УДК 579(075.8)ББК 28.4я73

Е60

Р е ц е н з е н т ы :кафедра биологии почв факультета почвоведения

Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова(зав. кафедрой д-р биол. наук, академик РАЕН Д. Г. Звягинцев);

д-р биол. наук, проф. Н. С. Егоров(кафедра микробиологии биологического факультета

МГУ им. М. В. Ломоносова)

Е60Емцев, В. Т.

Микробиология: учебник для вузов / В. Т. Емцев, Е. Н. Ми-шустин. — 5-е изд., перераб. и доп. — М. : Дрофа, 2005. —445, [3] с.: ил.

ISBN 5-7107-7750-1Учебник состоит из двух разделов: «Общая микробиология» и «Сельско-

хозяйственная микробиология».В первом разделе представлено строение микроорганизмов, их система-

тика и основные свойства.Второй раздел посвящен практическому использованию микроорганиз-

мов в различных технологических процессах сельского хозяйства.Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям

и специальностям агрономического профиля. Может быть полезен специали-стам сельскохозяйственного производства.

УДК 579(075.8)ББК 28.4я73

ISBN 5-7107-7750-1 © ООО «Дрофа», 2005

Предисловие

Данный учебник предназначен студентам вузов, специализи-рующимся в различных технологиях сельскохозяйственных пред-приятий.

Учебник состоит из двух разделов: «Общая микробиология»и «Сельскохозяйственная микробиология».

В первом разделе рассмотрено строение микроорганиз-мов, их систематика и основные свойства. Главное внимание уделе-но прокариотам; из числа эукариотных организмов дана характерис-тика водорослей, простейших и микромицетов.

В главах раздела изложены основные положения генетикимикроорганизмов, преимущественно бактерий, закономерности ихвзаимодействия с факторами окружающей среды, различные типыпитания, общие закономерности обменных реакций у микроорга-низмов. Конкретные микробиологические процессы превращениявеществ и их возбудители рассматриваются в качестве звеньев кру-говоротов биогенных элементов в природе.

Второй раздел — «Сельскохозяйственная микробиология» —подвергся существенной переработке по сравнению с 4-м изданием(1993 г.). В связи с выходом в свет новых современных учебниковпо почвоведению, агрохимии и агроэкологии были сокращены гла-вы о роли микроорганизмов в процессах почвообразования, систе-мах использования почвы.

В то же время представленные в последнем издании учебникаданные о характере реакций почвенных микроорганизмов на дейст-вие эколого-географических факторов, являющиеся этапными дляотечественной почвенной микробиологии, сохранены в его новойредакции и должны рассматриваться как обязательный элементпроцесса обучения микробиологии будущих специалистов сельскогохозяйства.

Второй раздел учебника главным образом посвящен практи-ческому использованию микроорганизмов в различных технологи-ческих процессах сельского хозяйства. Особое внимание уделеномикроорганизмам, применяемым при производствве биопрепаратов(биостимуляторов, биофунгицидов, биоинсектицидов и т. д.) длясельского хозяйства и биоремедиации.

Подробно изложены вопросы использования микроорганиз-мов и микробиологических методов в решении экологических проб-лем сельского хозяйства: биоочистки животноводческих стоков,переработки твердых отходов сельского хозяйства и пищевых произ-водств; рассмотрены перспективы применения микробной биотех-нологии для комплексной охраны окружающей среды.

Большинство материалов второго раздела учебника основанына новейших достижениях экологической биотехнологии и поэтомупредставляют интерес не только для студентов, но и для специалис-тов сельскохозяйственного производства.

Всем, кто хочет более основательно изучить отдельные про-блемы общей и сельскохозяйственной микробиологии, будет поле-зен приведенный в конце книги список монографий, учебникови различных руководств.

Введение

Микробиология (от греч. mikros — малый, bios — жизнь, logos —наука) — наука о мельчайших, невидимых невооруженным глазоморганизмах, называемых микроорганизмами, или микробами.

Микробиология как наука изучает морфологию, систематикуи физиологические особенности микроорганизмов, условия их жиз-недеятельности, роль в природе и жизни человека. Микробиологиразрабатывают способы использования полезных микробов в сель-ском хозяйстве и промышленности, средства и методы борьбы с па-тогенными микроорганизмами, вызывающими болезни растений,животных и человека.

Микроорганизмы можно обнаружить только при помощи оп-тического или электронного микроскопа. Максимальное увеличе-ние оптического микроскопа составляет 3000. Это позволяет разли-чать частицы размером не менее 0,1—0,2 мкм1. Современныеэлектронные микроскопы имеют разрешающую способность до0,15 нм2, что дает возможность видеть не только мельчайшие орга-низмы, но и тонкие структуры клеток. Подобный микроскоп увели-чивает рассматриваемый объект в 750 000 раз.

Мир микроорганизмов в природе весьма разнообразен. Зна-чительное их число представлено бактериями, в том числе циано-бактериями (синезелеными водорослями). Многочисленную группумикроорганизмов составляют грибы. К особой группе ультрамик-роскопических организмов относят вирусы, не имеющие клеточногостроения и служащие возбудителями различных болезней растений,человека и животных. Известны и ультрамикроскопические парази-ты микроорганизмов, так называемые фаги, иначе еще называемыевирусами микробов. Микробиология изучает также многочислен-ных простейших животных (протозоа) и водоросли, имеющие мик-роскопические размеры.

Микроорганизмы широко распространены в природе. Онипостоянно присутствуют в почвах, водоемах, на поверхности и вну-три тела человека, животных и растений, в пищевых продуктах, воз-

1 1 мкм (микрометр) = 10 -3 мм = 10 -6 м.2 1 нм (нанометр) = 10-3 мкм = 10-6 мм = 10 - 9 м.

духе и т. д. Микроорганизмы можно выявить и в песках пустынь, иво льдах Арктики и Антарктики, в воде и иле морей и океанов, наскальных породах высоко в горах и в глубине шахт.

Широкое распространение микроорганизмов свидетельствуетоб их огромной роли в природе. При их участии происходит разло-жение различных органических веществ в почвах и водоемах, ониобусловливают круговорот веществ и энергии в природе; от их де-ятельности зависит плодородие почв, формирование каменного уг-ля, нефти, многих других полезных ископаемых. Микроорганизмыучаствуют в выветривании горных пород и прочих природных про-цессах.

Многие микроорганизмы используют в промышленном и сель-скохозяйственном производстве. Так, хлебопечение, изготовлениекисломолочных продуктов, виноделие, получение витаминов, фер-ментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и мно-гих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленностии медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорга-низмов. Особенно велико значение микроорганизмов в растение-водстве и животноводстве. Это обогащение почвы азотом, борьбас вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микроб-ных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, по-лучение кормового белка, антибиотиков и других веществ микроб-ного происхождения.

Микроорганизмы оказывают положительное влияние на про-цессы разложения веществ неприродного происхождения — ксе-нобиотиков, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их.

Наряду с полезными микроорганизмами существует большаягруппа так называемых болезнетворных, или патогенных, микроор-ганизмов, вызывающих разнообразные болезни сельскохозяйствен-ных животных, растений, насекомых и человека. В результате ихжизнедеятельности возникают эпидемии заразных болезней челове-ка и животных, что сказывается на развитии экономики и произво-дительных сил общества.

