Экология микроорганизмов

↑Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы

Совокупность физико-химических условий окружающей среды составляют абиотические факторы. Жизнедеятельность любого организма возможна в определенном интервале значений каждого фактора. Этот интервал, крайние значения которого являются пределами толерантности организма, условно делят на три области. Зоной лимитирования называют область, в которой низкие значения фактора ограничивают жизнедеятельность. Оптимальная зона – это область значений, в которой жизненные показатели организма наилучшие и практически не меняются. Область избыточных значений фактора, где жизнедеятельность организма подавляется, носит название зоны ингибирования.

Обычными, или нормальными считают повсеместно распространенные условия существования. Условия, отличающиеся от нормальных крайними значениями одного или нескольких факторов, называют экстремальными, а организмы, живущие в таких условиях, - экстремофилами.

Микроорганизмы распространены повсеместно, поэтому условия их жизни чрезвычайно разнообразны. Некоторые из них способны существовать в широких пределах различных факторов, в том числе и там, где другие организмы существовать не могут. Основными абиотическими факторами для микроорганизмов являются активность воды, рН, температура, гидростатическое давление, электромагнитные излучения, наличие кислорода. Группы микроорганизмов, характеризующиеся широкими пределами толерантности, широко распространены и способны переносить значительные колебания фактора. В то же время, есть виды, приспособившиеся в процессе эволюции к существованию в специфических местообитаниях. Это высокоспециализированные группы микроорганизмов, для которых характерны узкие интервалы изменения фактора. Следует помнить, что в природе микроорганизмы испытывают на себе влияние не одного, а множества факторов сразу, поэтому необходимо учитывать их взаимодействие друг с другом.

↑Активность воды

Важным количественным показателем доступности воды, которая необходима микроорганизмам для осуществления метаболизма, является активность воды а_w. Она определяется как отношение давления паров раствора к давлению паров чистой воды. Этот показатель зависит как от самого наличия воды, т.е. от степени высушивания, так и от содержания в ней растворенных веществ. Некоторые микроорганизмы столь чувствительны к понижению активности воды, что даже не способны расти на твердых средах. Другие, называемые ксерофилами, предпочтительно растут при низких значениях а_w.

Природными средами с высокими концентрациями разных солей являются соленые и содовые озера, солонцы, солеварни, Мертвое море. При заготовке продуктов издавна используют высокие концентрации поваренной соли и сахара. Микроорганизмы, способные существовать в растворах с высокой концентрацией веществ, называются осмофилами. Наиболее изучены среди них те, которым необходимо повышенное содержание поваренной соли (галофилы). Они подразделяются на несколько групп. Галотолерантные микроорганизмы (например, из рода Streptococcus) выдерживают до 10% (2,0 М) соли в среде, но предпочитают расти при низкой ее концентрации. Слабогалофильные представители, в частности из рода Vibriо, растут при содержании соли от 2 до 5% (0,2-0,5 М). Большинство морских обитателей относится к умеренным галофилам. Интервал солености для них составляет 5-15% (0,5-2,5 М) NaCl. Экстремальные галофилы (например, галоархеи) растут при содержании соли от 15% (2,5-5,2 М) и до насыщения. Негалофильные (пресноводные) микроорганизмы растут при содержании соли не более 0,01%, а более высокие концентрации подавляют их развитие.

↑рН

Показатель кислотности среды (рН) представляет собой отрицательный логарифм концентрации ионов водорода, принимающий значения от 0 до 14. Концентрация водородных ионов воздействует на ионное состояние вещества и, следовательно, на доступность для клетки многих метаболитов, т.к. в незаряженном состоянии они легче проникают через мембрану

По отношению к оптимальным для роста значениям рН микроорганизмы делятся на ацидофильных (0-5,5), нейтрофильных (5,5-7,5) и алкалифильных (7,5-12,0). Большинство грибов и водорослей развивается при пониженных значениях рН, значительная часть цианобактерий относится к алкалифилам, а основная масса бактерий – нейтрофилы. Даже при экстремальных значениях рН окружающей среды внутри клетки поддерживается постоянная кислотность. У растительных клеток реакция цитоплазмы слабокислая (5,0-6,0), у животных ~ 7,0. Алкали- и ацидофильные микроорганизмы имеют рН цитоплазмы на уровне ~ 7,5. Поддержанию постоянного внутриклеточного рН способствует малая проницаемость ЦПМ для протонов и наличие механизмов их выброса из клетки. рН-Толерантные микроорганизмы могут в определенных пределах изменять рН среды, образуя кислые или щелочные продукты. Например, E. coli реагирует на повышение кислотности синтезом декарбоксилаз аминокислот. Образующиеся в результате амины подщелачивают среду. Наоборот, повышение рН среды стимулирует синтез дезаминаз аминокислот, что ведет к подкислению среды. Ярким примером регулирования рН среды бактериями является двухфазный процесс маслянокислого и ацетонобутилового брожения.

↑Температура

Физиологическая активность микроорганизмов в значительной степени определяется температурой окружающей среды. Для каждого микроорганизма обычно указывают минимальную, оптимальную и максимальную температуры роста. Нижние пределы роста по температуре ограничены температурой «застывания» мембраны, когда она теряет свои функции, а верхние – тепловой денатурацией жизненно важных молекул. К низкотемпературным местам обитания относятся регионы Арктики, Антарктики, тундра, глубины океанов, где температура имеет постоянное значение около +4^оС. Высокая температура поддерживается в гейзерах, вулканических источниках, на выходах вулканических горячих газов из разломов земной коры в глубинах океанов, где температура при высоком давлении может достигать +360^оС. Существуют и искусственно созданные, экстремальные по температуре места обитания (морозильные камеры, ферментеры, автоклавы и т.д.). Большинство земных организмов имеет низший температурный предел 0^оС. По отношению к температуре все микроорганизмы условно подразделяются на несколько групп (табл.).

Таблица.

Группы микроорганизмов с разными температурными пределами роста.

↑Гидростатическое давление

Большинство микроорганизмов, живущих на поверхности земли или воды, никогда не подвергаются существенным изменениям давления и растут при давлении ~ 1 атм. Но есть места, где давление значительно отличается от атмосферного. Повышенное давление в природе наблюдается в глубоких нефтяных скважинах и в глубинных зонах океанов, а в антропогенных системах – в барокамерах и автоклавах. Микроорганизмы, прекращающие рост при повышении давления, называют барочувствительными (пьезочувствительными). К баротолерантным (пьезотолерантным) относят микроорганизмы, растущие при обычном давлении, но способные переносить его повышение до 400 атм. Барофилы (пьезофилы) для нормального роста нуждаются в повышенном давлении (до 900 атм). Микроорганизмы, обнаруженные на дне Марианской впадины, где давление достигает 1016 атм, относят к экстремальным барофилам. Данных об их физиологии очень мало, поскольку работа с такими микроорганизмами требует очень дорогостоящего оборудования для взятия и доставки проб в лабораторию и последующего поддержания культур.

↑Электромагнитные излучения

Электромагнитные излучения подразделяются в зависимости от длины волны на ионизирующее и ультрафиолетовое излучения, видимую область, инфракрасное излучение и радиоволны. В зависимости от длины волны и дозы излучения могут оказывать тепловое, механическое, физиологическое действие, вызывать мутации и гибель клеток.

Ближний ультрафиолет, видимый свет и инфракрасные лучи являются движущей силой фотосинтеза (350-400-800-1100 нм). Разные фототрофные микроорганизмы поглощают свет различной длины волны в соответствии с максимумами поглощения их пигментов. Поскольку при фотосинтезе световая энергия преобразуется в энергию химических связей, то энергии излучения должно хватать на возбуждение молекулы фотосинтетического пигмента, но при этом она не должна быть избыточной, чтобы не повредить фотосинтетический аппарат. Электромагнитные волны важны для проявления фототаксиса. У некоторых микроорганизмов, не способных к фотосинтезу, обнаружены светозависимые синтезы. Например, микобактерии при росте в освещенном месте формируют колонии, окрашенные в яркие желто-красные цвета из-за синтеза каротиноидов.

