкономично обрабатывать обычным способом. Роль бактерий в этом процессе была выяснена недавно. В 1958 г. одной американской фирмой был запатентован способ бактериальной регенерации сернокислого окисного железа, выщелачивания меди и цинка из бедных руд, а также метод биологического обогащения молибденовых, желозохромовых и железотитановых концентратов -путем освобождения их от железа.

Бактериальное выщелачивание руд делится на кучное и чановое. Проводится кучное выщелачивание отвалов, которые складывают на подготовленной цементированной площадке. Крупные куски руды чередуют с мелкими, предусматривают вентиляционные ходы. Отвалы периодически орошают кислыми бактериальными растворами. Медь в результате окисления переходит в воду в виде медного купороса, затем ее выделяют из водного раствора. Чановое выщелачивание экономично проводить для более дорогого сырья, например для обогащения концентратов. При этом способе выщелачивания часто образуются высокие концентрации металлов, поэтому целесообразно применять культуры бактерий, предварительно приученные к высоким концентрациям меди, мышьяка и других элементов. Так, при чановом выщелачивании успешно протекает процесс освобождения оловянных и золотых концентратов от мышьяка. В этих концентратах мышьяк присутствует в основном в виде арсенопирита — сульфида, легко окисляемого Th. ferrooxidans. Процесс очистки концентратов, содержащих 4—6% мышьяка, протекает около 120 ч.

Лекарственная устойчивость– это природная или приобретенная способность возбудителя болезни сохранять жизнедеятельность при воздействии на него лекарственных средств.

Развитие у микроорганизмов устойчивости к используемым для борьбы с ними препаратам является одним из проявлений фундаментального биологического свойства всех живых организмов – приспособляемости к изменениям условий внешней среды. Данное явление было описано вскоре после появления первых антибактериальных лекарственных средств.Лекарственная устойчивость развивается при неправильном применении антибиотиков, в результате чего могут возникнуть осложнения как со стороны макроорганизма, так и нежелательные изменения микроорганизма.

Проблема формирования и распространения лекарственной резистентности микробов особенно значима для внутрибольничных инфекций, вызываемых так называемыми «госпитальными штаммами», у которых, как правило, наблюдается множественная устойчивость к антибиотикам (так называемая полирезистентность).

* р-гликопротеин, ген MDR1 (опухлевые клетки)

Генетические основы приобретенной резистентности.

• мутаций в хромосоме бактериальной клетки с последующей селекцией (т. е. отбором) мутантов. Особенно легко селекция происходит в присутствии антибиотиков, так как в этих условиях мутанты получают преимущество перед остальными клетками популяции, которые чувствительны к препарату. Мутации возникают независимо от применения антибиотика, т. е. сам препарат не влияет на частоту мутаций и не является их причиной, но служит фактором отбора. Далее резистентные клетки дают потомство и могут передаваться в организм следующего хозяина (человека или животного), формируя и распространяя резистентные штаммы. Мутации могут быть: 1) единичные (если мутация произошла в одной клетке, в результате чего в ней синтезируются измененные белки) и 2) множественные (серия мутаций, в результате чего изменяется не один, а целый набор белков, например пенициллинсвязывающих белков у пенициллин-резистентного пневмококка);

• переноса трансмиссивных плазмид резис­тентности (R-плазмид). Плазмиды резистентности (трансмиссивные) обычно кодируют перекрестную устойчивость к нескольким семействам антибиотиков. Впервые такая множественная резистентность была описана японскими исследователями в отношении кишечных бактерий. Сейчас показано, что она встречается и у других групп бактерий. Некоторые плазмиды могут передаваться меж­ду бактериями разных видов, поэтому один и тот же ген резистентности можно встретить у бактерий, таксономически далеких друг от друга. Например, бета-лактамаза, кодируемая плазмидой ТЕМ-1, широко распространена у грамотрицательных бактерий и встречается у кишечной палочки и других кишечных бактерий, а также у гонококка, резистентного к пенициллину, и гемофильной палочки, резистентной к ампициллину;

• переноса транспозонов, несущих r-гены(или мигрирующих генетических последова­тельностей). Транспозоны могут мигрировать с хромосомы на плазмиду и обратно, а также с плазмиды на другую плазмиду. Таким образом, гены резистентности могут передаваться далее дочерним клеткам или при рекомбинации другим бактериям-реципиентам.

Реализация приобретенной устойчивости. Изменения в геноме бактерий приводят к тому, что меняются и некоторые свойства бактериальной клетки, в результате чего она становится устойчивой к антибактериальным препаратам. Обычно антимикробный эффект препарата осуществляется таким образом: агент должен связаться с бактерией и пройти сквозь ее оболочку, затем он должен быть доставлен к месту действия, после чего препарат взаимодействует с внутриклеточными мишенями. Реализация приобретенной лекарственной устойчивости возможна на каждом из следующих этапов:

• модификация мишени. Фермент-мишень может быть так изменен, что его функции не нарушаются, но способность связываться с химиопрепаратом (аффинность) резко снижается или может быть включен «обходной путь» метаболизма, т. е. в клетке активируется другой фермент, который не подвержен действию данного препарата.