Полученные в последние десятилетия научные данные нетолько существенно расширили представления о почвенных микро-организмах и процессах, вызываемых ими в окружающей среде, нои позволили создать новые отрасли в промышленности и сельско-хозяйственном производстве. Например, открыты антибиотики, вы-деляемые почвенными микроорганизмами, и показана возможностьих использования для лечения человека, животных и растений, а так-же при хранении сельскохозяйственных продуктов. Обнаружена спо-собность почвенных микроорганизмов образовывать биологическиактивные вещества: витамины, аминокислоты, стимуляторы ростарастений — ростовые вещества и т. д. Найдены пути использованиябелка микроорганизмов для кормления сельскохозяйственных жи-

вотных. Созданы микробные препараты, усиливающие поступлениеи почву азота из воздуха.

Открытие новых методов получения наследственно изменен-ных форм полезных микроорганизмов позволило шире применятьмикроорганизмы в сельскохозяйственном и промышленном производ-стве, а также в медицине. Особенно перспективно развитие генной,или генетической, инженерии. Ее достижения обеспечили развитиебиотехнологии, появление высокопродуктивных микроорганизмов,синтезирующих белки, ферменты, витамины, антибиотики, росто-ные вещества и другие необходимые для животноводства и растение-водства продукты.

С микроорганизмами человечество соприкасалось всегда, дол-гое время даже не догадываясь об их существовании. С незапа-мятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртныенапитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различныезаболевания, в том числе эпидемические. Свидетельством последне-го в библейских книгах служит указание о повальной болезни (веро-ятно, чуме) с рекомендациями сжигать трупы и делать омовения.

Однако до середины XIX в. даже никто не представлял, чторазного рода бродильные процессы и заболевания могут быть след-ствием деятельности ничтожно малых существ.

До XV в. предполагали, что болезни вызывают «миазмы» — осо-бые болезнетворные испарения, содержащиеся в воздухе. Теорию «бо-лезнетворных миазмов» в IV в. до н. э. создал великий врач древностиГиппократ. Его теория была подвергнута пересмотру в V в. до н. э.греческим ученым Фукидидом. Последний, наблюдая ужасы чумы,свирепствовавшей во время пело-понесской войны, предположил, чтозаболевания вызывают не столькоболезнетворные" миазмы, сколькомельчайшие живые частицы, прони-кающие в организм человека черезрот, — явление, получившее у рим-лян название contagium vivum.Столь гениальное предвидение мик-робной теории начало утверждать-ся лишь в XIX столетии.

Позднее итальянский врачД. Фракасторо (1478-1553) (рис. 1),развивая учение о «контагии», пи-сал, что контагий представляет со-бой инфекционного возбудителя.Попадая, например в организм,этот возбудитель активно размножа-ется и быстро распространяется повсему телу. Возбудители инфекции

Рис. 1. Джироламо Фракасторо(1478-1553)

Рис. 2. Антон ван Левенгук(1632-1723)

могут проникать в организм при не-посредственном контакте, черезодежду и с воздухом. Своей гени-альной догадкой Фракасторо, как иФукидид, предвосхитил открытиемикробов.

В конце XVI в. (около 1590 г.)голландцы Г. и 3. Янсены впервыесоздали сложный микроскоп. В на-чале XVII в. известный астрономГ. Галилей сконструировал сложныймикроскоп с небольшим увеличе-нием, представляющий собой ко-роткофокусные линзы. Этот приборпостепенно совершенствовал как самГалилей, так и другие исследова-тели.

В 1646 г. ученый-иезуит, профессор Collegium Romanum в РимеА. Кирхнер (1601—1680) обнаружил при помощи лупы в гниющихрастворах очень малые живые существа. Он утверждал, что чуму иоспу вызывают живые невидимые частицы. Наблюдения Кирхнераостались малоизвестными.

Открытие невидимого мира принадлежит голландскому уче-ному А. ван Левенгуку (1632—1723) (рис. 2), которого справедливосчитают отцом микрографии, т. е. описательной микробиологии.Торговец полотном А. ван Левенгук весь свой досуг посвящал ис-кусству шлифования линз. Ему удалось создать приборы, дававшиезначительно более совершенную картину увеличенных объектов,чем существовавшие в те времена оптические системы. СистемаА. ван Левенгука давала линейное увеличение в 280 раз (рис. 3).

Благодаря интересным открытиям, сделанным при помощимикроскопов, А. ван Левенгук вошел в историю как великолепныйестествоиспытатель. Он наблюдал компоненты крови, систему кро-вообращения, структуру тканей растений, микроскопировал насе-комых, водоросли, простейших и т. д. Непосредственное открытиемикробов произошло в 1676 г., когда А. ван Левенгук, рассматри-вая в микроскоп капли дождевой воды, стоявшей несколько днейв бочке, заметил огромное количество очень маленьких движущих-ся организмов. В свежей дождевой воде таких существ не оказалось.Отсюда исследователь заключил, что зародыши организмов попа-дают в воду из воздуха. А. ван Левенгук однажды записал, что ни-когда его взору не представлялось более приятного зрелища, чемтысячи живых существ «анималькулей» («живых зверьков») в каплеводы.

О своих наблюдениях А. ван Левенгук в письмах сообщал вЛондонское королевское общество. Для нас особенно интересно од-

8

Рис. 3. Микроскоп А. ван Левенгука Рис. 4. Первые рисунки бактерийиз налета зубов людей, посланнныеА. ван Левенгуком, 17 сентября 1683 г.в письме № 39 в Лондонскоекоролевское общество

но из его писем с подробным описанием и отчетливыми изображе-ниями различных бактерий, обитающих во рту человека (рис. 4).Собрано уже 20 объемных томов рукописей исследователя.

Интересовался работами ученого и его современник русскийцарь Петр I. Во время поездки в Голландию весной 1698 г. он встре-тился с А. ван Левенгуком, ознакомился с усовершенствованнымиим микроскопами и серией препаратов. Петр I выразил желаниеприобрести увеличительные инструменты для русской Кунсткаме-ры. Один микроскоп царь получил в подарок.

С 1725 г. в мастерских Академии наук в Санкт-Петербурге нача-лось производство отечественных микроскопов. Среди умельцев-кон-структоров этих точных инструментов особенно прославился И. Беляевс сыновьями. Производством микроскопов в России в конце XVIII в.руководил известный механик-самоучка И. Кулибин. В 1741 г. в распо-ряжении Российской академии наук уже был 21 микроскоп.

В результате развития оптики после открытий А. ван Левенгу-ка всеобщее внимание к миру микроврганизмов возрастало. Нача-лось описание отдельных их представителей. Вместе с тем ученыетого времени еще не подозревали о роли микроорганизмов в приро-де. Для наблюдателей это были лишь весьма курьезные, интересныесущества, составлявшие развлечение для микроскопистов.

Накопление материала о формах и разнообразии микроорга-низмов продолжалось довольно долго. Размеры объекта крайне за-трудняли исследования. Возможности его познания даже у опытныхисследователей иногда вызывали скептицизм. Так, выдающийсяшведский ученый К. Линней (1707—1778), создавший первую систе-

9

му живого мира, введший бинарную номенклатуру, в 1767 г. в статье«Mundus invisibiles» высказал отрицательное отношение к изучениюмикробов. Великий систематик не мог разобраться в разнообразныхформах микроорганизмов и объединил их в один общий род, давему характерное название «Chaos» («Хаос»). К. Линней считал, чтоне следует углубляться в изучение этого невидимого мира, так кактворец, создавая его, очевидно, предполагал сохранить эту областьза собой.

Первую серьезную попытку систематизировать микробов в1786 г. сделал датский ученый О. Мюллер, описавший живые микро-скопические организмы (анималькули), обитающие в воде и почве.Их назвали «инфузории» — развивающиеся в настоях (infusium).Следующим систематиком микробов был X. Г. Эренберг. В 1838 г.в книге «Инфузории как совершенные организмы» он предложил раз-делить инфузории на 22 семейства, из которых три содержат описаниябактерий. Книга была снабжена прекрасным атласом.

