Предмет изучения экологии микроорганизмов

Экология микроорганизмов – наука, изучающая развитие микробов в их естественной среде обитания, механизмы приспособления микробов к экстремальным условиям, участие микроорганизмов в минерализации органических веществ, регуляции газового состава атмосферы, в очистке окружающей среды от токсичных веществ, в поддержании плодородия почвы, в образовании полезных ископаемых, в получении кормовых и пищевых продуктов, топлива, химических реактивов и лекарственных препаратов

Термин «экология» образован двумя греческими словами: oikos – дом и logos – наука. Экология – это всеобщая наука о биосфере, которая в настоящее время приобрела особое значение.

По Э. Геккелю, предложившему в 1866 г. этот термин, экология – это наука об отношениях организмов и окружающей среды. Степень приспособляемости вида к изменениям условий среды называют экологической валентностью.

Таким образом, экология микроорганизмов – наука о взаимоотношениях микроорганизмов друг с другом и с окружающей средой.

Поскольку вероятность размножения некоторых патогенных микроорганизмов в окружающей среде не вызывает в настоящее время сомнений, возникают естественные вопросы: как они могут размножаться в столь различных условиях обитания, включающих организмы теплокровных животных и человека, с одной стороны, и объекты окружающей среды – с другой; какие генетико-биохимические механизмы определяют столь большие адаптационные возможности бактерий, такую широкую их метаболическую пластичность?

Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы включает действие температуры, влажности, излучения молекулярного кислорода и влияние химических веществ. В ответ на неблагоприятные факторы бактерии проявляют разнообразные адаптивные реакции.

Как и все существа, микроорганизмы вступают во взаимоотношения в микробиоценозах (Биоценоз (греч. bios –жизнь, foinos – сообщество) – это сообщество организмов разного уровня – животных, растений, микроорганизмов. Бактерии являются компонентами любых биоценозов. Биоценозы являются объектами исследований общей экологии и специальной науки биоценологии. Сообщество, включающее только микроорганизмы, можно обозначить термином ценоз, или микроценоз. Микроценозы могут быть самостоятельными или являться элементами биоценоза. Их разнообразие иногда значительно даже в пределах ограниченной территории.). Типы взаимоотношений могут быть различными.

Микроорганизмы заселяют практически всю биосферу, поэтому они обнаруживаются и проявляют жизнедеятельность в почве, воде, на/в организмах других видов.

Исследователи, занимающиеся проблемами экологии микро­организмов, доказали, что среда обитания последних охватывает весьма широкие зоны биосферы, часто с экстремальными усло­виями обитания, где не могут развиваться ни растения, ни жи­вотные. Микроорганизмы найдены в самых глубоких слоях океа­на, где рядом с подводными термальными источниками они фор­мируют новые оазисы жизни, не основанной на первичной фототрофной продукции органического вещества, а полностью зави­сящей от образования органического вещества в результате дея­тельности хемолитотрофных микроорганизмов. В толще скальных пород на глубинах 4—6 км микроорганизмы осуществляют «водо­родный» и «метановый» циклы. Наконец, микроорганизмы обна­ружены высоко в горах, вплоть до высоты 8 км.

Микроорганизмы часто рассматриваются в качестве первых обитателей Земли. Впервые за живыми микроорганизмами на­блюдал под микроскопом А. Левенгук в 1776 г., а роль их в пре­вращениях химических веществ и возникновении болезней была доказана в работах Л. Пастера и Р. Коха в конце XIX столетия. Постулаты Коха создали надежную основу для изучения роли микроорганизмов в инфекционном процессе. Хотя термин «эко­логия микроорганизмов» («микробная экология») стали широко использовать в 60-х годах XX в., экологически ориентированные работы с микроорганизмами проводили уже давно. Еще Левенгук обнаружил микроорганизмы в каплях дождевой воды (их ес­тественное местообитание) и выявил действие перца на микро­бы (влияние окружающей среды). Большой вклад в развитие общей микробиологии внесли русский микробиолог С. Н. Виноградский (1856—1953) и голландский микробиолог М. Бейеринк (М. Beijerinck, 1851—1931).

Для выделения в лабораторных условиях группы бактерий с определенными свойствами С. Н. Виноградский предложил создавать специфические (элективные) условия, дающие возможность преимущественного развития данной группы организмов. Поясним это примером. С. Н. Виноградский предположил, что среди микроорганизмов есть виды, способные усваивать молекулярный азот атмосферы, являющийся инертной формой азота по отношению ко всем животным и растениям. Для выделения таких микроорганизмов в питательную среду были внесены источники углерода, фосфора и другие минеральные соли, но не добавлено никаких соединений, содержащих азот. В результате в этих условиях не могли расти микроорганизмы, которым необходим азот в форме органических или неорганических соединений, но могли расти виды, обладавшие способностью фиксировать азот атмосферы. Именно так С. Н. Виноградским в 1893 г. был выделен из почвы анаэробный азотфиксатор, названный им в честь Л. Пастера Clostridium pasteurianum.

