ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ
реклама
ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Часть первая Микроорганизмы: систематика, физиология и биотехнология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Глава 1. Строение клетки. Прокариотическая клетка, ее отличия от клеток эукариот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Глава 2. Современная систематика микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1. Общие представления о систематике микроорганизмов . . . . . . . . . . . 21 2.2. Характеристика царства Vira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3. Характеристика царства Procaryotae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4. Характеристика царства Mycota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Глава 3. Рост и размножение микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.1. Клеточный цикл микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2. Питательные потребности организмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.3. Типы питания и получения энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Глава 4. Биологическое окисление у микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1. Термодинамические характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2. Биоэнергетические процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Глава 5. Основы биотехнологии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.1. Особенности микробиологического производства . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2. Требования, предъявляемые к микроорганизмампродуцентам . . . . . 81 5.3. Способы культивирования микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.4. Стадии биотехнологического производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.5. Характеристика товарных форм препаратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Часть вторая Экология микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Глава 6. Экология микроорганизмов как составная часть экологии живых существ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Глава 7. Аутэкология микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.1. Радиация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.2. Давление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.3. Температура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.4. Водная активность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 7.5. Токсические агенты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Глава 8. Биогеохимическая деятельность микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.1. Продуценты органического вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.2. Деструкторы органического вещества (редуценты) . . . . . . . . . . . . . . 134 8.3. Превращение соединений азота, серы и других элементов . . . . . . . . . . 138 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Глава 9. Формы взаимоотношений микроорганизмов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.1. Микробные сообщества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.2. Внутрипопуляционный состав и отношения микроорганизмов . . . . 173 9.3. Микробные сукцессии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Глава 10. Микроорганизмы и антропогенное изменение окружающей среды . . . . . 193 10.1. Микрофлора почвы, воды, воздуха, животных и растений . . . . . . . 