Ряд ценных данных о микроорганизмах получил русский ис-следователь, известный врач Д. С. Самойлович (1744—1810). Изучаяпричины свирепствовавших тогда эпидемий чумы, он много внима-ния уделил раскрытию природы этого заболевания. В результате ис-следователь пришел к оригинальному для своего времени заключе-нию, что возбудителем чумы служит «особливое и совсем отменноесущество». В 1792—1793 гг. Д. С. Самойлович попытался изготовитьвакцину, привив здоровым людям очень малые дозы «слабой чумы».По-видимому, он вводил разведенный в воде гной из бубонов боль-ных легкой формой болезни. Врач и ученый совершенствовал своизнания, работая в ряде стран Европы. В Лейдене он защитил дис-сертацию и получил звание доктора медицины. Д. С. Самойловичбыл членом пятнадцати академий.

Нельзя не отметить и работы М. М. Тереховского (1740—1796),доказавшего, что анималькули, возникающие в настоях, происходятиз воды, используемой для этих настоев. Ученый отмечал, что пред-варительное кипячение или замораживание такой воды делает на-стои стерильными. Таким образом, опыты Тереховского с удивитель-ной простотой доказали, что анималькули не зарождаются внезапно,самопроизвольно из неживой материи, а появляются в колбах с на-стоями вместе с некипяченой водой. Выводы ученого предвосхити-ли научные обоснования, сделанные через сто лет Л. Пастером, по-ложившим начало асептике — системе стерилизации посредствомкипячения или использования горячих паров.

Заключающим событием ознакомительного этапа развития мик-робиологической науки стала вышедшая в середине XIX в. в Россиикнига П. Ф. Горяинова (в основном он придерживался систематикиX. Г. Эренберга) «Зоология», один из разделов которой был посвя-щен инфузориям.

10

Новая эра систематических и морфологических исследованиймикроорганизмов началась с работ ботаников Ф. Кона (1828—1898)п К. Негели (1817—1891). Их исследования помогли установить при-роду некоторых микроорганизмов (бактерий). С именами этих ученыхсвязан возникший в то время спор о существовании и устойчивостиу бактерий естественно-исторических видов. Ф. Кон был убежден-ным мономорфистом, т. е. признавал у бактерий, как и у высших ор-ганизмов, постоянство видов. К. Негели, подобно большинству егосовременников, относился к плеоморфистам. По его взглядам, от-дельные виды микроорганизмов в зависимости от условий существо-вания способны легко менять форму и физиологические функции.Представления плеоморфистов возникли отчасти вследствие несо-вершенных методик работы с микроорганизмами, культуры которыхзагрязнялись посторонними формами микроскопических существ.

Так или иначе, но к середине XIX в. был накоплен большойматериал о разнообразных группах микроорганизмов. Однако фи-зиологию и обмен веществ микроскопических существ исследова-ния не затрагивали. Поэтому роль микромира в природе, а также вжизни и деятельности человека оставалась невыясненной.

Дальнейшее широкое развитие микробиологии связано с име-нем великого французского ученого Л. Пастера (1822—1895) (рис. 5).Он впервые показал огромную роль микроорганизмов как участни-ков разнообразных биохимических превращений и возбудителей забо-леваний живых существ. Работы Л. Пастера открыли новый период вразвитии микробиологии, который называют физиологическим.

В начале научной деятельности Л. Пастер, будучи по образо-ванию химиком, сделал ряд важныхоткрытий в области химии. Он на-блюдал, как гриб Penicillium glaucumи дрожжи, развиваясь на соли раце-мической винной кислоты, потреб-ляют лишь один из оптических изо-меров. Работа ученого сыграла важ-нейшую роль в развитии биохимии,дала мощный толчок развитию ис-следований в области стереохимииферментативного катализа.

Первым шагом на путиЛ. Пастера к будущим микроби-ологическим исследованиям послу-жило открытие брожения как ре-зультата жизнедеятельности микро-организмов. По воззрениям тоговремени, данный процесс считалсячисто химическим, вызываемым са- Рис. 5. Луи Пастер (1822-1895)

11

мопроизвольно распадающимся белком. Л. Пастер, кроме того, ус-тановил, что каждый тип бродильного процесса имеет своих возбу-дителей. В дальнейшем ученый доказал, что сахар превращается вмолочную кислоту под воздействием специфических молочнокис-лых бактерий, спиртовое же брожение вызывают другие микроорга-низмы — дрожжи.

Позднее, изучая возбудителей маслянокислого брожения,Л. Пастер выявил, что они могут жить только в отсутствие кислоро-да, т. е. были открыты «строгие анаэробы». Открытие бескислород-ной жизни вызвало взрыв протестов, так как считалось, что кисло-род — «жизненный газ», без которого существование организмовневозможно. Обнаруженное Л. Пастером явление анаэробиоза име-ло большое значение в создании теории брожения. По мнениюЛ. Пастера, брожение — не что иное, как жизнь без свободного кис-лорода. При анаэробиозе бактерии получают необходимую для жизниэнергию, вызывая распад, т. е. брожение, органических соединений.

Изучая уксуснокислое брожение, т. е. окисление бактериямивинного спирта в уксусную кислоту, Л. Пастер убедился в существо-вании особого типа превращений органических веществ микроорга-низмами, названного окислительным брожением. Эти исследованияимели не только научное, но и практическое значение. Так, по воп-росам бродильного производства — виноделию, пивоварению и по-лучению уксуса — Л. Пастер опубликовал три монографии. В нихбыли даны ценные указания по улучшению технологий данных про-цессов. Ученый доказал, что даже болезни вина и пива возникаютпри участии микроорганизмов.

Исследуя брожение, Л. Пастер не мог пройти мимо такогораспространенного и важного процесса, как гниение белковых ве-ществ, который ранее рассматривали как химический. Он убедил-ся в биологической природе гниения, установив также, что распадмочевины вызывают бактерии, отдельные виды которых ученыйописал.

Самопроизвольное зарождение живых организмов признава-лось в течение многих веков. Работы ряда исследователей, в томчисле М. М. Тереховского, показали его невозможность, тем не менеедо середины XIX в. проблема оставалась нерешенной. Лишь работыПастера, определившие роль отдельных микроорганизмов в различ-ных процессах, позволили окончательно установить невозможностьсамозарождения микробов. За решение этой проблемы Л. Пастерубыла присуждена премия Французской академии наук. Безупречныеопыты ученого доказали, что если питательные среды простерили-зованы, т. е.надежно обезврежены от микроорганизмов, то жизнь вних даже в примитивных формах зародиться не может. В качествевозражения оппонентам Л. Пастер указывал на методические ошиб-ки проведенных ими экспериментов.

12

В результате микробиолог сумел внушить людям безграничноедоверие к хорошо проведенной стерилизации, устранив навсегда опа-сение, что после нее могут самопроизвольно возникнуть другие мик-робы. Современные дезинфекция и антисептика, а позднее асептикаосновываются с теоретической точки зрения на работах Л. Пастера.

С 1849 г. на юге Франции стали гибнуть шелковичные червиот болезни, называемой пебриной. К 1865 г. шелковичная промыш-ленность юга страны оказалась на грани гибели. Комиссия сенатаФранции обратилась к Л. Пастеру с просьбой выяснить причиныболезни. В течение пяти лет ученый работал над установлением ин-фекционного характера заболевания. Для борьбы с болезнью он ре-комендовал профилактические меры. В результате заболевание пеб-риной было ликвидировано. Пастер рекомендовал также меры борь-бы с другой болезнью шелковичного червя — фляшерией, илиспячкой. Возбудителем этой болезни был стрептококк.

