Геохимическая деятельность водных микроорганизмов. Основные физиологические группы микроорганизмов, участвующие в превращениях веществ в водоемах

 

Микробиоценозы водных экосистем представлены многочисленными в физиологическом отношении микроорганизмами, разнообразие которых является важной экологической характеристикой. В каждую физиологическую группу обычно входят разные в систематическом отношении микроорганизмы, но они объединяются общностью осуществляемых ими превращений. Основная роль в биоценозах отводится группам микроорганизмов, участвующих в круговороте важнейших биогенных элементов — углерода, азота, серы, фосфора.

Анализ физиологических групп дает возможность составить представление о соотношении микроорганизмов, осуществляющих различные физиологические процессы, и до некоторой степени судить о господствующих направлениях в этих процессах в данной (изучаемой) экосистеме.

К основным физиологическим группам бактерий, характеризующим антропогенную нагрузку можно отнести аммонифицирующие, нитрифицирующие, денитрифицирующие, углеводородокисляющие, сульфатредуцирующие микроорганизмы.

 

Питательные среды:

Евтрофные микроорганизмы - среда РПБ, РПА

Олиготрофные микроорганизмы - модифицированная среда ММС:

NaCl – 7,0 г; MgSO₄х7H₂O – 1,0 г; KCl – 0,7 г; K₂HPO₄ – 2,0 г; Na₂HPO₄ – 3,0 г; NH₄NO₃ – 1,0 г; вода дистиллированная – 1000 мл; источник углерода и энергии – 50 мг/л дрожжевого экстракта; голодный агар.

Углеводородокисляющие бактерии - модифицированная среда ММС с добавлением дизельного топлива: NaCl – 7,0 г; MgSO₄х7H₂O – 1,0 г; KCl – 0,7 г; K₂HPO₄ – 2,0 г; Na₂HPO₄ – 3,0 г; NH₄NO₃ – 1,0 г; вода дистиллированная –1000 мл; дизельное топливо – 10 мл.

Аммонификаты - среда РПБ с добавлением 3 % пептона

Нитрифицирующие бактерии - среда Виноградского:

1) I фаза: (NH₄)₂SO₄ – 2,0 г; K₂HPO₄ – 1,0 г; MgSO₄х7H₂O – 0,5 г; NaCl – 2,0 г; FeSO₄х7H₂O – 0,05 г; CaCO₃ – 5,0 г; вода дистиллированная – 1000 мл.

2) II фаза: NaNO₂ –1,0 г; K₂HPO₄ – 0,5 г; MgSO₄х7H₂O – 0,5 г; NaCl – 0,5 г; FeSO₄х7H₂O – 0,4 г; Na₂CO₃ – 1,0 г; вода дистиллированная – 1000 мл.

Теоретические сведения

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.

Круговорот азота составляют такие процессы, как азотфиксация, аммонификация, нитрификация, ассимиляционная и диссимиляционная нитратредукция. Микроорганизмы способны осуществлять все взаимопереходы форм азота.

Аммонификаторы - физиологическая группа бактерий, использующих белки и аминокислоты в качестве энергетических субстратов, что сопровождается выделением в среду аммиака.

Т.е. в процессе аэробной и анаэробной аммонификации аминогруппы органических соединений превращается в ион аммония. Биополимеры (в основном белки) предварительно гидролизуются с образованием мономеров (коротких пептидов и аминокислот). К наиболее активным аммонификаторам относятся микроорганизмы — представители родов Bacillus, Clostridium, Mycobacterium, Arthrobacter, Micrococcus,Pseudomonas, Proteus и плесневые грибы. Аммиак выделяется также при разложении мочевины уробактериями.

Нитрифицирующие бактерии. В результате аммонификации белковых веществ в почве и водоемах образуется аммиак, окисляющийся специфи­ческими микроорганизмами в две фазы

Процесс окисления аммиака в нитрат получил название нитрификацией, а бактерии названы нитрифицирующими. Эти бактерии были открыты С. Н. Виноградским, установившим, что каждая фаза окисления аммиака обусловливается деятельностью определенных микроорганизмов: первая фаза— деятельностью Nitrosomonas (окисляют аммиак до нитритов), вторая — Nitrobacter (окисляют нитриты в нитраты).

Процесс нитрификации обусловливает обогащение почвы и водоемов нитратами — наиболее доступной для растений формой азотистого питания. Нитрифици­рующие бактерии являются важным звеном в круговороте азота в природе.

Некоторая часть аммония окисляется гетеротрофно без получения энергии. В анаэробных условиях аммоний и нитрит потребляются планктомицетами, осуществляющими анаробное окисление аммония, 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.

Денитрификация широко распространённый в природе процесс восстановления нитратов до молекулярного азота, вызываемый бактериями (денитрифицирующими).

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).

Денитрификация осуществляется по схеме:

NO₃ → NО₂→ NO→ N₂O → N₂

Конечными продуктами денитрификации могут быть N₂,N₂О и NO:

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.).

Углеводородокисляющие (УВ) микроорганизмы. Углеводородокисляющие бактерии широко распространены в различных природных местообитаниях - в морских и пресных водах, а также в почвах. Известно, что среди них нет узкоспециализированных форм и они способны использовать другие доступные источники углерода и энергии - углеводы, аминокислоты, белки и другие соединения.

Однако основной вклад в процессы биохимического разрушения нефти вносят микроорганизмы, способные использовать углеводороды в качестве единственного источника углерода и энергии. Такие формы встречаются, в основном, среди аэробных микроорганизмов. Они получили название углеводородокисляющих.

К углеводородокисляющим бактериям относятся бактерии из родов Acinetobacter, Arthrobacter, Bacillus, Cytophaga, Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, Methanobacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Nocardia, Rhodococcus, Pseudomonas, Vibrio, мицелиальные грибы родов Aspergillus, Penicillium, Mucor, Fusarium, Trichoderma, дрожжи - Candida, Endomyces, Rhodotorula, Saccharomyces, Torulopsis.

Практическая работа 4