Отрасли экологической микробиологии

Отрасли

Основные задачи

аэромикробиология агромикробиология биогеохимия биоремедиация биотехнология качество продуктов питания синтез восстановление ресурсов качество воды

исследование патогенов и др. микробов в аэрозолях, микробного движения в аэрозолях биологический контроль, фиксация азота, цикл азота углеродные и минеральные циклы, контроль потери и фиксации азота деградация органических контаминантов, иммобилизация и удаление неорганических контаминантов почвы и воды обнаружение патогенов и др.микробов в окружающей среде, определение микробной активности в окружающей среде, генная инженерия обнаружение патогенов и их элиминация синтез алкоголя, протеинов восстановление масел, металлов, биодеградация отходов, редукция патогенов детекция патогенов и др. видов микробов, элиминация патогенов

Экологические связи – связи, взаимоотношения между биогенными и абиогенными факторами, входящими в состав экосистемы или биосферы.

1.2. Типы межвидовых экологических связей. За основной признак Ю. Одум предложил принять изменение удельной скорости роста численности каждой из двух популяций как результат их взаимодействия. Т.о. мы рассматриваем каждую из популяций как биотический фактор внешней среды, а скорость роста популяции – как показатель её жизнедеятельности, аналогично тому, как это делают при рассмотрении влияния на организм абиотических факторов. Если две популяции сосуществуют на одном и том же местообитании , то присутствие каждой из них может, очевидно, либо способствовать ускорению роста второй, либо замедлять его, но, возможно, скорость роста одной из популяций никак не меняется при наличии второй. Обозначим ускорение роста знаком «+», замедление роста знаком «–», а отсутствие влияния – «0». Тогда получим шесть основных типов межпопуляционных взаимодействий.

Взаимодействие или Нейтрализм (00). Как говорят математики, это «вырожденный» вариант: взаимодействие, при котором каждая из популяций никак не влияет на скорость роста другой популяции.

Комменсализм (0+) Польза

В присутствии первой популяции вторая растет быстрее, но это никак не отражается на скорости первой

• Взаимодействие или аменсализм (0–) В присутствии первой популяции рост второй замедляется, но это никак не отражается на скорости роста первой

• Взаимодействие, имеющее в природе разные формы своего проявления и в зависимости от этого называемое по-разному. Если две популяции не только взаимно ускоряют рост численности друг друга,

но и вообще друг без друга существовать не могут, то такое «взаимовыгодное сотрудничество» называют мутуализмом (++). Глубокая зависимость, невозможность раздельного существования.

Если же такое взаимодействие возникает при более или менее случайной встрече и не является остро необходимым, его называют протокооперацией.

Взаимодействие, проявляемое также в двух видах, названия которых говорят сами за себя: хищничество и паразитизм. Взаимодействие, проявляемое также в двух видах, названия которых говорят сами за себя: хищничество и паразитизм (+–). Общее между этими двумя видами взаимодействий сводится к тому, что для одной из популяций присутствие второй несомненно «+»,

так как и для хищника, и для паразита жертва или соответственно хозяин служит пищей. Для второй популяции присутствие первой очевидный «–», так как деятельность хищника сокращает численность жертвы, а деятельность паразита, если не приводит обязательно к гибели хозяина, то может снизить его биотический потенциал в результате истощения организма.

Взаимодействие, называемое чаще всего конкуренцией (– –). Такое взаимодействие проявляется в том, что при совместном существовании скорость роста каждой из популяций оказывается меньше, чем в отсутствии конкурента. Конкуренцию можно определить как использование некоего ресурса (пищи, воды, света, пространства) каким-либо организмом, который тем самым уменьшает доступность этого ресурса для других организмов. (Р. Рифлекс «Основы общей экологии»).         Симбиоз Польза. При этом плотность популяции при совместном обитании в сравнении с раздельным обитанием:в случае симбиотических взаимоотношений одинакова.

Рассмотренные типы межпопуляционных взаимодействий не отражают всей пестроты взаимоотношений видов в реальных природных условиях, где число популяций, населяющих одно и то же местообитание, измеряется сотнями, а то и тысячам.