Исследуя болезни шелковичных червей, ученый приблизилсяк решению медицинских и ветеринарных вопросов. Труды, посвя-щенные пебрине и фляшерии, привели к ценным практическим итеоретическим результатам. Например, Л. Пастер разработал неслож-ный метод проверки и селекции грены, позволяющий удалять изпитомников бабочек, зараженных пебриной. С теоретической точкизрения изучение тутового шелкопряда также имело большое значе-ние. В результате анализа проведенных работ исследователь разра-ботал микробную теорию заразных заболеваний.

В середине XIX в. в крови животных, павших от сибирскойязвы, учеными были обнаружены неподвижные нитевидные тельца —«бактеридии». Л. Пастера заинтересовала причина этого заболева-ния, встречавшегося как у человека, так и у животных. Он устано-вил, что его вызывает бактерия. Это было доказано опытами по от-стаиванию чистой культуры сибиреязвенной палочки. Бактерииоседали на дно сосуда, и животное не заболевало от прививки емуиз верхнего прозрачного слоя жидкости, так как развитие болезнимогли вызвать только бактерии, содержащиеся в нижнем, мутномслое.

Для борьбы с сибирской язвой Л. Пастер предложил предо-хранительные прививки. Ранее экспериментируя с возбудителем ку-риной холеры, он обнаружил, что впрыскивание ослабленных раз-ведений возбудителя обусловливает невосприимчивость птицы к за-болеванию. Данный принцип был положен в основу профилактикисибирской язвы животных. Сибиреязвенную палочку выращивалипри повышенной температуре (42—43 °С), что вызывало резкое сни-жение ее болезнетворных свойств и даже полную их потерю. Затемпрививали животному ослабленную культуру (вакцинация), вызываяформирование длительной невосприимчивости (иммунитет) к бо-лезни.

13

Эффект иммунизации наглядно продемонстрировали на од-ной из ферм под Парижем. Стадо из 60 овец и десяти коров подели-ли на две равные по числу голов группы, животным одной группысделали прививки, а другую группу оставили как контрольную. За-тем все стадо заразили активной культурой сибиреязвенной палоч-ки. Результат был поразительным: через несколько дней контроль-ные животные погибли, вакцинированные же остались живы.

Изучая сибирскую язву, ученый выяснил и причину сущест-вования «проклятых пастбищ». При выпасе скота на таких пастби-щах животные нередко заражались. Оказалось, что здесь закапывалипавший от болезни скот. Л. Пастер доказал, что сибиреязвенныймикроб способен длительное время существовать в почве. Земляныечерви выносят на поверхность почвы споры микроорганизма, ин-фицирующие корм, который и вызывает болезнь.

После работ с сибирской язвой Л. Пастер занимался поискомвозбудителей и других заразных болезней. В его лаборатории иссле-довали краснуху, или рожу, свиней, фурункулез и послеродовую го-рячку человека и, наконец, бешенство. Было обнаружено, что каждуюиз перечисленных болезней вызывает специфический микроорга-низм, внедряющийся в живой организм извне. Особенно следуетостановиться на работах великого французского ученого по изуче-нию бешенства, которые были начаты им в 1880 г. Исследования вэтом направлении позволили установить следующее. Возбудительболезни, находящийся в слюне больных собак, невидим под микро-скопом. Теперь-то мы знаем, что это был вирус. Выяснилось также,что яд бешенства локализуется в головном и спинном мозге. Примедленном высушивании мозга бешеных кроликов Пастер получилсильно ослабленную вакцину. Введением животным эмульсий этогопрепарата удалось иммунизировать их и сделать невосприимчивымик активному вирусу бешенства.

Работы Л. Пастера по предохранительным прививкам противбешенства стали широко известны. В 1886 г. появились и первыепациенты — люди, покусанные бешеными животными. Прививкаспасла их от смерти. Это произвело такое впечатление, что толпыукушенных животными людей из Франции, Великобритании, Авст-рии, Бельгии, России, Румынии, Финляндии хлынули в лаборато-рию Пастера. Однако вследствие отдельных неудач возникали сом-нения и нападки на Пастера. Его даже обвиняли в шарлатанстве.

Тем не менее огромный опыт свидетельствовал в пользу уче-ного, и метод антирабических (против бешенства) прививок распро-странялся все шире. Уже к концу 1886 г. свыше 2500 человек избе-жали бешенства благодаря антирабическим прививкам.

Исследования Л. Пастера, приведшие к разработке метода пред-охранительных прививок, заложили основы новой науки — имму-нологии.

14

Таким образом, было оправдано гениальное предвидение зна-менитого английского химика и философа Р. Бойля, который еще вXVII в. считал, что природу заразных болезней поймет тот, кто объ-яснит явление брожения.

Заслуги Л. Пастера были оценены еще при его жизни. В 1873 г.он был избран во Французскую медицинскую академию, а в 1882 г. —в Академию наук Франции. В 1884 г. Санкт-Петербургская академиянаук избрала известного естествоиспытателя членом-корреспонден-том по разряду биологических наук физико-математического отде-ления, а в 1893 г. — почетным членом.

Долгое время Л. Пастер работал в небольшой лаборатории.В 1871 г. ученый писал, что его лаборатория была слишком ничтож-на, и для воплощения его больших планов в ней недостает света,воздуха и места.

На средства, собранные по подписке, в Париже в 1888 г. был от-крыт Пастеровский институт. Крупный взнос на строительство инсти-тута был сделан правительством России. В этом, ставшем впоследствиизнаменитым, институте работали многие выдающиеся микробиологи, втом числе русские. Среди них автор классических работ в областисравнительной патологии, эволюционной морфологии, микробиологиии иммунологии И. И. Мечников. Длительное время (1922—1953) про-работал в институте и С. Н. Виноградский, выполнивший важнейшиеисследования в области почвенной микробиологии.

В число сотрудников Пастеровского института входили из-вестные русские ученые А. М. Безредка, Н. Ф. Гамалея, В. А. Хав-кин, Я. Ю. Бардах, Н. В. Склифосовский, Г. Н. Габричевский,Л. А. Тарасевич, П. В. Циклинская имногие другие. Контингент русскихбыл столь велик, что историографПастеровского института А. Деланев шутливой форме говорил, что онне знает, был ли в конце XIX в. инс-титут Пастера французским или рус-ско-французским учреждением.

Интенсивная работа в облас-ти медицинской микробиологии вXIX в. началась и во многих другихстранах. В Германии, например, ис-следования большой важности поэтиологии ряда инфекционных бо-лезней были выполнены Р. Кохом(1843-1910) (рис. 6). Он был и соз-дателем современной микробиоло-гической техники.

Значительный вклад в раз-витие медицинской микробиологии Рис. 6. Роберт Кох (1843—1910)

15

Рис. 7. Сергей НиколаевичВиноградский (1856—1953)

внесли также П. Эрлих, Э. Беринг,О. Ру и др. Выдающимися были иработы русских медицинских микро-биологов Л. С. Ценковского (1822—1887), И. И. Мечникова (1845-1916),Н. Ф. Гамалеи (1859-1949), Г. Н. Габ-ричевского (1860-1907), Д. К: Забо-лотного (1866-1929).