Микроорганизмы весьма существенно различаются по устойчивости к радиации. Так, для микроорганизмов, выделенных из облученных продуктов и из воды атомных реакторов (Deinococcus radiodurans, Shizosaccharomyces pombe, жгутикового простейшего Boda marina), смертельная доза радиации в десятки тысяч раз превышает дозу для высших организмов. Устойчивость, по-видимому, связана с высокой эффективностью репарационных систем. Однако для большинства микроорганизмов ультрафиолет и ионизирующие излучения в определенных дозах губительны и поэтому могут использоваться для стерилизации. При этом следует помнить о возможности появления устойчивых к облучению форм. В свете этих данных перенесение микроорганизмов (особенно спор) через космическое пространство не кажется таким уж невероятным.

↑Наличие молекулярного кислорода

По своему отношению к кислороду микроорганизмы условно делятся на несколько групп. Облигатные аэробы нуждаются в молекулярном кислороде для окисления питательных веществ и осуществления аэробного дыхания. Это значительная часть микроорганизмов, живущих на различных поверхностях и в верхних слоях почвы и водоемов (например, Micrococcus luteus). При культивировании аэробных микроорганизмов необходимо создать условия доступности молекулярного кислорода, так как его растворимость в воде невелика (при 20^оС - 6,2 мл/л). Для этого применяют выращивание в тонком слое среды или обогащение ее кислородом различными способами (перемешивание, барботирование и т.д.).

Среди аэробов выделяют группу микроорганизмов-микроаэрофилов, которым кислород необходим, но в концентрации ниже атмосферной (менее 5%). Такие организмы встречаются на границе анаэробной и аэробной зон в естественных местообитаниях. К ним относятся многие тионовые и железоокисляющие бактерии (в том числе, представители родов Beggiatoa, Galionella), а также пресноводные спириллы (Spirillum volutans).

Факультативные анаэробы способны переключать свой обмен веществ в зависимости от наличия или отсутствия кислорода с аэробного дыхания на анаэробные процессы. Как правило, в присутствии кислорода такие микроорганизмы растут быстрее и накапливают больше биомассы. К факультативным анаэробам относятся Saccharomyces cerevisiae, многие энтеробактерии (E. coli) и бациллы.

Облигатные анаэробы не нуждаются в кислороде для своей жизнедеятельности, более того, в его присутствии происходит угнетение или гибель клеток. В эту группу входят метанобразующие археи, гомоацетогенные бактерии, большинство сульфатредукторов, некоторые грибы и простейшие. При культивировании облигатных анаэробов используют специальные приемы. Кислород удаляют из среды кипячением, сосуды тщательно укупоривают резиновыми пробками с металлическими колпачками, газовую фазу культивационного сосуда заменяют на азот или аргон. Для удаления следовых количеств кислорода в среду вносят восстановители (сульфид натрия) и в дальнейшем поддерживают анаэробные условия, исключая попадание кислорода при пересевах.

Группа аэротолерантных анаэробов также не использует кислород в метаболизме, однако некоторое количество кислорода в среде не влияет на их жизнедеятельность. В эту группу входят молочнокислые бактерии и некоторые патогенные стрептококки (Streptococcus pyogenes).

↑Взаимоотношения микроорганизмов с другими живыми существами

В природных условиях микроорганизмы подвержены воздействию не только физико-химических факторов, но и других живых существ (биотических факторов). Особенностью микроорганизмов можно считать их участие в биотических связях не в виде одной клетки, а в составе популяции.

Сожительство микроорганизмов с высшими организмами имеет свои особенности. Микробные клетки могут обитать как на поверхностях, так и в различных полостях и тканях высших животных и растений. Резидентные микроорганизмы постоянно присутствуют и размножаются в организме животного или растения, а транзитные могут попадать туда из окружающей среды. Симбиотические отношения с макроорганизмом основаны прежде всего на обмене продуктами метаболизма и предоставлении жизненного пространства. Прижизненные выделения и отмершие части высших организмов являются источником питания для микроорганизмов. Макроорганизм обеспечивают достаточно постоянные условия для роста микробов, и в ряде случаев защищает микробную популяцию от внешних воздействий. При образовании симбиоза с высшим организмом микроорганизмы вступают во взаимодействие с защитными системами хозяина и с другими микроорганизмами-симбионтами этого макроорганизма. Характер симбиозов макро- и микроорганизмов может быть разный. Например, болезнетворные микроорганизмы, вступая в паразитический симбиоз с макроорганизмом, наносят существенный вред своим развитием, вызывая инфекционные заболевания, а иногда и гибель организма-хозяина. Напротив, при мутуалистическом симбиозе микроорганизмы играют важную роль в жизни животных и растений, снабжая их некоторыми питательными веществами и витаминами и подавляя патогенные формы. Ни один природный макроорганизм не может нормально существовать без «дружественных» симбиотических микроорганизмов.

В природных условиях микроорганизмы практически всегда взаимодействуют прежде всего с другими микроорганизмами, являясь компонентами микробного сообщества. Микробное сообщество – это совокупность функционально различных микроорганизмов, взаимодействующих между собой в течение длительного времени и локализованных в определенном месте. Микробное сообщество характеризуется определенным видовым разнообразием, а количественные соотношения членов сообщества могут меняться во времени в зависимости от складывающихся условий. При изменении условий будет происходить сукцессия сообщества, т.е. его изменение во времени, сопровождающееся сменой доминирующих видов, колебаниями численности микроорганизмов разных групп и даже изменением состава членов сообщества. Среди функциональных дублеров будут численно преобладать те группы, физиологические параметры которых наиболее подходят к данным конкретным условиям существования сообщества.

Основой взаимодействия в любом сообществе являются трофические связи, обеспечивающие потоки вещества и энергии внутри него. В микробном сообществе преобладают кооперативные взаимодействия при использовании питательного субстрата, когда продукты метаболизма одной группы являются питательными веществами для другой. Каждая стадия цепи последовательно проводимых химических реакций окисления начального питательного субстрата в сообществе должна обеспечивать необходимой энергией осуществляющую ее группу микроорганизмов. Внутри микробного сообщества взаимоотношения регулируются различными способами и на разных уровнях. Ассоциации микроорганизмов, оформленные структурно, называются консорциумами. В них складываются тесные пространственные связи, выражающиеся в физическом контакте клеток и образовании такой интегрирующей структуры как матрикс.

Именно микробное сообщество является функциональной единицей, взаимодействующей с окружающей средой.

Примером тесных трофических связей может служить анаэробное сообщество, разлагающее биологические полимеры, например, целлюлозу. Полимеры расщепляются экзогидролазами микроорганизмов-бродильщиков I стадии (очень часто это клостридии). Образовавшиеся мономеры сбраживаются микроорганизмами, осуществляющими разные виды брожений, до органических кислот, спиртов и газов. На II стадии жирные кислоты с более чем двумя атомами углерода, и спирты с больше, чем одним атомом углерода, превращаются в ацетат и молекулярный водород. Такие реакции термодинамически не выгодны и для своего протекания обязательно требуют отвода Н₂. Микроорганизмы, выделяющие молекулярный водород, нуждаются в присутствии микроорганизмов, способных его эффективно потреблять. В пресноводных местообитаниях эту функцию выполняют метаногенные археи, в морских – сульфат- и серуредукторы. При этом осуществляется межвидовой перенос водорода (иногда формиата, ацетата) и возникает синтрофия – полная взаимозависимость микроорганизмов друг от друга в пищевых потребностях. В таких сообществах синтрофами являются облигатные восстановители Н⁺, выделяющие молекулярный водород. Они не могут существовать без микроорганизмов, удаляющих его из зоны реакции. Всегда присутствующие представители группы гомоацетогенных бактерий также способны использовать Н₂, но их вклад в подобных ассоциациях, как правило, невелик. В пресноводных местообитаниях расщепление биополимеров идет в три стадии и заканчивается образованием биогаза (метана в смеси с углекислым газом). Заключительное звено пищевой цепи представлено водородотрофными и ацетокластическими метаногенами. При вбросе большого количества доступного органического вещества в анаэробную метаногенную систему (например, в рубец жвачных животных) происходит разбалансировка цепи реакций. Из-за быстрого образования кислот значение рН падает < 6,0 и метаногены «выключаются». Следствием этого является нарушение пищеварения (ацидоз) у жвачных животных.