• «недоступность» мишени за счет снижения проницаемости клеточной стенки и клеточных мембран или «эффлюко»-механизма, когда клетка как бы «выталкивает» из себя антибиотик.

• инактивация препарата бактериальными ферментами. Некоторые бактерии способны продуцировать особые ферменты, которые делают препараты неактивными (например, бета-лактамазы, аминогликозид-модифицирующие ферменты, хлорамфениколацетилтрансфераза). Бета-лактамазы — это ферменты, разрушающие бета-лактамное кольцо с образованием неактивных соединений. Гены, кодирующие эти ферменты, широко распространены среди бактерий и могут быть как в составе хромосомы, так и в составе плазмиды.

Биоповреждения вызывают не только гнепосредственно сами микроорганизмы, но и их разнообразные метаболиты.

Например, в нефтепромышленности существуют серьезные проблемы, вызванные микроорганизмами. Во-первых, есть микроорганизмы, потребляющие само топливо. Это разнообразные дрожжи, псевдомонады, микобактерии и другие. Например, Clostridium resinae растет на разделе сред воздух-углерод. Для борьбы с ними используют биоциды, которые сами по себе очень ядовиты и экологически опасны. Кроме того, используют различные присадки, замену металлических труб инертным пластиком, облучение, механическую чистку труб и хранилищ.

С другой стороны, на этих бактерий надеются экологи, пытающиеся создать средства для ликвидации нефтяных пятен.

Во-вторых, есть и другие микроорганизмы, которые вызывают порчу оборудования и трубопроводы. Например, некоторые образуют пленки на поверхности труб, что приводит к механическим проблемам с перемещением топлива по трубе. Помимо них, существуют микроорганизмы, вырабатывающие серную кислоту, которая разрушает сами трубы. Они окисляют серу в сырой нефти. Сульфатредуцирующие бактерии выделяют сероводород, который тоже реагирует с железом.

Кроме того, бактерии портят памятники и произведения искусства. Это называется биокоррозией. Они выделяют агрессивные агенты и/или используют как субстрат вещества этих вещей. Особенно большую роль здесь играют грибы, которые выделяют очень едки кислоты и запускают свои гифы в микротрещены. Для борьбы с этим создают особыеи условия хранения произведений искусства, используют различные ингибиторы, полимерные покрытия.

Ещё одной важной проблемой является порча электроники. На ней селятся бактерии, которые способны расти в олиготрофных условиях. Их заселение пытаются прекратить за счёт фильтров, но есть особо мелкие клетки, способные проходить через фильтры с отверстиями 0,22 мкм. Так что тщетно.

Тут ещё можно вспомнить про всякую экзотику, жрущую резину и металлы на МКС или бактерий, которые едят пластик: в кишках восковой моли были найдены симбионты, которые позволяют её жрать полиэтилен. аж 2 штамма. Недавно выделили китайцы.

98. Использование микроорганизмов в качестве тест-систем в аналитических исследованиях. 99. Микроорганизмы как модели и инструменты научных исследований.

Микроорганизмы входят в состав различных тест-систем с метаболической активацией in vitro и in vivo для индикации мутагенности химических соединений и их метаболитов. В качестве активирующей компоненты in vitro используются как гомогенаты тканей животных и человека, так и растений. Тесты с использованием микроорганизмов отличаются большой пропускной способностью и чувствительностью к мутагенным воздействиям. Они позволяют в полной мере использовать преимущества селективных методов. Благодаря использованию детально разработанных мутационных систем у микроорганизмов открываются большие возможности не только для тестирования мутагенной активности различных соединений, но и для выяснения механизма их действия. При этом используют мутантов с генетическими изменениями определенной молекулярной природы. Однако главная проблема при применении этих тестов — возможность экстраполяции получаемых результатов на человека.

Для выявления мутагенов обычно используется тест Эймса Salmonella (микросомы и его различные модификации). Тест Эймса является одним из основных методов в скрининговых программах различных стран, когда нужно сравнительно быстро проанализировать большое число соединений и отобрать среди них те, которые потенциально могут явиться мутагенами для человека. Такое широкое применение этого метода связано с высокой корреляцией между канцерогенной и мутагенной активностями химических веществ. В тесте используются некоторые штаммы бактерии Salmonella typhimurium, которые несут мутации в генах, участвующих в синтезе гистидина (то есть это ауксотрофные мутанты, требующие искусственного внесения гистидина для роста). В тесте изучается возможность предполагаемого мутагена вызывать ревертивную мутацию данного гена, при которой штамм приобретает способность расти на среде, не содержащей гистидин.