В России важная роль микро-биологии для народного здравоох-ранения обусловила создание меди-цинских научно-исследовательскихучреждений микробиологическогопрофиля. Когда стало очевидным,что на микробиологических процес-сах основаны многие пищевые про-изводства, а в сельском хозяйствес их учетом построены почти все аг-ротехнические приемы, появиласьпотребность в более широком изу-чении микроорганизмов. Приведем

краткий очерк основополагающих исследований в области почвен-ной и сельскохозяйственной микробиологии, выполненных ранее ипроводящихся сейчас в ряде стран.

Известны работы французских ученых XIX столетия Я. Шле-зинга и А. Мюнца по изучению процесса нитрификации. Русскийученый С. Н. Виноградский (рис. 7), работая во Франции, создалклассический труд «Микробиология почвы» (1952). Долгое времяотдел почвенной микробиологии в Пастеровском институте возглавлялизвестный ученый Ж. Пошон. Книга Ж. Пошона и Г. де Баржака«Почвенная микробиология» была переведена на русский язык ииздана в нашей стране (1960). В 1970 г. во Франции вышла фунда-ментальная работа И. Домерга и Ф. Манжено «Экология почвенныхмикроорганизмов».

Принципиальное значение имеют исследования английскихмикробиологов, особенно всемирно известной Ротамстедской опытнойстанции, где в прошлом веке Р. Уорингтон изучал особенности про-цесса нитрификации. Позднее здесь были развернуты исследованияпо симбиотической азотфиксации и микоризе у растений (Ф. Нат-ман, В. Мосс).

В Нидерландах в конце XIX и начале XX столетия исследова-ния в области фиксации молекулярного азота свободноживущими исимбиотическими бактериями провел М. Бейеринк (рис. 8). В Герма-нии в конце XIX в. Г. Гельригелъ и Г. Вильфарт выполнили принци-пиально важные работы, показавшие, что у бобовых растений фик-сация молекулярного азота связана с наличием на их корнях клу-

16

Рис. 8. Мартинус БиллемБейеринк (1851-1931)

беньков. В первой четверти XX в.основательные методические рабо-ты по почвенной микробиологиибыли сделаны Ф. Лёнисом, напи-савшим труд «Основы сельскохо-зяйственной бактериологии». Мно-го внимания Лёнис уделял такжеизучению цикла азота. Позднеепрофессор Г. Мюллер опубликовалкнигу «Bodenbiologie» (1965) — од-но из лучших руководств по поч-венной микробиологии.

Много интересных работ вы-полнено в Скандинавских странах.Результаты исследований по биохи-мии процесса азотфиксации, про-веденные в 40-х гг. XX столетияфинским ученым А. Виртаненом,были отмечены Нобелевской пре-мией. В этот период в ШвецииЕ. Мели опубликовал ценные трудыо симбиотических грибах.

Среди работ сельскохозяйственного профиля в США особен-но следует отметить исследования С. Ваксмана по почвенной мик-робиологии. В 1927 г. вышел в свет его фундаментальный труд«Принципы почвенной микробиологии». С. Ваксман — автор ши-роко применяемого антибиотика стрептомицина, за открытие кото-рого ему была присуждена Нобелевская премия. В США опублико-вана серия книг по общей микробиологии, и в частности наиболееполный определитель бактерий.

В Польше еще в конце XIX в. А. Пражмовский исследовалсимбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями. В Венг-рии перед Второй мировой войной Д. Фехер изучал микроорганиз-мы многих почв, в том числе тропических. Этот ученый создал шко-лу почвенных микробиологов. До начала Второй мировой войнывопросами почвенной микробиологии занимался известный чеш-ский ученый И. Стоклаза. Его работы были посвящены исследова-ниям фиксации молекулярного азота, превращения в почве азота,серы и других элементов, выделения почвой диоксида углерода(«дыхание почвы»).

Русская школа микробиологов признана во всем мире. В пред-революционный период в России была заложена база для клас-с и ф и к а ц и о н н о - с и с т е м а т и ч е с к и х работ. Это направлениеисследований связано с именами выдающихся ученых — Л. С. Цен-ковского, А. П. Артари (1862-1919), Г. А. Надсона (1867-1940)и др.

17

В это же время определилось и второе научное направление —э к о л о г о - ф и з и о л о г и ч е с к о е . Среди его приверженцев выделя-ется С. Н. Виноградский (1856—1953), открывший хемосинтез у мик-роорганизмов. Он же установил усвоение молекулярного азота сво-бодноживущими бактериями и провел оригинальные исследованияпо экологии почвенных микроорганизмов.

Другой крупнейший микробиолог — В. Л. Омелянский (1867—1928), ученик С. Н. Виноградского, изучал вопросы нитрифика-ции, азотфиксации, распада целлюлозы, а также экологию микро-организмов почвы. В. Л. Омелянский написал учебник «Основымикробиологии» (1909), переиздававшийся несколько раз. В 1923 г.он опубликовал первое практическое руководство по микробиоло-гии.

Общеизвестно имя Д. И. Ивановского (1864—1920), открывше-го фильтрующийся вирус и ставшего основоположником вирусоло-гии. Много внимания ученый уделял и вопросам почвенной микро-биологии: фиксации атмосферного азота, распаду белков, целлюло-зы и т. д.

Усвоению бактериями молекулярного азота в почве и распро-странению бактерий в море были посвящены работы Б. Л. Исаченко(1871-1948).

Третье направление развития микробиологии может быть на-звано б и о х и м и ч е с к и м . В. И. Палладии (1859—1922) и С. П. Кос-тычев (1877—1931) выполнили классические исследования, изучаяпроцессы дыхания и брожения. Большой вклад в выяснение транс-формации микроорганизмами соединений, содержащих углерод,внес В. С. Буткевич (1872—1942), который получил также интерес-ные результаты в области экологической (морской) микробиоло-гии.

В 90-х гг. XIX столетия были организованы небольшие учрежде-ния, разрабатывавшие вопросы сельскохозяйственной микробиологии.В Петербурге открылась Сельскохозяйственная микробиологическаялаборатория Департамента земледелия, директором ее был М. Г. Тар-таковский. В Москве при Обществе акклиматизации животных и рас-тений на частные пожертвования была создана Бактериолого-агроно-мическая станция, которую возглавил С. А. Северин.

Во многих городах, например в Москве, Харькове, Одессе, от-крылись медицинские микробиологические институты. В некоторыхиз них вели исследования по общей и сельскохозяйственной микро-биологии. Так, в Институте экспериментальной медицины в Санкт-Петербурге были выполнены уже отмечавшиеся выше классическиеработы С. Н. Виноградского и В. Л. Омелянского.

Исследования по общей и сельскохозяйственной микроби-ологии были начаты и в ряде высших учебных заведений, где читалилекции по микробиологии. В 1894 г. курс микробиологии был вве-

18

ден в Петровской сельскохозяйственной академии (ныне Москов-ская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева). Егочитал Н. Н. Худяков, автор первого учебника по сельскохозяйствен-ной микробиологии, опубликованного в 1926 г.

В первом десятилетии XX в. микробиология становится обя-зательным предметом для изучения в большинстве высших учебныхзаведений. В Петербургском университете преподавание курса об-щей микробиологии было начато Б. Л. Исаченко в 1906 г., в Мос-ковском университете — А. П. Артари в 1907 г.

Интерес к почвенной микробиологии привлекли выступлениявыдающихся почвоведов — В. В. Докучаева, П. А. Костычева и др.Причем В. В. Докучаев считал, что курс микробиологии долженбыть введен незамедлительно во всех университетах страны.

В 20—30 гг. XX в. сеть биологических и сельскохозяйственныхнаучно-исследовательских учреждений и высших учебных заведенийв России значительно расширилась. В большинстве из них шли ис-следования в области микробиологии. Многие вузы уже имели ка-федры микробиологии.