При сульфатзависимом расщеплении биополимеров схема действует как двухстадийная (бродильщики + сульфидогены).

В мутуалистическом симбиозе взаимоотношения основаны на взаимном улучшении обстановки друг для друга: защите от внешних воздействий, получении тех или иных питательных компонентов и преимущества в размножении. Так, в кефирных зернах дрожжи сбраживают сахара и синтезируют комплекс витаминов, необходимый для развития молочнокислых бактерий, а бактерии превращают лактозу в лактат, понижая кислотность среды и препятствуя развитию гнилостной микробиоты. Многие неподвижные фотосинтезирующие микроорганизмы постоянно обитают на поверхности подвижного сульфатредуцирующего партнера. Помимо возможности изменять положение в пространстве, такие ассоциации фотосинтезирующих микроорганизмов с сульфидогенами основаны на циклическом использовании соединений серы. Некоторые простейшие содержат в клетках в качестве эндосимбионтов клетки цианобактерий и зеленых или золотистых одноклеточных водорослей. Примерами комменсализма являются ассоциации аэробных и анаэробных микроорганизмов, где аэробы, потребляя кислород, обеспечивают условия для развития анаэробов, а сами при этом выгоды не получают. Гнилостные бактерии образуют аммиак, используемый нитрифицирующими бактериями. В этом случае имеет значение поддержание постоянного значения рН. Связь микроорганизмов, осуществляющих две фазы нитрификации, основана на том, что вторая культура превращает токсичную азотистую кислоту в менее токсичную азотную.

Паразитические симбиозы образуются с участием патогенных форм. Внутриклеточными паразитами прокариот являются вирусы, в том числе бактерио-, актино- и цианофаги, а также бактерии из родов Bdellovibrio и Campylobacter. Развитие облигатного внутриклеточного паразита в ряде случаев приводит к гибели хозяина. Так, распространенный в водоемах Bdellovibrio bacteriovorans проникает в периплазму грамотрицательных бактерий, превращается в нить и постепенно лизирует протопласт хозяина. Затем нить претерпевает множественное деление с образованием молодых вибрионов, которые после разрушения клеточной стенки хозяина выходят в окружающую среду в поиске новых жертв. Микроорганизмы рода Campylobacter подобным образом поражают клетки зеленых микроводорослей.

В настоящее время известно и подробно описано значительное число мутуалистических симбиозов микроорганизмов с животными. По отношению друг к другу партнеры-симбионты могут выполнять множество разных функций. Как правило, макроорганизм создает постоянство физико-химических параметров микробного местообитания и предохраняет внутреннюю и полостную микробиоту от неблагоприятных условий внешней среды. Микроорганизмы, в свою очередь, помогают хозяину эффективней использовать питательные вещества, защищают его от токсинов и препятствуют внедрению патогенных микробов. При совместном существовании в симбиозе жизнедеятельность и размножение партнеров скоординировано. Иногда мутуалистический симбиоз основывается на балансе между агрессивными и защитными функциями партнеров, когда часть клеток популяции микросимбионта лизируется и используется как питание.

Микробиота полостей тела животных и человека считается экзосимбионтом, поскольку занимает внешнее положение по отношению к тканям хозяина. К таким экзосимбиозам относят ассоциации, населяющие желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), ротовую полость и слизистые оболочки мочеполовой системы млекопитающих.

Для многих малоподвижных животных (асцидий, губок, коралловых полипов и др.) сожительство с фото- и хемоавтотрофными микроорганизмами расширяет их возможности получения органического питательного вещества и избавления от агрессивных продуктов метаболизма (производных мочевой кислоты, мочевины). Это, например, симбиоз асцидии и живущей вокруг ее ротовой полости цианобактерии рода Prochloron, клетки которой фиксируют СО₂ и образуют органические вещества, получая от макроорганизма защиту от внешних воздействий и дополнительное азотное питание. Трубчатые черви и двустворчатые моллюски, обитающие в сообществах «черных курильщиков» и метановых сипов, содержат в тканях симбиотические тионовые и метанотрофные микроорганизмы, снабжающие животных органическим веществом. Микросимбионтами пресноводных гидр и губок часто выступают одноклеточные зеленые водоросли. Для морских кораллов, актиний и плоских червей более характерны симбиозы с бурыми микроводорослями. Макроорганизм в таком симбиозе предоставляет микроорганизму убежище и «делится» с ним продуктами обмена, а водоросль, в свою очередь, снабжает животное продуктами фотосинтеза. Океанические креветки, обитающие в районах «черных курильщиков», существуют в симбиозе с нитчатыми тионовыми бактериями, осуществляющими синтез первичного органического вещества за счет окисления восстановленных неорганических соединений серы. Клетки бактерий прикреплены к ротовым конечностям креветок, которые передвигаясь в водной толще, помещают свой «бактериальный огород» в область, оптимальную для роста микроорганизмов по физико-химическим факторам. Часть микробной популяции креветки соскребают с конечностей и используют в пищу.

Многие моллюски, глубоководные рыбы и другие животные имеют светящиеся органы, в которых находятся фотобактерии. Микроорганизмы в составе такого симбиоза получают защиту и благоприятные условия для питания, а для животных свечение может играть важную роль в привлечении объектов охоты, а также полового партнера. У более 50 видов рыб имеется специальный орган – бактериофор, содержащий светящиеся бактерии. В поддержании их жизнедеятельности важную роль играет секрет, выделяемый эпителием бактериофора. Инокуляция этого органа бактериальной культурой из морской воды и последующее удаление продуктов метаболизма и погибших клеток осуществляется через выводной проток, соединенный с внешней средой напрямую или через кишечник. Бактериофор часто снабжен особыми приспособлениями для управления интенсивностью и направленностью света. Это могут быть отражающие слои кристаллического гуанидина, участки прозрачных тканей, выполняющие функцию светособирающих линз или светофильтров, различные проводящие свет структуры, а также образования, похожие на веко, прикрывающее бактериофор, и мышцы, поворачивающие его темной стороной наружу.

Ночной тропический кальмар, активный в лунные ночи, использует симбиотических морских фотобактерий для защиты от нападения хищных рыб. Ежедневно с наступлением сумерек светящиеся бактерии вместе с морской водой засасываются в специальный орган кальмара. Подвижные клетки фотобактерий прикрепляются к его внутренней оболочке, теряют жгутики и начинают быстро размножаться. При этом бактерии питаются белками, которые вырабатывает оболочка светящегося органа животного. По достижении микробной популяции определенной плотности интенсивность свечения возрастает. Свет, отбрасываемый по направлению ко дну, делает кальмара менее заметным на фоне лунного неба. Утром светящийся орган кальмара сокращается и выбрасывает клетки фотобактерий наружу. Тем самым животное способствует активному расселению фотобактерий в толще воды.

Термиты могут питаться таким веществом как целлюлоза только в симбиозе с микробным сообществом. Кишечник термитов, преимущественно заднюю кишку, населяют целлюлозоразрушающие микроорганизмы, образующие ацетат, основной энергетический субстрат насекомого. Микробиота кишечника высших термитов представлена, в основном, прокариотами, у низших термитов значительную часть составляют жгутиковые простейшие. В сообществе задней кишки термитов обнаружены также актиномицеты и риккетсии. Многие анаэробные микроорганизмы являются компонентами синтрофных ассоциаций.

