Тема 14. Биология и микробиология

Современная биология представляет комплекс, систему наук. Для уяснения биологических основ развития, жизнедеятельности и экологии конкретных представителей животного и растительного мира неизбежно обращение к общим вопросам сущности жизни, уровня его организации, механизмам существования жизни во времени и пространстве.

В контексте микробиологии окружающей среды нас интересует экология микроорганизмов.

Основной единицей в экологии является экосистема. В нее входят как биотичес­кие, так и а биотические компоненты. Биотические компоненты составляют сообще­ство организмов или биоценоз. В данном случае речь идет о сообществе различных популяций микроорганизмов. Абиотические компоненты - это физические и химиче­ские условия экосистемы, в которых живут организмы. Размеры микробных экосис­тем разнообразны. Это может быть, например, пруд, озеро или корневая система какого-то растения. Возможны и такие малые экосистемы, как ротовая полость человека, рубец жвачного животного или участок кишечника. Все жизненное пространство нашей планеты, или биосферу, можно рассматривать как гигантскую экосистему. Иногда ту или иную экосистему называют "окружающая среда". Место­обитание в пределах экосистемы - это тот участок или жизненное пространство, в котором живет данный организм (индивид или популяция). Для каждого микроорга­низма (организма) можно указать как минимум одно местообитание, в котором оно обычно встречается, растет, развивается. Например, донные отложения водоемов, плодородная почва, носовая полость или кишечник человека или животного. Как правило, существует одно определенное местообитание в рамках одной экосисте­мы, но может быть и несколько, каждое в отдельной экосистеме. Например, метано-образущие бактерии могут жить в морских отложениях, в рубце животных или в метантенках очистных установок.

Экологическая ниша - отражает не место в пространстве, а функцию какого-то вида в сообществе организмов. Функция обусловлена специфическими потребнос­тями в пище, устойчивостью к условиям среды и т. п. Например, в рубце жвачных животных могут расти и выполнять функцию расщепления целлюлозы только целлюлозолитические бактерии, которые осуществляют это в анаэробных условиях. Они должны быть устойчивы к температуре желудка, к присутствию жирных кислот, ферментов, газов и т. п.

Согласно концепции Вернадского, микроорганизмы, встречающиеся в экосисте­мах, подразделяются на две категории: автохтонные и аллохтонные. Автохтонные -типичные обитатели данной экосистемы и присутствуют там всегда, например, бактерии кишечной группы (в кишечнике), нитрифицирующие бактерии (в почве), обитатели горячих водных источников и т. д. Такая специфичность обусловлена наличием определенных питательных веществ, соответствующей температурой, реакцией среды и другими условиями.

Аллохтонные (зимогенные) микроорганизмы появляются случайно при повы­шенной концентрации питательных веществ или при добавлении определенных ве­ществ. Такие виды присутствуют в экосистеме временно или пребывают в состоянии покоя (вездесущие почвенные бактерии и водные бактерии). В нормальных услови­ях в почве или воде развивается большое число видов. Нормальными условиями считаются нейтральная рН, обилие питательных веществ и воды. Чем больше отклонений, тем меньше разнообразия видов, но зато выше численность какого-нибудь одного вида. В экстремальных экологических системах (горячие источники, соленые озера) преобладают организмы, приспособившиеся к экстре­мальным условиям. Это относится к крайне термофильным, галофильным, алка-лифильным, осмофильным и другим экстремальным микроорганизмам.

Водные экосистемы.

Типичными водными экосистемами являются океаны, моря, озера, пруды и проточные водоемы.

Морская микробиология - наука молодая. Первичными продуцентами органических веществ в море служат одноклеточные водоросли -фитопланктон. В пищевую цепь вхо­дят бактерии, простейшие, членистоногие и рыбы. Хотя океаны поглощаютнаибольшее количество солнечной энергии, но образуют всего 5-10% белка, произво­димого на Земле. Продуктивность распределена неравномерно: открытый океан, зани­мая 90% водной поверхности, дает всего 0,7% улова рыбы, прибрежные зоны - 54%.

В водной среде происходят такие же превращения веществ, как и в почве, одна­ко имеются и специфические особенности.

Толща воды в водоемах содержит питательные вещества в сильно разбавленном виде, поэтому в ней обитают виды, приспособившиеся к этим условиям. (На искусст­венных средах растут при их сильном разбавлении). В толще вод развиваются автотрофы - зеленые и пурпурные бактерии, планктонные водоросли. Вместе с ними встречаются и гетеротрофы, которые используют органические вещества отмирающих автотрофов. Встречаются также и обычные почвенные бактерии, чем ближе к берегам, тем их больше. В загрязненных прибрежных водах количество их достигает сотен тысяч и млн. в 1 мл. В воде содержится значительное количество О₂ (пополняют планктонные водоросли, автотрофы).Они выделяют кислород в процес­се фотосинтеза. Поэтому в воде могут идти процессы глубокого окисления. На дне водоемов меньше О₂ и ниже температура. Здесь процессы окисления замедлены - в результате образуется большое количество объемистых продуктов неполного окис­ления - ила или сапропеля. Микробы только на самой поверхности ила - в форме пленки, под ней условия анаэробные.

Микроорганизмы в водоемах являются пищей для планктонных животных, кото­рые в свою очередь являются пищей для рыб, т. е. микроорганизмы - важнейшая часть пищевой цепи, поэтому необходимо изучать состав микроорганизмов водо­емов, учитывать их количество, биохимическую активность.