Пользуясь изящными методическими приемами, в основу которых был положен микроэкологический принцип, С. Н. Виноградский выделил из почвы микроорганизмы, представляющие собой совершенно новый тип жизни и получившие название хемолитоавтотрофных. В качестве единственного источника углерода для построения всех веществ клетки хемолитоавтотрофы используют углекислоту, а энергию получают в результате окисления неорганических соединений серы, азота, железа, сурьмы или молекулярного водорода.

С. Н. Виноградский и М. Бейеринк являются основоположниками экологического направления микробиологии, связанного с изучением роли микроорганизмов в природных условиях и участием их в круговороте веществ в природе.

Последующее развитие микробиологии было связано с посто­янным выделением микроорганизмов из их природных местообита­нии, определением метаболитического потенциала и изучением их роли в биогеохимических циклах азота и серы. Микроорганизмы стали находить в каждой пробе воды, почвы, воздуха, у животных и растений. За последние 30 лет стало понятно, что из определенных мест выделяют определен­ные микроорганизмы с определенными функциями. Тот факт, что в пробах, взятых в природе, почти никогда не находят микроор­ганизмов в виде чистых культур, позволил сделать вывод о взаи­модействии микробных популяций друг с другом и микроокружением, с его быстро изменяющимися физико-химическими пара­метрами.

В большинстве своем современные экологи были вначале зоо­логами, ботаниками или микробиологами. Это обстоятельство приводило их к специализации в области экологии растений или животных (макроэкология) или экологии микроорганизмов.

Не вызывает сомнений, что в будущем экология микроорга­низмов интегрируется в общую экологию, но этот процесс по­требует длительного времени. Одной из причин исторического раз­деления макро- и микроэкологии являются значительные разли­чия в методологическом аппарате этих двух частей одной науки. Макроэкологи используют полевые наблюдения и количествен­ные оценки состава и разнообразия видов в качестве основного методического подхода. Лабораторные исследования лишь помо­гают им обрабатывать данные и позволяют проводить некоторые химические анализы. Напротив, эколог-микробиолог помимо сбора образцов для анализа мало что может сделать в поле. Основную работу он проводит в лаборатории.

Хотя микроорганизмы часто не попадают в поле зрения клас­сических экологов вследствие своего малого размера и быстрых скоростей размножения, они имеют значительные преимущества как объекты при изучении динамики популяций.

Экология микроорганизмов имеет дело с популяциями и взаи­моотношениями популяций в их экологических нишах. Наиболее полно и глубоко в этом плане изучена микробиология рубца жвач­ных животных.

Субстрат микроорганизмы промежуточный продукт

микроорганизмы

Пищевые цепи, подобные этим, приводящие к разложению мортмассы, обнаружены в морских и пресноводных осадках, а так­же в системах очистки стоков в анаэробных метантенках.

Новые методы исследований показали, что в природе чистые культуры составляют лишь ме­нее 0,1 % от общего количества.

Толчком к развитию методов экологии микроорганизмов по­служили также исследование космического пространства и поиск микробной жизни на других планетах. Проверку приборов и сис­тем, которые были призваны определить наличие жизни вне Зем­ли, проводили в жестких условиях высокой или низкой темпера­туры, высокого давления или экстремальной солености и кислот­ности среды. Такие тесты позволили обнаружить жизнь микробов в Антарктике при -36 °С (озера Восток, Антарктида), на дне океанов при давлении более 800 атм, в горячих вулканических, наземных и подводных источниках при рН 0,5, солености 30%о и температуре до 113°С.

Развитие экологии как науки пошло по различным направле­ниям в зависимости от того, какие именно факторы внешней среды выбирали исследователи в качестве объекта изучения. Так обосо­билась «факториальная экология», предмет которой — изучение влияния внешних физико-химических условий (абиотических факто­ров) на организмы. Иногда ее называют аутэкологией (от англ. «out» — внешний). Самостоятельным направлением стала синэкология, изучающая взаимоотношения организмов данного вида с окружающими их особями других видов, т. е. влияние биотических факторов на эти организмы.

Возникли и другие направления экологии, существенно дополнившие наши представления о предмете и содержании этой науки. Прежде всего популяционная экология (демэкологию), объектом которой является уже не индивидуальный организм, а популяция. Она рассматривается как некоторая целостность, т.е. система «надорганизменного» уровня со свойствами, не сво­дящимися к сумме свойств отдельных индивидуумов. В свою оче­редь, популяции как составные части (подсистемы), связанные разнообразными биотическими отношениями, образуют сообще­ство, или биоценоз.

1.2 Аутэкология (абиотические факторы)

Предмет Аутэкологии — изучение влияния внешних физико-химических условий (абиотических факто­ров) на организмы. Иногда ее называют аутэкологией (от англ. «out» — внешний). Абиотические факторы по их физической природе и механиз­му действия на организмы могут принципиально отличаться друг от друга, тем не менее, характер зависимости показателей жизне­деятельности организма от уровней этих факторов при всем их многообразии во многом очень сходен.

Реакция организма на изменение любо­го внешнего фактора может зависеть от степени воздействия других факторов. Подобная зависимость действия одного фактора от уровня другого называ­ется взаимодействием факторов.