Муравьи-листорезы разводят в своих муравейниках «грибные сады». Кусочек грибной колонии рабочие муравьи периодически переносят на свежую массу пережеванных ими листьев, удобренных экскрементами. Они поддерживают в «грибном саду» оптимальный воздушный режим, открывая и закрывая вентиляционные отверстия в муравейнике. Через 1,5 месяца часть подросшего мицелия грибов рабочие муравьи скармливают личинкам, а переработанные листья помещают в «помойную яму». Затем они добавляют свежие листья и удобряют их фекалиями. Для усиления роста грибов муравьи разрывают мицелий на куски и инокулируют ими питательный субстрат. Для защиты «сада» от патогенных грибов муравьи несут на поверхности тела плотные гранулы ветвящихся актинобактерий, которые образуют антибиотик. В определенный период специальные железы муравьев образуют вещества, стимулирующие рост актиномицета. Посевной материал передается из поколения в поколение: молодая самка, отправляясь в брачный полет, берет с собой кусочек грибницы. До появления в новом муравейнике рабочих муравьев самка сама ухаживает за «грибным садом» и подкармливает грибами появившихся личинок.

У жвачных млекопитающих (крупного рогатого скота, коз, овец, жирафов, верблюдов) желудочно-кишечный тракт имеет сложное строение, при этом особое значение приобретает четырехкамерный желудок. Одна из его секций, рубец, содержащий огромное количество микроорганизмов, обеспечивает животным возможность питаться практически безбелковой пищей. Сам рубец и слюна не содержат целлюлаз, и только в результате деятельности целлюлозоразрушающих микроорганизмов образуются жирные кислоты (формиат, ацетат, пропионат, бутират), которые усваиваются животными. Микроорганизмы утилизируют также выделяющиеся СО₂ и Н₂. Метаногены превращают их, а также ацетат и формиат в метан. Из аминокислот при разложении биомассы микроорганизмов в дальних отделах кишечника строится белок жвачных животных. Рубец населен разнообразными бактериями и археями, а также простейшими и грибами. В ротовой полости животного растительная пища смачивается слюной и заглатывается. Дополнительное смачивание и механическое измельчение непереваренных остатков осуществляется при отрыгивании пищевого комка и его длительном пережевывании. Путем отрыгивания удаляются также образовавшиеся газы. Основное расщепление целлюлозосодержащего корма происходит в рубце, который является идеальным местом для роста анаэробных микроорганизмов, обеспечивая их «непрерывное культивирование» при постоянной температуре (37-39^оС) и рН~6,5-7,0. Объем рубца у коровы составляет от 80 до 100 л. Нормальная микробиота рубца содержится в рубцовой жидкости и выстилает поверхность слизистой оболочки. Подсчитано, что в 1 г содержимого рубца присутствует до ~10¹² клеток прокариот. Небольшое количество кислорода, попадающего в рубец с пищей, быстро потребляется имеющимися в сообществе факультативно анаэробными микроорганизмами. Поддержанию оптимального значения рН способствует бикарбонат слюны, однако, быстрое накопление жирных кислот, например, лактата, может приводить к значительному закислению. Рубцовые прокариоты существенно различаются по чувствительности к изменениям рН. Целлюлозолитические бактерии и метаногенные археи очень чувствительны к понижению рН, тогда как бактерии, расщепляющие крахмал, обычно рН-резистентны. Некоторые рубцовые прокариоты являются высокоспециализированными группами, а другие обладают широкой субстратной специфичностью. Показано, что значительной численности (~10⁷ клеток на 1 г содержимого) в рубце достигают представители 20 видов прокариот, однако, биоразнообразие бактерий и архей этого уникального местообитания оценивается значительно выше. Молекулярные методы и прямое микроскопическое наблюдение свидетельствуют, что видов прокариот в рубце в 10-100 раз больше, чем удается получить путем культивирования в лабораторных условиях.

Паразитический симбиоз – это совместное существование, при котором один из партнеров (паразит) живет за счет другого (хозяина) и может наносить ему вред. Значительную часть паразитических симбиозов формируют микроорганизмы, обладающие свойством вызывать болезнь (патогенностью). Болезнетворные (патогенные) микроорганизмы имеются среди вирусов, бактерий, грибов и простейших. Микроорганизмы-возбудители одного вида могут различаться по степени патогенности (вирулентности). Авирулентные штаммы могут не причинять вреда организму хозяина, тогда как высоковирулентные представители, отличающиеся значительной агрессивностью, всегда вызывают заболевание. Для большинства болезнетворных микроорганизмов характерна специфичность действия: определенный вид возбудителя обычно вызывает конкретное инфекционное заболевание. Для осуществления агрессии паразит должен обладать особыми соединениями и структурами – факторами патогенности, каждый из которых отвечает за конкретную стадию развития инфекционного процесса. Прикрепление паразита к клеткам макроорганизма, последующие размножение и расселение возбудителя обеспечиваются факторами адгезии и колонизации, представленные поверхностными структурами микробной клетки или вирусной частицы. С помощью факторов инвазии, часто являющихся белками наружной мембраны возбудителя, осуществляется его проникновение в ткани и клетки хозяина. За «сдерживание» иммунных реакций хозяина ответственны защитные факторы, способствующие уменьшению фагоцитоза и обеспечивающие молекулярную мимикрию возбудителя путем имитации некоторых метаболитов и структур клеток макроорганизма. Факторы агрессии (ферменты, токсины) разрушают защитную систему хозяина, ослабляют макроорганизм и способствуют распространению возбудителя.

Степень зависимости возбудителя от хозяина может быть разной. Для облигатных паразитов макроорганизм служит единственной средой обитания. Они наиболее тесно связаны с хозяином и никогда не осуществляют жизнедеятельность во внешней среде. К облигатным внутриклеточным паразитам относятся вирусы, в том числе бактериофаги, хламидии и риккетсии. Факультативные паразиты способны определенное время существовать во внешней среде в процессе смены хозяина или в некультивируемом состоянии. Так, Vibrio cholerae может длительно сохраняться в водоемах. Внешняя среда является обязательной и обычной средой обитания для случайных паразитов (сибиреязвенных бацилл, легионелл и др.), которые при попадании в макроорганизм могут вступать в паразитический симбиоз и убивать хозяина. Наличие паразитической стадии в таком случае не играет существенной роли для сохранения в природе.

Отношения, возникающие между микроорганизмами и растениями, базируются как на обмене метаболитами, так и на обеспечении физического контакта. Микроорганизмы играют существенную роль в процессах почвообразования, т.е. создают среду обитания для растений. Разложение сложных биологических полимеров микроорганизмами возвращает в окружающую среду соединения, необходимые для роста и развития растений. В процессе связывания молекулярного азота, свойственного только прокариотам, почва обогащается доступными для растений азотными соединениями. Грибы способны обеспечивать растения соединениями фосфора. Специфические микробные метаболиты могут влиять на скорость роста растений. Источником питания и средой обитания для микроорганизмов могут быть поверхностные и внутренние структуры растения, их мертвые остатки, а также различные прижизненные выделения. Микроорганизмы получают пространство для роста, возможность перемещения и распространения вместе с частями растения, а в ряде случаев и защиту от внешних воздействий. Растения определенным образом способны влиять на микробную ассоциацию, выделяя вещества-аттрактанты или репелленты. Оболочка, а часто и внутренние структуры семени уже несут клетки или покоящиеся формы микроорганизмов. Среди них наиболее часто встречаются представители таких родов аэробных и анаэробных бактерий, как Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Agrobacterium, Erwinia, Pseudomonas, Xanthomonas, Streptomyces и др., а также грибов, относящихся к родам Aspergillus, Botrytis, Claviceps, Fusarium, Acremonium, Penicillium, Puccinia, Trichothecium, Phytophtora, Verticillium, Ustilago и др., среди которых есть и фитопатогенные. При прорастании семени в благоприятных физико-химических условиях метаболические процессы в нем и в микробной популяции, с ним связанной, значительно активизируются. Метаболиты, выделяемые как микроорганизмами, так и семенем, обладают определенной специфичностью, стимулируя или сдерживая рост различных групп микроорганизмов и влияя на процессы роста и развития молодого растения. Кроме того, при образовании проростка часть популяции микроорганизмов механически выносится из почвы в воздушную среду. Поэтому при анализе взаимоотношений растений и микроорганизмов их традиционно делят на внутрипочвенные и надземные.