Через воду передаются возбудители желудочно-кишечных заболеваний.

В водоемах закрытого типа (пруды, озера) наблюдается определенная законо­мерность в распределении бактерий: в прибрежной зоне их больше, по вертикали наиболее обильно заселена 10-100 см глубина. На глубине 200 м в морях, океанах -они практически отсутствуют. Ключевые воды и артезианские колодцы содержат в пределах 10 штук в 1 мл.

Наука об озерах и прудах (лимнология) позволила лучше понять частичные кру­гообороты веществ и живых организмов и их интеграцию. Озера и более мелкие пресные водоемы представляют собой хорошо отграниченные, легко поддающиеся описанию экосистемы. В них имеются как аэробные, так и анаэробные зоны.

Схематичный вертикальный разрез озера - пример водной экосистемы. Слой температурного перепада (термоклин) отделяет аэробную область от анаэробной. В обеих областях осуществляется первичное образование органических веществ путем фотосинтеза (по Шлегелю).

Роль микроорганизмов в повышении продуктивности и самоочищении водоемов.

Микроорганизмы играют важную роль в продуктивности водоемов, особенно озер и водохранилищ, постоянно обогащающихся органическими веществами с суши. Разложение органических веществ осуществляется в первую очередь бакте­риями, число которых в рыбоводных прудах достигает 3-6 млн./мл, а биомасса -2-8 г/куб, м. Но при попадании со сточными водами в пруды органических удобре­ний (навоз, трава и др.) биомасса достигает 30 г/куб, м. Источником питания для бактерий, кроме органических веществ, попадающих извне, служат также органиче­ские вещества отмирающего фитопланктона (водоросли) и водных растений. Бактерии включаются в пищевую цепь: их поглощают дафнии, коловратки и другие беспозвоночные, которые в свою очередь служат пищей для рыб.

Следовательно, роль бактерий в продуктивности водоемов заключается в передаче энергии и питательных веществ по пищевой цепи. Также велика роль микроорганизмов в круговороте биогенных элементов в водоемах, который осуществляется по тому же принципу, что и в почвах.

В настоящее время водоемы - как пресные, так и морские нередко испытывают перегрузку в загрязнении промышленными и бытовыми сточными водами. Охрана водоемов от загрязнений становится одной из важнейших проблем экологии. Разли­чают естественные загрязнения и загрязнения, связанные с деятельностью человека (отходы промышленности, радиоактивные вещества, нефтепродукты, пестициды и др. ). В связи с этим важное значение приобретают вопросы изучения процессов биологического самоочищения водоемов. Под самоочищением понимают биологи­ческие и физико-химические процессы, приводящие к восстановлению качества воды. Физико-химическое самоочищение осуществляется путем осаждения взвешенных частиц и веществ и окисления растворенных соединений кислородом, содержащимся в воде.

Биологическое самоочищение водоемов является результатом жизнедеятельно­сти комплекса микроорганизмов, которые живут в воде и выполняют функцию по обезвреживанию и окислению поступающих в водоем загрязняющих веществ. Начальные этапы процесса самоочищения осуществляют микроорганизмы: бакте­рии, грибы и ряд простейших, питающихся растворенными органическими вещест­вами. Многие водные животные - низшие ракообразные, коловратки и др. поедают бактерий, простейших и др.

Очищение воды, в т. ч. сточных вод, от органических и неокисленных минераль­ных загрязнений с помощью микроорганизмов осуществляется в аэробных и анаэробных условиях. Клетчатка, фенолы, углеводороды нефти и т.д. в аэробных условиях окисляются до Н₂О, С0₂, Н₂, нитратов и сульфатов.

В анаэробных условиях процессы протекают замедленно и очистка затрудняет­ся. Могут накапливаться токсичные вещества - H₂S, меркаптаны, аммиак и пр. Биологическая очистка сточных вод производится на специальных участках - полях орошения и полях фильтрации. Но при избыточном загрязнении сточных вод такого способа не всегда бывает достаточно. Создаются специальные сооружения аэроб­ной биологической очистки - биофильтры и аэрофильтры. При выпуске неочищен­ных или недостаточно очищенных сточных вод в водоемы условия жизни его естест­венного населения резко изменяются. Многие отмирают, на смену им развиваются другие.

Степень загрязнения водоема органическими веществами называется сапроб-ностью. В месте стока сточных вод развивается множество сапрофитов и активно протекают процессы гниения и брожения. Полисапробная зона - когда число бактерий достигает несколько млн. в 1 мл воды.

По мере минерализации органических веществ уменьшается количество сапрофитов до 10⁵-10⁴ в 1 мл. Мезосапробная зона. В такой воде начинают развиваться другие организмы - простейшие, коловратки, водоросли и другие.

В дальнейшем сапрофитные бактерии постепенно отмирают, вследствие потреб­ления пищи, развития водорослей, поедания их коловратками, простейшими и т.д. В водоеме постепенно восстанавливается естественная фауна и флора. Олигосапробная зона. В ней количество сапрофитов составляет всего 10²-10¹ клеток на 1 мл. Такой процесс очищения водоема от органических загрязнений и сапрофитов называется естественным очищением. Интенсивность его зависит от количества поступающих в водоем загрязнений, их состава, количества О₂, температуры и других условий.