193 10.2. Изменение структуры микробоценозов 10.1. под влиянием загрязнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ 239 ÂÂÅÄÅÍÈÅ И нтерес к экологии микроорганизмов продикто ван как практическими проблемами, связанными в основном с охра ной окружающей среды от загрязнений и других техногенных влия ний, так и большим кругом теоретических вопросов эволюции, си стематики, развития биосферы. За последние 40 лет в нашей стране проделана большая экспери ментальная работа, проведены наблюдения, выделены новые инте ресные формы микроорганизмов, позволившие сделать определенные теоретические заключения и наметить перспективные направления в исследовании микробоценозов. Знакомство широкой студенческой аудитории с основами эколо гии микроорганизмов методами изучения микробоценозов различных объектов среды осуществляется благодаря небольшому числу учеб ных пособий и монографий, изданных в нашей стране. Среди них — «Введение в природоведческую микробиологию» Г. А. Заварзина и Н. Н. Колотиловой, «Лекции по природоведческой микробиологии» Г. А. Заварзина и «Экология микроорганизмов» авторского коллек тива под редакцией А. И. Нетрусова. В первых двух работах рассмотрен биосферный подход к изуче нию микробных сообществ, дано представление об эволюции атмосфе ры, микробиологии водных сред обитания, амфибиальных ландшаф тов, микробиологии почвы и исторической микробиологии. В треть ей работе наряду с биосферным подходом акцентировано внимание на взаимоотношениях микроорганизмов с макроорганизмами, моле кулярной экологии микроорганизмов и методах исследования эколо гии микроорганизмов. Последовательное изучение указанных источников позволяет спе циалистам разных естественнонаучных направлений понять роль мик роорганизмов в биосферных процессах. На базе этих знаний форми ÂÂÅÄÅÍÈÅ 5 руется объективная оценка антропогенного влияния на живые объек ты природы, в том числе и микробные сообщества. Данное издание предназначено в основном для студентов аграр ных вузов, поскольку в нем более подробно рассмотрены экологиче ские проблемы сельского хозяйства. Почва является основным сред ством производства растениеводческой продукции, обеспечивающей сырье для многих отраслей промышленности и кормопроизводства; сохранение и воспроизводство почвенного плодородия остается акту альной проблемой современности. Без знания закономерностей функ ционирования микробных сообществ почвы, методов ее биоремедиа ции после антропогенных нагрузок решение указанной проблемы не возможно. Учебный материал в пособии сгруппирован в двух частях. В пер вой части дана характеристика микроорганизмов как многочислен ной группы организмов, представленной вирусами, бактериями и микромицетами. Показана роль молекулярногенетических подходов в изучении систематики микробов, а прикладное значение общетео ретических знаний изложено в главе «Основы биотехнологии». Вто рая часть посвящена собственно экологии микроорганизмов, рассмот рены вопросы аут и синэкологии, биогеохимической деятельности микроорганизмов и проблемы антропогенного изменения микробных сообществ в природе. Особое внимание уделено роли почвенного мик робного комплекса в круговороте биогенных элементов, компенсатор ных механизмов жизнедеятельности как отдельной клетки, так и це лых микробных сообществ. Для лучшего понимания изложенного в пособии теоретического материала авторы сочли возможным снабдить его значительным ко личеством иллюстраций. Поэтому в подписях к рисункам в квадрат ных скобках указан номер источника из списка литературы, откуда заимствована иллюстрация. Авторы будут благодарны читателям за ценные замечания и кри тические предложения, направленные на улучшение учебного по собия. 6 ÎÑÍÎÂÛ ÝÊÎËÎÃÈÈ ÌÈÊÐÎÎÐÃÀÍÈÇÌΠÃËÀÂÀ 1. ÑÒÐÎÅÍÈÅ ÊËÅÒÊÈ. ÏÐÎÊÀÐÈÎÒÈ×ÅÑÊÀß ÊËÅÒÊÀ, ÅÅ ÎÒËÈ×Èß ÎÒ ÊËÅÒÎÊ ÝÓÊÀÐÈÎÒ Клетки прокариот (бактерий) намного мень ше эукариотических. Многие из них имеют палочковидную фор му, кроме этого встречаются шаровидные, извитые формы, а также описанные почвенными микробиологами стебельковые, почкующиеся бактерии, имеющие звездчатую и другие причуд ливые формы (рис. 1). Диаметр клеток бактерий может состав лять 0,2–1,5 мкм, длина — 0,5–10 мкм у палочковидных и до 500 мкм — у спиралевидных. Компартментизация (дифференциация) бактериальной клетки менее выражена по сравнению с эукариотической клет кой (рис. 2). В клетке бактерий отсутствуют такие автономные структуры, как ядро, митохондрии, хлоропласты. Рис. 1 Формы одноклеточных бактерий [100]: 1 — микрококки; 2 — диплококки; 3 — стрептококки; 4 — стафилококки; 5 — сарци ны; 6 — палочковидные бактерии; 7 — спириллы; 8 — вибрионы. 