Развивающаяся корневая система, проникая вглубь почвы, вступает во взаимодействие с почвенными микроорганизмами, животными и корнями других растений. Вокруг корня формируется особый экзосимбиоз – так называемая ризосфера. Это окружающее корень пространство почвы (примерно от 0 до 8 мм в диаметре), характеризующееся более высокой плотностью микроорганизмов. Количество микробных клеток в ризосфере может превышать их число в окружающей почве даже на порядок. Пространство поверхности корня часто определяют как отдельное местообитание микроорганизмов, называемое ризопланой. При колонизации поверхности корня микроорганизмами могут быть задействованы специальные механизмы прикрепления.

Стимуляция роста микробного сообщества ризосферы происходит за счет продуктов жизнедеятельности корневой системы растения (корневых депозитов, ризодепозитов). Они состоят из корневых экссудатов (выделений), высокомолекулярных метаболитов и утраченных частей растения (слущивающихся клеток, отмерших участков корня, корневого чехлика и т.д.). Корневые экссудаты представляют собой низкомолекулярные органические вещества (сахара, спирты, органические и аминокислоты, витамины, гормоны и т.д.), а высокомолекулярные метаболиты включают полисахаридные и белковые слизи и ферменты. В виде корневых депозитов «теряется» более 40% углерода, зафиксированного в процессе фотосинтеза. Наиболее интенсивная «утечка» таких веществ происходит в зоне растяжения корня при его росте. В присутствие потенциальных патогенных микроорганизмов некоторые растения образуют фитоалексины, обладающие специфической антимикробной активностью. Растение также способствует изменению физико-химических условий среды обитания микроорганизмов, оказывая механическое воздействие на почву, выводя через свою сосудистую систему ряд газов (например, метан на рисовых чеках) и транспортируя кислород в анаэробные участки почвы вокруг корня. Развиваясь на корневых депозитах растения, ризосферные микроорганизмы в процессе метаболизма и после отмирания микробных клеток образуют питательные вещества в формах, доступных для использования растениями. Состав и количественные соотношения компонентов микробного сообщества ризосферы зависят как от вида растения, так и от места его произрастания. Создание корневой системой растения благоприятной среды обитания для микроорганизмов путем повышения уровня питательных веществ приводит не только к увеличению численности микробной популяции, но иногда и к заметным изменениям в составе микробного сообщества. Успешно колонизируют ризосферу стрептомицеты, способные к антибиотикообразованию. Они могут конкурировать с быстрорастущими ризосферными бактериями, такими как псевдомонады и бациллы. К тому же прокариоты с мицелиальной организацией могут осваивать более сухие почвы, чем одноклеточные формы, которым для осуществления движения необходима водная пленка. Сообщество ризосферы всегда включает простейших и нематод, которые привлекаются высоким уровнем развития бактерий и грибов в этой области почвы.

Микроорганизмы в почве концентрируются на поверхности органического материала и отличаются слабой метаболической активностью из-за ограниченной доступности питательных веществ. При росте корня сквозь почву вокруг кончика увеличивается содержание доступных питательных веществ за счет корневых выделений, что способствует активизации микробного роста и высвобождению доступных для растения форм азотных соединений. Возросшая численность микроорганизмов ризосферы привлекает почвенных простейших, которые питаются микробными клетками, при этом треть «бактериального азота» выделяется в виде иона аммония. Часть аммония поглощается растущим корнем. Микроорганизмы также образуют ферменты, способствующие минерализации сложных органических соединений до простых форм, доступных растениям. Микроорганизмы ризосферы оказывают влияние на растение не только путем преобразования сложных органических веществ в доступную для растения форму, но и за счет стимуляторов роста (например, гиббереллинов), которые воздействуют на морфологию и физиологию растения, а также других специфических метаболитов, например, этилена, вызывающего раннее цветение. В присутствии патогенных микроорганизмов микроорганизмы ризосферы могут синтезировать различные биоконтролирующие агенты (антибиотики, ферменты, сидерофоры и др.), подавляющие рост нежелательной микробиоты. Продуценты таких агентов относятся к родам Pseudomonas, Bacillus, Agrobacterium, Trichoderma и др.

Биотехнологическое использование ризосферного симбиоза рассматривается в настоящее время в двух аспектах:

1. фиторемедиация загрязненных вод и почв; и
2. модификация ризосферного микробного сообщества для создания благоприятных условий развития сельскохозяйственных растений.

В первом случае успешная биодеградация ксенобиотиков происходит именно в симбиозе микроорганизмов с растением, причем возможна генно-инженерная модификация как микробного компонента, так и самого растения для повышения активности трансформации трудноразлагаемых веществ. Во втором случае предполагается введение в сообщество как микроорганизмов, активирующих развитие растения (азотфиксаторов, продуцентов стимуляторов роста), так и поставщиков биоконтролирующих агентов, сдерживающих проникновение и рост патогенных микроорганизмов. Интродуцируемые организмы могут быть выделены из окружающей среды или «сконструированы» в лаборатории.

Микоризу (или актиноризу), т.е. симбиоз между корнями растений и мицелием грибов (или актиномицетов), уже можно рассматривать как частичный или полный эндосимбиоз, поскольку мицелий проникает внутрь тканей или даже клеток корня. При совместном существовании мицелиальный компонент выполняет функцию дополнительных корневых волосков, а также снабжает растение аммонийными формами азота, разлагая почвенную органику. Растение, в свою очередь, поставляет грибу или актиномицету готовые сахара. За счет освоения бόльшего объема почвы с помощью мицелия микориза (актинориза) существенно увеличивает поглощение влаги, фосфатов и других минеральных веществ растением, а также обеспечивает защиту растения от болезней и тяжелых металлов. Мицелиальный компонент этого симбиоза способен синтезировать антимикробные соединения и сдерживать колонизацию и инфицирование корня фитопатогенными микроорганизмами. Для образования микоризы необходимо присутствие обладающих комплексом гидролаз бактерий-помощников, облегчающих проникновение гиф гриба в клетки корня. Традиционно микоризу подразделяют на два типа. Эктомикоризу образуют сотни видов грибов, преимущественно базидиомицетов, вступая в симбиоз с древесными растениями (сосна, дуб и др.). Мицелий гриба оплетает корень растения, образуя мантию. Внутренний слой мантии связан с гифами, внедрившимися между клетками эпидермиса и кортекса корня и сформировавшими мицелиальную сеть. Эндомикориза образуется, в основном, зигомицетами, вступающими в ассоциацию с множеством растений, в том числе вересковыми и орхидными. Гифы гриба проникают через оболочки кортикальных клеток растения и формируют дихотомически разветвленные структуры, называемые арбускулами. В других клетках кортекса корня гифы грибов могут образовывать пузыревидные вздутия (везикулы). Арбускулы и везикулы считаются основным местом обмена питательными веществами между растением и грибом.

Ярким проявлением мутуалистического симбиоза микроорганизмов и растений можно считать процесс симбиотической азотфиксации, при котором микроорганизм обеспечивает растение связанными формами азота, а растение снабжает микроорганизм питательными веществами и энергией и защищает нитрогеназный комплекс от действия кислорода. Микроорганизмы, способные к симбиотической азотфиксации, относятся к родам Rhizobium, Bradyrhizobium, образующие клубеньки на корнях бобовых растений, и Frankia, вступающие в симбиоз с некоторыми двудольными древесными растениями (береза, ольха, облепиха и др.). Корневые волоски бобовых растений образуют аттрактанты флавоноидной природы, которые специфично привлекают микроорганизмы и запускают синтез микробных Nod-факторов, обеспечивающих взаимодействие с растением. Микроорганизмы также синтезируют лектины, участвующие в адгезии бактериальных клеток на поверхности корня, и стимуляторы роста растений (индолилуксусную кислоту и ее аналоги). Стимуляция роста поверхностных слоев клеток корневого волоска приводит к его спирализации, при этом микроорганизмы оказываются внутри спирали. Размягчение оболочек поверхностных структур корня под действием фермента полигалактуроназы дает возможность бактериальным клеткам проникнуть внутрь клеток растения и сформировать инфекционную нить. В тетраплоидных клетках кортекса корня инфекционная нить распадается на удлиненные образования неправильной формы (бактероиды). При этом тетраплоидные клетки интенсивно размножаются и образуют наросты (клубеньки) на корнях растений. Внутри клубеньков и происходит процесс симбиотической азотфиксации, которая сопровождается совместным синтезом сложного соединения леггемоглобина, белковую часть которого образует растение, а гемовую – бактерия.