На современном этапе развития науки, техники и сельскогохозяйства невозможно представить себе отрасль, где микробиологи-ческие процессы не имели бы значения. На свойствах и жизне-деятельности микроорганизмов основаны технологические процес-сы в различных отраслях промышленности и сельскохозяйственногопроизводства. Микроорганизмы активно участвуют в круговоротевеществ в природе. Возможно, именно они помогут решить пробле-мы питания, охраны окружающей среды.

Знания в области микробиологии способствуют формирова-нию современного биологического мировоззрения у специалистовсельского хозяйства, что имеет большое значение для их успешнойработы.

Возникает необходимость глубокого анализа характера микро-биологических процессов, идущих в почвах, занятых сельскохозяй-ственными культурами; знания основных функций, присущих мик-роорганизмам; умения ориентироваться и оценивать возможные по-следствия воздействия тех или иных агротехнических приемов вцелом на характер микрофлоры и деятельность микроорганизмов.В дальнейшем это позволит выбрать наиболее перспективные изних, успешно управлять процессами повышения плодородия почвыи урожайности сельскохозяйственных культур.

Современная агрономия представляет собой синтез новейшихдостижений биологической и сельскохозяйственной науки и прак-тики. Без понимания сущности микробиологических процессовпочвы, умения анализировать роль микроорганизмов, ответствен-ных за их течение, немыслима успешная деятельность будущих аг-

19

рономов, а также совершенствование современных технологий вы-ращивания сельскохозяйственных культур.

В результате освоения курса общей и сельскохозяйственноймикробиологии агроном может направленно регулировать числен-ность микроорганизмов и активность микробиологических процес-сов в почве, правильно и широко применять микробные препаратыи продукты микробного синтеза, совершенствовать способы обра-ботки почвы, внесения удобрений, мелиорации, оптимально чере-довать сельскохозяйственные культуры, применять другие приемытехнологии сельскохозяйственного производства. Глава 1

Раздел 1

Общаямикробиология

Морфология и ультраструктураклеток бактерий

Большинство микроорганизмов — одноклеточные существа.Микробная клетка обычно отделена от внешней среды клеточнойстенкой (иногда лишь цитоплазматической мембраной) и содержитразличные субклеточные структуры. Существуют два основных типаклеточного строения, различающиеся рядом фундаментальных при-знаков. Это эукариотные и прокариотные клетки. Микроорганиз-мы, имеющие истинное ядро, называют эукариотами (от греч. еu —истинный, karyon — ядро). Микроорганизмы с примитивным ядер-ным аппаратом относят к прокариотам — доядерным организмам.

К эукариотам принадлежат грибы, водоросли и простейшие.По строению они сходны с растительными и животными клетками.Бактерии, в том числе цианобактерии (синезеленые водоросли), от-носят к прокариотам. Особую группу прокариот составляют архе-бактерии (археи).

В эукариотной клетке есть ядро, отделенное от окружающей егоцитоплазмы двухслойной ядерной мембраной с порами. В ядре нахо-дятся одно-два ядрышка — центры синтеза рибосомальной РНК и хро-мосомы. В прокариотных клетках1 ядерная мембрана, ограничивающаягенетический материал от цитоплазмы, отсутствует. ДНК в клетках та-кого строения не образует структур, похожих на хромосомы эукариот.Естественно, у прокариот не происходят и процессы митоза и мейоза.У большинства прокариот нет внутриклеточных органелл, ограничен-ных мембранами, они лишены также митохондрий и хлоропластов, эн-доплазматического ретикулума, комплекса Гольджи и лизосом.

1.1. Морфологические типы бактерий

Форма бактерий. Бактерии, как правило, — одноклеточныеорганизмы, однако существует ряд форм, состоящих из многих кле-

1 Ниже рассматривается строение только прокариотной (бактериаль-ной) клетки, так как строение эукариотной клетки уже известно студенту изсоответствующих курсов ботаники и зоологии.

21

Рис. 9. Диплококки.Электронная микрофотография(по: Р. С. Вильямс)

Рис. 10. Стрептококки. Электроннаямикрофотография (по: Д. Кун,П. Эдлеман)

ток. Форма клетки бактерии довольно проста, это может быть шарили цилиндр, иногда изогнутый. Размножаются бактерии преиму-щественно делением на две равноценные клетки. Бактерии шаро-видной формы называют кокками (от лат. coccus — зерно). Коккибывают сферическими, эллипсоидальными, бобовидными и ланце-товидными.

По расположению клеток относительно друг друга после деле-ния кокки подразделяют на несколько форм. Те формы, которыепосле деления клетки расходятся и располагаются поодиночке, на-зывают монококками. Иногда кокки при делении образуют скопле-ния, напоминающие виноградную гроздь. Подобные формы относятк стафиллококкам. Кокки, остающиеся после деления в одной плос-кости связанными попарно, называют диплококками (рис. 9), а обра-зующие различной длины цепочки — стрептококками (рис. 10). Со-четания из четырех кокков, появляющиеся после деления клеткив двух взаимно перпендикулярных плоскостях, представляют собойтетракокки. Некоторые кокки делятся в трех взаимно перпендику-лярных плоскостях, что приводит к образованию своеобразныхскоплений кубической формы, называемых сарцинами.

Большинство бактерий имеет цилиндрическую, или палочко-видную, форму. Раньше все палочковидные формы назывались ба-циллами (от лат. bacillum — маленькая палочка). После 1875 г., когданемецкий ботаник Ф. Кон открыл существование спор1 у так назы-ваемой сенной палочки, палочковидные спорообразующие формыстали именовать бациллами, а не образующие спор — бактериями.

Палочковидные бактерии различают по форме, размерам в дли-ну и в поперечнике, форме концов клетки, а также по взаимномурасположению. Они могут иметь цилиндрическую форму с прямы-ми концами или овальную — с закругленными или заостренными

1 Споры — особые покоящиеся клетки, окруженные плотными обо-лочками, образующиеся внутри бактериальных клеток.

22

концами. Бактерии бывают также слегка изогнутыми, встречаютсянитевидные и ветвящиеся формы (микобактерии и актиномицеты).

В зависимости от взаимного расположения отдельных клетокпосле деления палочковидные формы подразделяют на собственнопалочки (одиночное расположение клеток), диплобактерии или дипло-бациллы (парное расположение клеток), стрептобактерии или стреп-тобациллы (цепочки различной длины).

Нередко встречаются извитые, или спиралевидные, бактерии,характеризующиеся разным числом витков. К этой группе относятспириллы (от лат. spira — завиток), имеющие форму длинных изогну-тых (от 4 до 6 витков) палочек, вибрионы (от лат. vibrio — изгиба-юсь), представляющие собой лишь 1/4 часть витка спирали, похо-жие на запятую; особую группу представляют спирохеты — длинныеи тонкие клетки с большим числом (от 6 до 15 и более) мелких вит-ков (рис. 11). Кроме перечисленных выше основных, встречаются ииные формы. Так, обнаружены бактерии, несущие на поверхности

Рис. 11. Извитые (спиральные) бактерии — спирохеты Spirochaeta plicatilis (A);Cristispira sp. (Б); Treponema pallidum (В); Borellia anserina (Г), х 2200(по: Д. Кун)

23

24

клетки протоплазматические выросты — простеки, треугольные извездообразные бактерии, а также имеющие форму замкнутого и не-замкнутого кольца и червеобразные бактерии (рис. 12).

Многие бактерии образуют разного вида скопления, агрегаты.Известны и многоклеточные бактерии, чаще всего это нитчатыеформы, обитающие в водоемах. К многоклеточным бактериям отно-сят и мицелиальные микроорганизмы — актиномицеты.