8 ÎÑÍÎÂÛ ÝÊÎËÎÃÈÈ ÌÈÊÐÎÎÐÃÀÍÈÇÌΠРис. 2 Строение бактериальной клетки [1]: 1 — гранулы полиbоксимасляной кислоты; 2 — жировые капли; 3 — включения серы; 4 — трубчатые тилакоиды; 5 — пластинчатые тилакоиды; 6 — пузырьки; 7 — хромато форы; 8 — нуклеоид; 9 — рибосомы; 10 — цитоплазма; 11 — базальное тельце; 12 — жгу тики; 13 — капсула; 14 — клеточная стенка; 15 — цитоплазматическая мембрана; 16 — мезосома; 17 — газовые вакуоли; 18 — ламеллярные структуры; 19 — полисахариды; 20 — гранулы полифосфата. ÃËÀÂÀ 1. ÑÒÐÎÅÍÈÅ ÊËÅÒÊÈ. ÏÐÎÊÀÐÈÎÒÈ×ÅÑÊÀß ÊËÅÒÊÀ 9 Генетическая информация содержится в кольцевой нити ДНК — хромосоме, непосредственно граничащей с цитоплазмой, типичная для эукариот ядерная мембрана отсутствует. Длина этой нити колеблется от 0,25 до 3 мм. Гистоны не обнаружены, хромосома несет информацию как для собственной репликации за счет предшественников, поступающих из цитоплазмы, так и для синтеза белков клетки РНК — полимеразным белком с регу ляторными сигналами в виде белков — активаторов и репрессо ров, которые также поступают из цитоплазмы. В 1990х годах одним из достижений молекулярной биологии было установле ние последовательностей оснований, соответствующих некото рым генам. У ряда бактерий обнаружена и внехромосомная ДНК, пред ставляющая собой небольшие кольцевые молекулы ДНК — плаз миды. Они могут нести различную генетическую информацию, в том числе о способности клетки обмениваться генетическим ма териалом с другими клетками бактерий, о лекарственной ус тойчивости, о бактериоциногении, о патогенных свойствах бак терий (синтез энтеротоксинов, гемолизина, поверхностных ан тигенов) и др. Часть плазмид относится к конъюгативным и передается от клетокдоноров к клеткамреципиентам как пред ставителям одного вида, так и других видов и родов. Размножение бактерий происходит, как правило, путем би нарного деления одной клетки на две дочерние. В определен ных условиях после деления клетки не расходятся, образуя ха рактерные группы в зависимости от ориентации плоскостей де ления и числа делений (рис. 1). Делению бактериальной клетки предшествует репликация хромосомы, а затем хромосомы рас ходятся в дочерние клетки. Прокариоты гаплоидны (рис. 3). Рис. 3 Репликация кольцевой бактериальной хромосомы и деление бактериальной клетки В этой схеме предполагается однонаправленный механизм репликации ДНК, т. е. механизм с участием только одной репликативной вилки [100]. 10 ÎÑÍÎÂÛ ÝÊÎËÎÃÈÈ ÌÈÊÐÎÎÐÃÀÍÈÇÌΠБольшинство клеток бактерий покрыты клеточной стенкой, представленной пептидогликаном, или муреином, — гетеропо лимером, состоящим из белковых и углеводных компонентов и характерным только для прокариот. Особенности строения кле точной стенки имеют диагностический характер и определяют ся в том числе при окраске бактерий по методу Грама (см. рис. 4). Снаружи от клеточной стенки некоторые организмы покры ты капсулой. Передвижение бактерий обеспечивают специаль ные структуры — жгутики, состоящие из фибриллярных белков. Клетки, имеющие один жгутик и монополярное жгутико вание, называют монотрихами, несколько жгутиков на одном полюсе — лофотрихами, имеющие биполярное жгутикование — амфотрихами и имеющие жгутики по бокам или всей поверх ности — перитрихами (см. рис. 5). Пучок жгутиков сбоку клет ки расположен латерально. Жгутики различают по своей тол щине (12–18 нм), длине (до 20 мкм), амплитуде витка. Враща ясь, жгутики проталкивают клетку в жидкой среде. У спирилл они совершают до 3000 оборотов в минуту, а скорость движе ния холерного вибриона достигает 12 мм/мин (см. рис. 6). Кроме жгутиков, на поверхности клеток могут встречаться тонкие (3–25 нм), длинные (до 12 мкм) нити — фимбрии и пили, выполняющие различные функции, в том числе адсорбции кле ток на субстратах, передачи генетической информации при конъюгации клеток (Fпили) и др. Основные морфологические группы бактерий — шаровид ные, палочковидные, извитые — представлены на рисунке 1. Кроме того, как говорилось ранее, существуют и другие формы бактерий, например, неправильную изменчивую форму клеток или булавовидную имеют коринеформные бактерии, а у мико бактерий наблюдается тенденция к ветвлению клеток, ярко выраженная у стрептомицетов и некоторых других родов акти номицетов. Рибосомы бактерий, как и других организмов, служат ме стом синтеза клеточного белка. Они несколько меньше (70S) ри босом эукариот (80S). Это имеет решающее значение при ис пользовании антибиотиков в борьбе с инфекциями, вызванными бактериями. Их рибосомы под влиянием антибиотиков прекра щают нормально функционировать, в то время как рибосомы организма хозяина полноценно выполняют свою функцию. ÃËÀÂÀ 1. ÑÒÐÎÅÍÈÅ ÊËÅÒÊÈ. ÏÐÎÊÀÐÈÎÒÈ×ÅÑÊÀß ÊËÅÒÊÀ 11 Рис. 4 Различия в строении бактериальных клеток [84] 12 ÎÑÍÎÂÛ ÝÊÎËÎÃÈÈ ÌÈÊÐÎÎÐÃÀÍÈÇÌΠРис. 5 Основные типы жгутикования у различных родов микроорганизмов [100]: а — монополярное политрихиальное; б — монополярное монотрихиальное; в — биполярное политрихиальное; г — перитрихиальное. 1 — Pseudomonas; 2 — Chromatium; 3 — Thiospirillum; 4 — Vibrio; 5 — Spirillum; 6 — Proteus. Рис. 6 Основные типы движения бактерий [100] В связи с отсутствием автономных органелл в клетке про кариот плазматические мембраны формируют ряд структур, которые выполняют, например, функции митохондрий (мезо сомы) или хлоропластов (тилакоиды). Образование подобных структур в виде складчатых стопок, трубок, пузырьков происходит в процессе впячивания внеш ней мембраны в цитоплазму клетки. Плазматическая мембрана прокариот по своему строению сходна с таковой эукариот и состоит из двойного липидного слоя, включающего и фосфолипиды, в который встроены инте гральные белки. Периферийные белки прикреплены к поверх ности мембраны. ÃËÀÂÀ 1. ÑÒÐÎÅÍÈÅ ÊËÅÒÊÈ. ÏÐÎÊÀÐÈÎÒÈ×ÅÑÊÀß ÊËÅÒÊÀ 13 Плазматическая мембрана многофункциональна — она вы полняет следующие функции: § осмотический барьер клетки; § пассивный и активный транспорт веществ; § перенос электронов и окислительное фосфорилирование за счет ферментов, локализованных на ней; § синтез компонентов клеточной стенки и капсулы; § выделение внеклеточных ферментов (экзоферментов); § прикрепление жгутиков и др. Особенно разнообразны и многочисленны эти структуры у фотосинтезирующих бактерий, а также бактерий, ведущих хемо синтез, в связи с особенностями энергетического обмена клеток. Небольшая группа бактерий способна к образованию эндо спор, которые формируются по одной в клетке в определенных условиях. Споры достаточно термостабильны (некоторые вы держивают кипячение в течение нескольких часов) и являются защитными структурами наряду с капсулой и клеточной стен кой. В виде спор бактерии длительное время могут находиться в состоянии анабиоза. Так, в пробах почвы, хранившихся в те чение 50–100 лет, обнаружили споры некоторых видов бацилл. Основные типы спорообразования представлены на рисунке 7. Первыми были изучены спорообразующие бактерии родов Bacillus и Clostridium, поэтому их называли бациллами (рис. 8). К другим покоящимся формам бактерий относятся цисты и миксоспоры, формирующиеся из целой вегетативной клетки, а не ее части, в отличие от эндоспор. С изменениями условий жизни бактериальной клетки связа но и такое явление, как плеоморфизм — изменение формы клет ки, например от палочковидной до шаровидной, ветвление клет ки, изменение характера (угла) деления клеток и т. п., что также отличает прокариотическую клетку как саморегулирующуюся систему, меняющуюся под влиянием внешних факторов. В опре деленных условиях среды, как правило при дисбалансе субстра тов, в бактериальных клетках откладываются запасные вещест ва — полисахариды (гликоген), жиры и жироподобные соедине ния, в том числе полиbоксимасляная кислота, полифосфаты и сера. Жиры и углеводы служат источниками энергии и углерода, полифосфаты — резервом фосфора, а сера является потенциаль ным донором электронов для серобактерий. 14 ÎÑÍÎÂÛ ÝÊÎËÎÃÈÈ ÌÈÊÐÎÎÐÃÀÍÈÇÌÎÂ