Существуют тест-системы, предназначеные для стандартизованной идентификации и позволяющие проводить рутинную идентификацию клинически важных микроорганизмов в клинических микробиологических лабораториях, на производстве пищевых продуктов и лабораториях водоочистительных станций. (идентификационные наборы, полоски для выявления бактериального фермента или метаболита, диагностические диски, позволяющие проводить селективную изоляцию и дифференциацию бактерий путем выявления роста прямо на питательной среде, вспомогательные реактивы и приборы).

Микроорганизмы могут использоваться в качестве биосенсоров и других научных инструментов. Биосенсор – это гибридный прибор, где живые организмы связаны с электродами, и биологическая реакция конвертируется в электрический ток. Биосенсоры применяют при определении индивидуальных веществ, поллютантов, контроля газов и жидкостей в медицине, сельском хозяйстве, эко исследованиях и различных производствах. Пример – биосенсор для определения загрязнениня на основе люциферазной системы светящихся растений.

Использование микроорганизмов как научного инструмента при моделировании фундаментальных жизненных процессов обусловлено:

● · Малыми размерами

● · Быстрым размножением

● · Одноклеточность и простое устройство

● · Полноценные организмы с широчайшим набором возможностей метаболизма

Микроорганизмы и человек.

Издавна люди готовили большое количество продуктов из молока. Общим для таких процессов является образование большого количества молочной кислоты из сахара, что приводит к снижению рН и предотвращает развитие микроорганизмов, вызывающих негативные процессы. Молочнокислое брожение применяется при приготовлении квашеных овощей и кислой капусты, а также при силосовании кормов. Образующаяся молочная кислота является в этих процессах естественным консервантом. Еще одна область использования молочнокислых бактерий — закваски для мысных и рыбных продуктов. Так готовят некоторые сорта сосисок , колбасы салями, сервелат и различные блюда японской кухни. Для изготовления хлеба применяют специальные дрожжевые закваски. Все они относятся к сахаромицетам, но для хлеба, пива, кваса и т.д. используют разные расы дрожжей. Закваски для хлебопечения не должны содержать других микороорг., должны активно расти на глюкозе с обильным газообразованием. Дрожжи являются основным действующим элементом в процессах приготовления алкогольных напитков. Такие продукты могут быть получены из различных растительных субстанций, которые содержат доступные углеводы. Более крепкие напитки получают отгонкой спирта из вина или пива и отличаются начальным субстратом и модификацией послеотгоночных операций. К соединениям, получаемым с помощью микроорганизмы и служащим для диагностики и лечения различных заболеваний, относятся антибиотики, а также различные антимикробыне агенты (вакцины, сыворотки, антитела). В качестве продуцентов используются микроорганизмы, выделенные из естественных мест, так и мутанты и искусственно «сконструированные» штаммы. Для получения вакцин и сывороток используются как живые ослабленные или видоизмененные возбудители, так и убитые клетки, либоы их отдельные части (антигены), которые вводятся во время прививки в здоровый организм, чтобы с профилактической целью научить его вырабатывать антитела. Вакцина — собственно возбудитель, сыворотка — полученные на антиген готовые антитела, вводимые уже заболевшему человеку. Использование биологической активности для удаления загрязняющих веществ из окружающей среды называют биоремедиацией. Для успеха таких процессов необходимо сначала найти соотв. активность, а затем разными методами ее стимулировать и создать по возможности оптимальные условия для ее проявления. При это есть две возможности: 1) стимулировать развитие активных микроорганизмы, уже имеющихся в окр. среде; 2) интродуцировать в загрязненную область микроорганизмы с уже известными биодеградабельными способностями. В искусственных очистных сооружениях значительно больше возможностей применять селектированные штаммы или сообщества, в том числе и генно- инженерные. Биоповреждения различных объектов и материалов основаны как на непосредственной активности микроорганизмы, так и на агрессивных продуктах их жизнедеятельности. Большая проблема в нефтедобыче и производстве нефтепродуктов — биокоррозия трубопроводов и порча самого топлива. При траспортировке нефти по трубам на их внутр. пов-ти обр. прочная пленка микроорганизмы, с одной стороны часто механически мешающая протоку, а с другой — повреждающая трубы из-за выделения серной кислоты микробами, окисляющими серу, сод. в сырой нефти, и из-за выделения сульфатредуцирующими бактериями сероводорода, вступающего в реакцию с железом.

Что это за вопросы, выделенные зеленым, под которыми нет ответов? о___О

Может кто-нибудь в состоянии хоть немного написать в 32?

издеваешься)