Размеры бактерий. Клетки бактерий очень малы. Их измеря-ют в микрометрах (мкм), а детали тонкой структуры — в нанометрах(нм). Кокки обычно имеют диаметр около 0,5—1,5 мкм. Ширинапалочковидных (цилиндрических) форм бактерий в большинствеслучаев колеблется от 0,5 до 1 мкм, длина — от 2 до 10. Мелкие па-лочки обычно бывают шириной 0,2—0,4 мкм, длиной — 0,7—1,5.Среди бактерий встречаются и настоящие гиганты, длина которыхдостигает десятков и даже сотен микрометров.

Рис. 13. Некоторые характерные типы колоний бактерий рода Bacillus на поверхно-сти твердой питательной среды

25

Рис. 12. Необычные формы микроорганизмов: Prostecomkrobium pneumaticum(A);Anacalomicrobium adeum (Б) (по: Д. Стейли); В, Г— Thiodendron sp.(по: X. Хиппе)

Формы и размеры бактери-альных микроорганизмов значи-тельно колеблются в зависимостиот возраста культуры, состава сре-ды и ее осмотических свойств,температуры и других факторов.Из трех основных форм бактерийкокки наиболее стабильны по раз-мерам, палочковидные бактериинесколько изменчивее, причемособенно значительно меняетсядлина клеток.

Бактериальная клетка, по-мещенная на поверхности твердойпитательной среды, растет, делит-ся, образуя колонию бактерий-по-томков. Через несколько часовроста колония состоит уже из та-кого большого числа клеток, чтоее можно видеть невооруженнымглазом. Колонии бывают слизис-той или пастообразной консистен-ции, в некоторых случаях онипигментированы. Иногда внеш-ний вид колонии настолько харак-терен, что позволяет без особыхтрудностей идентифицироватьмикроорганизм (рис. 13).

1.2. Ультраструктурабактериальной клеткиБактериальная клетка, не-

смотря на внешнюю простотустроения, представляет собой до-вольно сложный организм, кото-рому свойственны процессы, ха-рактерные для всего живого.

Ультраструктуру бактерийудалось детально изучить послесоздания электронного микроско-па с высокой разрешающей спо-собностью, разработки технологииультратонких срезов клеток, появ-

ления фазово-контрастной, конфокальной, лазерной и других мето-дов микроскопии, усовершенствования методов микрохимических

Рис. 14. Схема строения бактериаль-ной клетки (по: Г. Шлегель): вверху —основные структуры бактериальнойклетки: в центре — мембранные струк-туры (слева — фотосинтезирующегомикроорганизма, справа — нефото-синтезирующего); внизу — резервныевещества, или включения:/ — базальное тельце; 2 — жгутики;3 — капсула; 4 — клеточная стенка;5 — цитоплазматическая мембрана;6 — мезосома; 7 — фимбрии; 8 — по-лисахаридные капсулы; 9 — гранулыполифосфатов; 10 — липидные капли;11 — включения серы; 12, 13 — мем-бранные структуры: ламеллы, хромато-форы; 14 — нулеоид; /5 — рибосомы;16 — цитоплазма

26

анализов. Перечисленные методы позволили исследовать как по-верхностные, так и внутренние структуры бактерий.

К внешним структурам бактериальной клетки обычно относяткапсулы, жгутики, фимбрии и пили, а также клеточную стенку, подкоторой расположена цитоплазматическая мембрана. Внутреннеесодержание бактерий представлено цитоплазмой, в которой нахо-дятся нуклеоид, рибосомы и мембранные структуры, а также разно-образные включения (рис. 14). Бациллы и некоторые другие бакте-рии образуют споры.

Капсулы. Клетки большинства бактерий окружены слизис-тым слоем, расположенным поверх клеточной стенки, — капсулой(рис. 15). Встречаются макрокапсулы с толщиной слоя 0,2 мкм, мик-рокапсулы со слоем менее 0,2 мкм, а также слизистый слой и раство-римая слизь.

По химическому составу капсулы большинства бактерий мож-но разделить на два типа. Одни представлены полисахаридами, дру-гие — полипептидами. Однако существуют и капсулы с высоким со-держанием липидов, гетерополисахаридов и других веществ. Неко-торые бактерии, например уксуснокислые (Acetobacter xylinum),способны синтезировать своеобразную капсулу, состоящую изаморфной массы молекул целлюлозы.

Капсулы содержат до 98% во-ды, что составляет дополнительныйосмотический барьер, они также за-щищают клетку от механическихповреждений и высыхания. Капсу-лы служат защитой клетки от дей-ствия токсических веществ и ради-ации, для болезнетворных форм —от защитных сил макроорганизма —фагоцитов, других неблагоприят-ных факторов окружающей среды.

Замечено, что бактерии,имеющие капсулы, способны житьв такой среде, в которой рост бак-терий без капсул ограничен.

Жгутики. Существуют два ос-новных типа подвижных бактерий:скользящие и плавающие. Скольже-ние наблюдается у миксобактерий,серных бактерий, цианобактерийи др. Эти организмы способныскользить по твердой поверхностив результате волнообразных сокра-щений клетки.

Рис. 15. Капсулы Bacillus megaterium,х2160 (по: С. Робиноу)

27

Плавающие палочковидные бактерии передвигаются при по-мощи особых нитевидных структур — жгутиков. Так двигаетсябольшинство спирил, энтеробактерий, псевдомонад. Кокки, за иск-лючением отдельных видов, жгутиков не имеют.

Бактерию с одним жгутиком называют монотрихом; с пучкомжгутиков на одном конце клетки — лофотрихом; на обоих концах —амфитрихом; со жгутиками, расположенными по всей поверхностиклетки, — перитрихом (рис. 16).

Таким образом, ясно, что число жгутиков неодинаково у раз-ных видов бактерий. Например, спириллы {Spirillum) имеют от 5 до30 жгутиков, вибрионы (Vibrio) — один или два-три жгутика на по-люсе клетки. У палочковидных бактерий Proteus vulgaris и Clostridiumtetani насчитывается от 50 до 100 жгутиков. Толщина жгутиковколеблется от 12 до 20 нм (более сложно устроенные жгутики имеюттолщину до 35 нм), длина — от 10 до 20 мкм. У некоторых спириллжгутики могут достигать в длину 70 мкм и более, причем длина мо-жет меняться в зависимости от состояния культуры и фактороввнешней среды.

Жгутики хорошо видны в электронный микроскоп, для на-блюдения через оптический микроскоп требуется их специальная об-работка. Считают, что жгутики не относятся к жизненно важнымструктурам бактериальной клетки. Например, виды бактерий, для ко-торых характерны жгутики, можно вырастить в условиях, при кото-рых эти структуры не развиваются. У некоторых подвижных бактерийнаблюдаются «фазовые вариации», т. е. в течение одной фазы цикларазвития бактерии жгутики имеются, в другой — отсутствуют. Жгути-ки даже можно разрушить, а клетка останется жизнеспособной.

В строении жгутика можно выделить нить, крюк и базальноетельце, расположенное под цитоплазматической мембраной. Жгути-ковая нить волнообразно изогнута и состоит из белка флагеллина.Белковые молекулы жгутиков собраны в спиральные цепи, закруг-ленные вокруг полой сердцевины. Крюк жгутика представляет со-бой изогнутый белковый цилиндр. Он служит связующим звеноммежду жесткой нитью и базальным телом, соединяясь с палочкой,или осью, входящей в состав базального тельца. Последняя состоитиз двух или четырех колец, встроенных в клеточную стенку и цито-плазматическую мембрану бактерии, цилиндра и палочки-оси, накоторой крепятся кольца и основание крюка.