Мицелиальный организм рода Frankia, проникая в клетки корня растения, стимулирует локальное разрастание тканей корня с образованием клубеньков. При этом гифы внутри корня образуют разветвления и раздуваются на концах, превращаясь в везикулы, осуществляющие фиксацию молекулярного азота.

При росте растений в местах с низким содержанием связанного азота повышается значение азотфиксирующих ризосферных бактерий родов Azotobacter, Azospirillum иAzoarcus, осуществляющих ассоциативную азотфиксацию.

Количество эпифитных микроорганизмов, обитающих на надземной части растения, сравнимо с численностью микроорганизмов в почве и достигает 10⁸ клеток на 1 г листовой массы. Пространство вокруг надземных частей растения, а также ткани этого растения образуют филлосферу, в которой выделяют собственно поверхность растения, называемую филлопланой. Состав микробного сообщества филлосферы ничем принципиально не отличается от сообщества, присущего семенам растений. Среди его представителей отмечены как сапротрофные, так и патогенные виды. Состав и численность конкретного микробного сообщества филлосферы зависит от вида растения и от сочетания физико-химических факторов среды его обитания. Микроорганизмы, обитающие на листьях растений, помимо упомянутых выше, относятся к родам Beijerinkia, Enterobacter, Zymomonas, Acetobacter, Gluconobacter, Methylobacterium, Frateuria, Rhodotorula и др. При прорастании состав и количественные соотношения компонентов микробного сообщества, вынесенного в воздушную среду из почвы, будет меняться под влиянием факторов окружающей среды. Меняется и расположение клеток микроорганизмов на поверхности листа: некоторые распределяются диффузно, другие образуют скопления вокруг устьиц. Это основные места обмена растения метаболитами с окружающей средой, где осуществляется газообмен, выделение летучих и нелетучих соединений, служащих питательными субстратами для микроорганизмов. Через устьица также могут проникать патогенные микроорганизмы и выделяться фитонциды, соединения антимикробного действия, подавляющие развитие микроорганизмов. Такие вещества способны синтезировать хвойные деревья, чайные кусты, растения чеснока, лука, пряно-вкусовые растения и т.д.

↑Микроорганизмы как часть экосистемы

В природных условиях микроорганизмы никогда не существуют в виде чистых культур. Разнообразие микробных функций в природе определяется их повсеместным распространением и широтой метаболических возможностей. Основными функциями микроорганизмов в природных местообитаниях являются:

1. минерализация органических веществ до СО₂, NH₃, H₂, CH₄, H₂O и др. в различных физико-химических условиях;
2. поставка доступных питательных веществ (в виде экзометаболитов, запасных соединений, живой и мертвой биомассы) для других организмов (микробные клетки содержат все биогенные элементы, в том числе в среднем 50% углерода, 14% азота и 3% фосфора);
3. модификация и перевод в растворимую или газообразную форму сложных соединений, становящихся доступными для других организмов, путем преобразования их в реакциях микробного обмена веществ или опосредованно (за счет изменения физико-химических условий среды, например, при выделении микроорганизмами кислот);
4. выделение соединений, активирующих или подавляющих функционирование других микроорганизмов, растений и животных (стимуляторов роста, бактериоцинов, антибиотиков, токсинов и т.д.). По способности выполнять определенные функции микроорганизмы подразделяют на физиологические (функциональные) группы.

Повсеместное распространение микроорганизмов определяется разнообразием их свойств и способов взаимодействия с окружающей средой. Микроорганизмы могут использовать в качестве источников углерода и энергии практически любые вещества. Системы микробной регуляции позволяют эффективно управлять перестройкой метаболизма при изменении условий окружающей среды. Предельные значения физико-химических факторов для микроорганизмов существенно превышают такие показатели для более высокоорганизованных живых существ.

Каждый вид в природе занимает определенное местообитание с конкретным набором абиотических и биотических факторов и выполняет определенную функцию. Функциональное и пространственное положение вида в экосистеме называют его экологической нишей. Для успешного сосуществования виды, занимающие одинаковое местообитание, должны различаться фукциональными характеристиками.

Микробные местообитания имеют сложный и постоянно меняющийся характер и зависят от градиентов концентраций питательных и токсических веществ и значений лимитирующих факторов (температуры, рН, света, доступности воды и т.д.). Поэтому экологических ниш для микроорганизмов - бесконечное множество, но именно сочетание вышеперечисленных факторов определяет экологическую нишу для конкретного микроорганизма, где он преобладает. Для точной характеристики местообитания микроорганизма нужно учитывать его микроокружение, т.е. комплекс факторов в непосредственной близости от микробных клеток. Многие специализированные группы микроорганизмов существуют в таких условиях микроокружения, что испытывают минимальную конкуренцию со стороны других микроорганизмов.

В среде обитания микроорганизмы могут находиться как в свободном (взвешенном в воде), так и в прикрепленном состоянии. При этом значительно отличаются физическое окружение и поведение микробных клеток. В свободном состоянии пребывают, в основном, молодые активно подвижные микроорганизмы в стадии расселения. В природных местообитаниях большинство микроорганизмов предпочитают расти в прикрепленном состоянии, так как на границе раздела фаз концентрация веществ обычно выше из-за их адсорбции. Прикрепление нитчатых форм к твердым поверхностям с образованием косм можно наблюдать в текучих водах. При этом один конец нити с помощью специальных структур закрепляется на твердом субстрате, а другой свободно колышется в текущей воде. Более сложное образование называется биопленкой. Формирование биопленки начинается с образования монослоя из клеток одного вида, обладающего высокими адгезивными свойствами. Слизистые выделения этих клеток способствуют прикреплению других микроорганизмов. В зависимости от особенностей обитания микроорганизмов (свет, наличие питательных веществ и скорости диффузии) структура биопленки может усложняться. Могут образоваться слои, представленные различными типами микроорганизмов, микроколонии, погруженные в общий полисахаридный матрикс, и смешанные клеточные агрегаты. Такая сложная пленка развивается как трехмерная структура, компоненты которой связаны внутренними порами и сквозными каналами. Биопленка может разрастаться до макроскопического размера, образуя микробный мат. Иногда слои микроорганизмов имеют различный цвет, и тогда структура мата видна невооруженным глазом. Такие маты часто формируются на поверхности камней или осадков в сверхсоленых и пресноводных озерах, лагунах, горячих источниках и морских прибрежных областях. Состояние клеток в биопленках значительно отличается от состояния свободноживущих клеток. В составе агрегатов микроорганизмы находятся в тесном соседстве и погружены в матрикс. Матрикс – это продукт жизнедеятельности микробного сообщества, состоящий из поверхностных клеточных структур и экзометаболитов, в основном, полисахаридной природы. Он является средой обитания клеток и выполняет определенные функции в сообществе. Физико-химические условия матрикса отличаются от условий в водных растворах. Матрикс ограничивает поступление из окружающей среды вредных факторов и концентрирует в себе питательные вещества, продукты обмена и сигнальные молекулы. Поступление веществ к клеткам осуществляется не только путем диффузии, но и через каналы и поры в матриксе. В разных частях агрегата, состоящего даже из микроорганизмов одного вида, клетки находятся в различном физиологическом состоянии из-за разницы в притоке питательных веществ. Ограниченность пространства и тесное соседство микробных клеток в составе агрегатов приводит к более быстрому обмену продуктами жизнедеятельности. Матрикс не только пространственно удерживает микробные клетки, но и связывает их между собой. Сохранение формы под действием внешних нагрузок позволяет ему защищать клетки от механических повреждений и «смягчать» колебания физико-химических факторов, обеспечивая стабильное микроокружение. Матрикс способствует дифференциации клеток внутри популяции и может обеспечивать «коллективные» реакции («чувство кворума»). По достижении определенной плотности клеток в ограниченном пространстве матрикса накапливается сигнальное вещество, действующее на все клетки популяции и приводящее к «коллективному» ответу. В сообществе, содержащем несколько видов микроорганизмов, реакции будут значительно более сложными.