	1-я популяция		2-я популяция
Название	эффект	плотность популяции при совместном обитании в сравнении с раздельным обитанием	эффект	плотность популяции при совместном обитании в сравнении с раздельным обитанием
Симбиоз	польза	 или 	польза	 или 
Мутуализм	глубокая зависимость, невозможность раздельного существования
Антагонизм	вред		вред	
Комменсализм	польза		нет эффекта	
Нейтрализм	нет эффекта		нет эффекта	

Под абиотическими компонентами следует понимать физические и химические условия экосистемы, в которой живут организмы. Размеры микробных экосистем разнообразны (пруд, озеро, корневая система дерева, ротовая полость человека, рубец жвачного животного или участок кишечника). Все жизненное пространство нашей планеты в совокупности – биосферу – можно рассматривать как гигантсткую экосистему. С той или иной экосистемой часто связывают понятие «окружающая среда». Эта среда поддерживает взаимоотношения определенного организма (популяции) с окружающими его (её) биотическими или абиотическими компонентами экосистемы.

В пределах экосистемы для каждого вида можно описать его местообитание. Это «улица» или «номер дома» данного организма; некоторые организмы могут иметь по нескольку адресов.

Например, бактерии рода Rhizobium растут как в почве, так и в растениях; определенная метанобразующая бактерия может обитать в морских отложениях, в рубце жвачных, в метантенке очистной установки.

Понятие «экологическая ниша» отражает функцию какого-то вида или популяции в сообществе организмов – это характеристика «профессии» вида. Т.е. каждый вид (или популяция) выполняет определенную функцию, которая обусловлена его потребностями в пище, подвижностью, способом размножения, биохимическими возможностями, структурными особенностями и пределами толерантности к условиям среды. Обычно границы распространения вида или популяции фактически бывают более узкими, чем возможности данного вида. Например, в рубце жвачных животных могут расти и выполнять функции расщепления целлюлозы только те целлюлозолитические бактерии, которые осуществляют это в анаэробных условиях и способны получать энергию в результате брожения. Но при этом они должны быть толерантны к температуре внутри желудка. К присутствию жирных кис лот, аммиака, газов; должно быть обеспечено непрерывное удаление определенных продуктов брожения, например, водорода. Т.е., для выполнения данной функции в определенной экосистеме вид должен обладать целым рядом специфических особенностей.

Согласно концепции, выдвинутой Виноградским в 1925 г., м/о, встречающиеся в экосистеме, можно подразделить на две категории – автохтонные и аллохтонные. Автохтонные микроорганизмы являются типичными обитателями данной экосистемы (например, почвы, кишечника) и присутствуют там всегда. Этот факт обуславливается постоянным присутствием питательных веществ, характерных для данной экосистемы (это высокоспециализированные организмы6 нитрифицирующие бактерии, обитатели горячих источников и других экстремальных систем).

Аллохтонные (зимогенные) микроорганизмы появляются в результате случайного повышения концентрации или от добавления в среду определенных питательных веществ, т.е. это временные микроорганизмы или находящиеся в состоянии покоя (вездесущие почвенные и водные бактерии).

Во многих экосистемах земной биосферы м/о занимают важное место или являются единственными формами жизни. Все экосистемы рассмотреть невозможно, мы ограничимся несколькими.

Находясь под сильным впечатлением от физиологических различий неизвестных до того бактерий, Виноградский и Бейеринк (1900–1910) описали новые роды, такие как

Nitrozomonas, Nitrobacter, Aerobacter, Acetobacter, Photobacter, Azotobacter, Lactobacterium, Thiobacillus

Streptomyces, Actinomyces, Micrococcus, Pseudomonas, Rhizobium

Эти названия удобны и отражают экологию, физиологию и биохимию организмов

Океаны. В пищевую цепь входят: первичные продуценты –

одноклеточные водоросли – фитопланктон, бактерии, простейшие, членистоногие, рыбы. Хотя океаны поглощают и накапливают наибольшее количество солнечной энергии, они слабо участвуют в продукции пищи; лишь 5–10% производимого на Земле белка образуется в океане. Без постоянного притока питательных веществ (нитратов и фосфатов) нет хороших уловов рыбы даже в морях и не происходит загрязнения океанов и морей при поступлении в них богатых питательными веществами сточных вод.