Важнейшей земной экосистемой является почва. В почвенной микробиологии экосистему почвы считают продуктом сложных взаимоотношений между химическими и физическими процессами, происходящими в чрезвычайно гетерогенной среде с меняющимися условиями, и живыми существами, представляющими почти все формы жизни.

Почва, с одной стороны, сама является результатом действия комплекса физико-химических и биологических факторов, а с другой, – обладает полифункциональностью, открытостью и способностью к самоорганизации и поддерживает постоянный циклический процесс воспроизводства жизни на Земле.

Органические компоненты почвы накопились и продолжают аккумулироваться в настоящее время за счет роста и репродукции фототрофных организмов. Основные продуценты в почвенных экосистемах – это растения, хотя водоросли, цианобактерии и хемолитотрофные бактерии также вносят свой небольшой вклад в этот процесс. Плодородие почвы, т.е. ее способность поддерживать рост растений, зависит не только от химического состава почвы, но в значительной мере определяется метаболической активностью почвенных микроорганизмов. Разрушение органического вещества почвы под действием разнообразных групп бактерий и грибов приводит к превращению малорастворимых биополимеров в более растворимую мономерную форму. Дальнейшая конверсия мономеров в неорганические ионы сопровождается сукцессией почвенных микробных популяций. При этом последовательно образующиеся субстраты выступают как источник энергии, углерода и других биогенных элементов для роста и развития микроорганизмов, участвующих в процессах разрушения органического материала почвы. Деградация может происходить как в присутствии, так и в отсутствии кислорода, причем в анаэробных условиях в процессе участвуют как микроорганизмы-бродильщики, так и анаэробно дышащие группы. Органические продукты брожения могут мигрировать в аэробные местообитания, где будут подвергаться окислению и поддерживать рост аэробных бактерий, архей и грибов. Анаэробное дыхание – это один из способов получения энергии для ряда гетеротрофных бактерий, архей и, возможно, некоторых грибов и простейших, сопровождающийся разрушением почвенной органики. Образующиеся неорганические вещества потребляются хемолитоавтотрофными микроорганизмами, которые продуцируют новую биомассу. Микробная масса почвенных микроорганизмов также подвергается разрушению, являясь важным источником питательных веществ для множества других обитателей почвы. В почвах формируются уникальные местообитания для многих организмов (бактерий, грибов, простейших, водорослей, насекомых, нематод, мелких животных). Все эти организмы необходимы для формирования и поддержания почвы.

Ряд органических компонентов почвы разрушается крайне медленно и, как правило, не поддается полной минерализации. За счет медленного и неполного разложения лигнина и микробных клеточных стенок формируется важная органическая фракция почвы – гумус, характеризующийся низкой растворимостью и наличием ароматических химических группировок в молекуле. Органическое вещество, постоянно прибавляющееся в виде растительных и животных остатков, постепенно трансформируется в стабильный, богатый питательными веществами гумус почвенными микроорганизмами.

Почвы содержат множество поверхностей, которые влияют на доступность питательных веществ и взаимодействия различных микроорганизмов. Различный размер пор делает их в разной степени доступными для использования и колонизации.

Распределение микроорганизмов по почвенному профилю связано с изменением концентрации органического материала и значений физико-химических факторов с глубиной. В большинстве почв высокое содержание органики наблюдается в поверхностных слоях, а с увеличением глубины возрастает количество глины. Обычно плотность микробной популяции снижается от поверхности вглубь из-за уменьшения содержания органического углерода и молекулярного кислорода. Участки почвы вокруг корней растений характеризуются более высокими плотностями микробных популяций, высокими значениями микробной биомассы и более значительным уровнем общей микробной активности. Окислительно-восстановительные условия и доступность тех или иных акцепторов электронов в значительной степени определяют, какие группы микроорганизмов будут обитать в данной почве.

Почвы формируются в различных условиях окружающей среды. Там, где происходит выветривание нового геологического материала либо после извержения, либо после землетрясения, начинается колонизация его микроорганизмами. Пионерами здесь являются цианобактерии, способные к фотосинтезу и азотфиксации. Большую роль в формировании и функционировании почв играют грамположительные актинобактерии, имеющие разную степень ветвления и развития мицелия. Характерный почвенный запах зависит от выделяемого ими вещества геосмина. Эти группы играют важную роль в расщеплении углеводородов, ископаемых растительных материалов и почвенного гумуса. При анализе микробного «населения» почвы следует помнить, что в настоящее время удается культивировать только около 1-10% почвенных микроорганизмов. Некультивируемые формы можно выявлять с помощью молекулярно-биологических методов, экстрагируя микробную ДНК и амплифицируя ее в полимеразных цепных реакциях с последующим определением последовательности нуклеотидов в гене, кодирующем 16S рРНК.

Почвенными считают микроорганизмы, которые хотя бы часть своего жизненного цикла проводят в почве. Это представители всех трех филогенетических доменов Bacteria, Archaea и Eukarya. Почвенные бактерии и грибы – это две наиболее обширные как по биомассе, так и по численности группы. Археи, включая метаногенов, экстремальных галофилов и экстремальных термофилов, также представлены, но их значение в почвах, не характеризующихся экстремальными параметрами и не подвергнутых избыточному обводнению, плохо изучено. На заливных почвах возрастает роль фототрофных бактерий и зеленых водорослей. Многие микроорганизмы в почвах находятся в метаболически инертном состоянии, однако при возникновении благоприятных условий их активность может существенно повышаться. Вирусы, которые являются облигатными внутриклеточными паразитами многих почвенных обитателей, могут персистировать в почве годами. В микробной популяции почвы они могут играть регулирующую роль.

Почвенные микроорганизмы оказывают положительное влияние на атмосферу, разрушая воздушные «загрязнители» такие, как метан, водород, СО, бензол, трихлорэтилен, формальдегид. Почвенные микроорганизмы влияют на глобальное содержание разных газов. Относительно стабильные газы (СО₂, NO, N₂O, метан) 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.

↑Вода

Вода – другое естественное место обитания микроорганизмов, где они могут находиться как в физиологически активном состоянии, так и в виде покоящихся форм. Органическое вещество может образовываться непосредственно в водоеме (автохтонное), а может попадать в водоем извне (аллохтонное). Водные микроорганизмы осуществляют в водоемах замкнутые циклы основных элементов, так как в микробных сообществах представлены и первичные продуценты органического вещества (эу- и прокариотические фотоавтотрофы и прокариоты-хемоавтотрофы), и консументы (простейшие), и деструкторы (большинство гетеротрофных прокариот и грибов). Водные микроорганизмы присутствуют как в планктоне, так и в бентосе, прикрепляясь к плавающим частицам и обитая в донных осадках.

Наиболее интересным открытием оказалось присутствие в морских местообитаниях большого количества вирусов и архей, причем около ⅓ пикопланктона (клетки <2 мкм) составляют археи, традиционно приписываемые к экстремальным местообитаниям. В морях обнаружен сверхвысокий уровень ультрамикробактерий (нанобактерий), в основном рода Sphingomonas, которые могут проходить через 0,2 мкм мембранный фильтр. Кроме того, что они обладают поразительной устойчивостью к голоданию, они так малы, что не поедаются даже нанофлагеллятами.