Сульфатредуцирующие бактерии в анаэробных зонах и микро-местообитаниях превращают повсеместно присутствующие в морской воде сульфаты в сероводород, который оказывает воздействие на все остальное бактериальное сообщество. Недостаточно изучены галофильные – морские бактерии.

В озерах и пресных водоемах имеются как аэробные, так и анаэробные зоны, разделение слоев, прогреваемого солнцем поверхностного (эмпилимнион) и холодного (гиполимнион).

Слои разделены переходной зоной – термоклином (металимнионом). Последние гиполимнион и термоклин– рай для анаэробных бактерий. При наличии сероводорода и достаточной интенсивности света ниже термоклина растут зеленые и пурпурные серобактерии, образующие второй слой с высокой первичной продукцией биомассы. Первый слой биомассы образуется в эмпилимнионе с участием цианобактерий.

Водные экосистемы являются основными экосистемами процессов образования и превращения соединений серы и метана в результате деятельности сульфатредуцирующих, метан-окисляющих и редуцирующих бактерий.

Частым отображением этого единства является нормальный симбиоз человека, а также и животных с миром микробов, например с микрофлорой кишечника, дыхательных путей, кожи и др. Сущность симбионтных состояний заключается во взаимном приспособлении организма и микроорганизмов. Тем самым обеспечиваются их взаимные интересы в отношении факторов питания, размножения, иммунитета и т. д.»

Так насколько же прочные эти симбионтные отношения «человек – микрофлора»?! То, что микрофлора человека определяет микроэкологию всего организма, ученые не спорят.

Но вот механизмы этого функционирования, уровень этого участия... Здесь еще многое предстоит узнать и доказать. Известно: облюбовав человеческий организм как постоянное место жительства, мириады микробов стали вполне приличными и даже полезными жильцами.

В целом, как и любой симбиоз, это биологическое сожительство выгодно обеим сторонам. С одной стороны, заселив в свое время человека, микроорганизмы получили приличный «пансион» – оптимальную среду для выживания и размножения, да к тому же набор питательных веществ для полного цикла жизнедеятельности.

Микроорганизмы создают три дополнительных (вторичных) потока питательных веществ:

• Модифицированные биологически активные компоненты пищи

• Продукты жизнедеятельности микроорганизмов, ценные для макроорганизма

• Модифицированные балластные и токсичные продукты

Микробы, ассоциированные с нашим организмом, выполняют свыше 10 весьма полезных для здоровья человека функций – обеспечивают естественную сопротивляемость, активируют иммунную систему, синтезируют многие жизненно необходимые для нашего организма продукты (витамины, ферменты), участвуют в обезвреживании токсичных ве­ществ.

Символически биомассу бактерий человека можно представить себе в виде своеобразного органа (экстракорпорального), а еще точнее – системы. Это и есть наша микроэкология, или эндоэкология, с которой нельзя не считаться.

Теория эволюции основана на принципе естественного отбора (конкуренции), реальные факты свидетельствуют в пользу взаимовыгодного сотрудничества. В определенных условиях лучше выживают организмы, вступившие в симбиотические отношения. При этом самыми прочными и продуктивными оказываются союзы-симбиозы, где партнеры по видовой принадлежности весьма далеки друг от друга. Ботаники могут привести классический пример симбиоза – роскошные орхидеи, которые никогда не вырастишь из продезинфицированных семян (решающую роль в их прорастании играют грибки из рода ризоктония).

3. Лоренц Гильтнер (1862–1923) придавал большую значимость почвенной бактериологии и её с\х аспектам. Введенное им понятие «ризосфера» было принято во всем мире. Он работал над изучением корневых клубеньков Alnus glutinoza, паразитов злаков и т.д.