Водоем поделен на множество экологических ниш. В поверхностной зоне преобладают микроорганизмы, обладающие способностью находиться во взвешенном состоянии: клетки, имеющие жгутики, простеки, прикрепительные диски, газовые вакуоли, или организмы малых размеров. Доминирующими формами здесь являются олиготрофы и простекобактерии родов (Hyphomicrobium, Planctomyces, Blastobacter, Pasteuria, Caulobacter, Asticacaulis, Prosthecomicrobium, Seliberia, Prosthecochloris и др.) и оксигенные фотосинтетики (водоросли и цианобактерии). К типично планктонным бактериям относятся спириллы. 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 органического вещества. В водоемах с повышенной соленостью наблюдается заметная первичная продукция органического вещества за счет хемоавтотрофии. Основная масса органического вещества (как синтезированного в водоеме, так и привнесенного извне) разлагается в аэробной водной толще (до 10 м глубины) и не достигает дна.

В поверхностном слое ила обитают прикрепленные или скользящие микроорганизмы. 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.

↑Микроорганизмы и атмосфера

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».

↑Глобальные циклы основных биогенных элементов (углерода, азота, серы, фосфора, железа)

Потоки элементов на Земле осуществляются по замкнутому пути в виде взаимосвязанных и взаимозависимых циклов, протекающих как в масштабе всей планеты, так и в каждой отдельной экосистеме. Микроорганизмы способны осуществлять все реакции глобальных циклов и поэтому являются основными биогеохимическими агентами. Для удобства микробные превращения важнейших элементов рассматривают отдельно друг от друга, хотя в природе превращения отдельных элементов не происходят автономно.

На Земле основным циклом считают цикл углерода, сопряженный с циклом кислорода. Первичная продукция органического вещества происходит путем автотрофной ассимиляции углекислого газа за счет энергии Солнца высшими растениями, фототрофными микроорганизмами, способными к оксигенному и аноксигенному фотосинтезу, и прокариотами-хемолитоавтотрофами. Часть углекислого газа включается в органические вещества путем микробной гетеротрофной фиксации СО₂. В метаболизме всех живых существ (животных, растений, микроорганизмов) присутствуют реакции преобразования одних органических соединений в другие. Пути деструкции органического вещества до углекислого газа зависят от наличия молекулярного кислорода в среде. Молекулярный кислород появляется в процессе оксигенного фотосинтеза высших растений, водорослей и цианобактерий при использовании воды как донора электронов. В присутствии кислорода органические вещества окисляются в процессе аэробного дыхания до СО₂, замыкая круговорот углерода. Кислород при этом восстанавливается до Н₂О. В анаэробных условиях углекислый газ выделяется при брожениях и может восстанавливаться облигатно анаэробными группами метаногенных архей и гомоацетогенных бактерий с образованием метана и ацетата, соответственно. Метан, мигрируя из анаэробной в аэробную зону, превращается в углекислый газ метанотрофами. Ассоциациями метаногенов и сульфатредукторов некоторая часть метана может окисляться анаэробно. Образуемая при гомоацетогенезе и разных типах брожения уксусная кислота потребляется ацетокластическими метаногенами. Угарный газ, в основном, абиогенного происхождения, используется карбоксидотрофными микроорганизмами. Нарушение баланса между процессами продукции и деструкции может приводить к накоплению отдельных форм углерода в экосистеме и «уводу» их из круговорота на длительное время. Так, в водных системах (особенно в морских) ионы Са²⁺ могут соединяться с карбонатными (СО₃^2-) ионами, образуя нерастворимые неорганические отложения (известняки). Возвращение углерода в цикл в этом случае может происходить либо путем химического выветривания пород, либо за счет действия кислых микробных метаболитов, растворяющих карбонаты. Вывод углерода из цикла осуществляется и в форме трудноразлагаемых органических соединений природного или антропогенного происхождения. К природным отложениям относят гумус, состоящий из продуктов неполного разложения лигнина, а также образующиеся при недостатке кислорода и накоплении кислот полезные ископаемые (торф, каменный уголь, нефть, газ). К синтетическим трудноразлагаемым соединениям следует отнести огромное количество сложных органических ксенобиотиков таких, как пластики, пестициды, красители и др. Создание и производство таких соединений в значительных объемах приводит к выведению из глобального цикла углеродсодержащих веществ. С другой стороны, антропогенная деятельность по добыче и сжиганию полезных ископаемых способствует возвращению углерода в круговорот путем их быстрой минерализации. В настоящее время особенно остро стоит проблема безопасной деструкции устойчивых ксенобиотиков.

В состав первичных органических веществ, в частности белков, наряду с углеродом должны включаться также азот и сера. В природе азот присутствует в составе минеральных солей, в форме органических соединений и в виде газообразного молекулярного азота. Молекулярный азот составляет 78% земной атмосферы, но большинству живых организмов он доступен только в связанной форме. К фиксации молекулярного азота способны только прокариотические микроорганизмы, без которых цикл азота не мог бы замкнуться. Круговорот азота составляют такие процессы как азотфиксация, аммонификация, нитрификация, ассимиляционная и диссимиляционная нитратредукция. Микроорганизмы способны осуществлять все взаимопереходы форм азота. В процессе аэробной и анаэробной аммонификации аминогруппы органических соединений превращаются в ион аммония. Биополимеры (в основном, белки) предварительно гидролизуются с образованием мономеров (коротких пептидов и аминокислот). К наиболее активным аммонификаторам относятся почвенные и патогенные микроорганизмы – представители родов Bacillus, Clostridium,Mycobacterium, Arthrobacter, Micrococcus, Pseudomonas,Proteus и плесневые грибы. Аммиак выделяется также при разложении мочевины уробактериями. Аммонийный азот в аэробных условиях окисляется для получения энергии нитрификаторами первой фазы с образованием нитритов, которые используются нитрификаторами второй фазы, продуцирующими нитраты. Некоторая часть аммония окисляется гетеротрофно без получения энергии. В анаэробных условиях аммоний и нитрит потребляются планктомицетами, осуществляющими Анаммокс, с образованием молекулярного азота. Аммоний может также ассимилироваться микроорганизмами в реакциях аминирования и переаминирования. Растения, некоторые бактерии и грибы способны к ассимиляционной нитратредукции, приводящей к включению иона аммония в вещества клетки. Многие факультативно анаэробные микроорганизмы в анаэробных зонах активно осуществляют нитратное дыхание (диссимиляционную нитратредукцию). Например, восстановление нитратов до нитритов характерно для некоторых видов родов Bifidobacterium и Pseudomonas. Представителям родов Bacillus,Paracoccus, Pseudomonas свойственно восстанавливать нитраты через ряд продуктов до газообразного азота (осуществлять денитрификацию). Замыкает цикл азота прокариотический процесс азотфиксации, происходящий как в аэробных, так и в бескислородных условиях. Азотфиксаторы обнаружены во многих группах микроорганизмов (среди цианобактерий, метилотрофов, членов родов Clostridium, Azotobacter, Rhizobium и др.).

Микроорганизмы способны осуществлять все реакции глобального цикла серы, основными формами которого являются серусодержащие органические вещества, сероводород, элементарная сера и сульфаты. Сероводород повсеместно образуется при разложении белка путем отщепления SH-групп (десульфуризации). В аэробных условиях тионовые бактерии окисляют его до элементарной серы и далее до сульфата. Сероводород и элементарную серу в качестве доноров электронов при фотосинтезе используют аноксигенные фототрофы и некоторые цианобактерии. Некоторые археи и сульфатредукторы способны проводить диспропорционирование элементарной серы, при котором одновременно происходит окисление одной ее части с образованием сульфата и восстановление другой – с образованием сероводорода. В процессе ассимиляционной сульфатредукции сульфат восстанавливается до сульфида, включаемого в органические вещества клетки. В анаэробных зонах окисленные формы серы используются микроорганизмами в качестве конечных акцепторов электронов при сульфатном и серном анаэробном дыхании.

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.

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.