Жесткая спираль нити жгутика вращается в результате работыбазального тела, представляющего собой своеобразный электромо-тор. Считают, что вращение жгутика определяется кольцом, распо-ложенным в цитоплазматической мембране, в то время как другиекольца базального тела неподвижны и служат для крепления в кле-точной стенке палочки-оси, через которую вращение кольца пере-дается на крюк, а затем на нить жгутика.

28

Рис. 16. Бактерии с разными типами жгутикования.Электронная микрофотография

Энергетика вращения жгутика обеспечивается трансмембран-ной протондвижущей силой Д цН+ в соответствии с механизмом,описанным в главе «Питание микроорганизмов». Предполагают, чтона один оборот мотора расходуется энергия переноса примерно 103

протонов. Основание жгутика, вероятно, вращается так, что послед-ний как бы ввинчивается в среду, не совершая беспорядочных бие-ний, и таким образом продвигает клетку вперед.

29

Скорость передвижения бактериальных клеток со жгутикамизависит от особенностей аппарата движения и свойств среды — еевязкости, температуры, рН, осмотического давления и др. Большин-ство бактерий за 1 с проходит расстояние, равное размерам их клет-ки. Однако некоторые виды при благоприятных условиях за то же вре-мя могут пройти расстояние, превышающее размеры клетки в 50 рази более.

Все подвижные бактерии передвигаются в направлении, кото-рое определяется теми или иными внешними воздействиями. Дви-жение, ориентированное относительно направления действия какого-либо фактора, носит название таксиса. В зависимости от приро-ды внешнего фактора, под воздействием которого происходит дви-жение, различают хемотаксис, аэротаксис, фототаксис, термотаксис,магнетотаксис и вискозитаксис.

Хемотаксис — это движение бактерий в определенном направ-лении относительно того или иного источника химического соеди-нения — эффектора. Бактерии определяют наличие разницы в кон-центрации эффектора в пространстве и во времени. Химические со-единения для каждой бактерии можно подразделить на вещества, невызывающие таксисов, и на эффекторы — аттрактанты и репеллен-ты. Аттрактанты — соединения, привлекающие организмы, ре-п е л л е н т ы — вещества, их отпугивающие. Аттрактанты большейчастью представлены пищевыми субстратами, а репелленты — ядо-витыми соединениями.

Аэротаксис связан с разницей содержания в среде кислорода,а термотаксис — с разницей температур. При фототаксисе условиемнаправленного движения бактерий служит различие в интенсивнос-ти освещения. Фототаксис обнаруживается прежде всего у фото-трофных бактерий.

Магнетотаксис — это способность бактерий двигаться по си-ловым линиям магнитного поля Земли. В клетках этих организмовимеются включения магнетита, выполняющие функцию магнитнойстрелки. Если в Северном полушарии магнетобактерии плывут в на-правлении Северного полюса, то в Южном — в направлении Юж-ного. Вискозитаксис — это реакция бактерий на изменение вязкостираствора: они способны плыть в направлении ее увеличения илиснижения. Считают, что таксисы можно рассматривать как элемен-тарную форму поведения бактерий.

Фимбрии и пили. Кроме жгутиков, клетки бактерий могутиметь длинные, тонкие и прямые нити — фимбрии. Фимбрии зна-чительно короче и тоньше жгутиков, но более многочисленны. Об-наружены они как у подвижных, так и у неподвижных организмов.Длина фимбрии составляет 1,5 мкм, диаметр — 7 нм. На одну бакте-риальную клетку обычно приходится 50—400 фимбрии. Они распо-лагаются по всей поверхности клетки и состоят из белка — пилина.

30

Известно уже несколько типов фимбрии, которые различают-ся функциями. Наиболее изучены функции фимбрии первого и вто-рого типов. Фимбрии первого типа характерны для многих бак-терий, в связи с чем их называют ф и м б р и я м и общего типа.Наличие фимбрии первого типа помогает бактериальной клеткеприлипать к клеткам живых организмов (эритроцитам и другимклеткам животных и человека, к клеткам растений и грибов) и не-органическим субстратам или способствует образованию пленок наповерхности жидкостей, в которых протекает жизнедеятельностьбактерий. Считают, что фимбрии данного типа служат органамиприкрепления (рис. 17).

Большой интерес представляют фимбрии второго типа,так называемые половые фимбрии, или F - п и л и , имеющиевнутри канал, через который передается генетический материал отодной клетки к другой при конъюгации бактерий. Половые пилипредставляют собой белковые цилиндры толщиной 8,5—9,5 нм идлиной до 1,1 мкм. Полагают, чтоF-пили обеспечивают контактмежду двумя клетками и служат конъюгационной трубкой, по кото-рой происходит передача ДНК. Через пили в клетки бактерий могутпроникать вирусы (фаги). Фимбрии не считают обязательной струк-

Рис. 17. Клетка Escherichia coli, окруженная фимбриями.Электронная микрофотография

31

турой бактериальной клетки, так как без них бактерии могут нор-мально расти и размножаться.

На поверхности клеток некоторых бактерий, близких к псев-домонадам, обнаружены своеобразные структуры, так называемыешипы. Они представляют собой полые цилиндры длиной 1—3 мкм итолщиной около 65 нм. Шипы состоят из белка спинина. Бактериис шипами обычно неподвижны. Считают, что образование шипов спо-собствует лучшему выживанию бактерий в естественной среде обита-ния. У ряда метилобактерий обнаружены трубчатые выросты, числокоторых может достигать 300—350. Диаметр трубочек около 40 нм,длина до 0,3 мкм. Основание трубочки связано с клеточной стенкойбактерии, но под трубочкой имеется канал, который достигает цито-плазматической мембраны. Значение трубчатых выростов для жизне-деятельности бактерий остается пока не выясненным.

Клеточная стенка — один из главных элементов структурыбактериальной клетки. Клеточная стенка обладает определенной ри-гидностью, т. е. жесткостью, и вместе с тем эластичностью — можетизгибаться. Ее можно разрушить ультразвуком, ферментом лизоци-мом и другими способами. В случае разрушения клеточной стенкисодержание клетки — цитоплазма с включениями, окруженная ци-топлазматической мембраной, — приобретает шаровидную форму.Такую округлившуюся клетку, образовавшуюся после удаления кле-точной стенки у бактерии, называют протопластом, а если оболочкаразрушена не полностью — сферопластом. Отсюда следует, что стен-ка придает бактериальной клетке определенную форму.

Клеточная стенка имеет и другие функции. Она защищаетвнутреннее содержимое клетки от действия механических и осмоти-ческих сил внешней среды, ей принадлежит важная роль в регуля-ции роста и деления бактерий, распределении генетического мате-риала.

Толщина клеточной стенки колеблется от 20 до 100 нм и бо-лее и составляет около 20% сухого вещества бактериальной клетки.Клеточная стенка относительно проницаема для крупных молекул.Она связана с цитоплазматической мембраной соединительнымитяжами — «мостиками».

Считают, что клеточная стенка ответственна за окрашиваниебактерий по Граму1, так как способность или, наоборот, неспособ-

1 Так называется способ окраски, разработанный датским ученымX. Грамом в 1884 г., позволяющий дифференцировать бактерии. После окра-ски генцианвиолетом и обработки раствором иода клетки одних видов бак-терий обесцвечиваются спиртом, других — остаются окрашенными в си-не-фиолетовый цвет. По данному признаку бактерии разделяют на окраши-вающиеся по Граму — грамположительные и не окрашивающиеся —грамотрицательные.

32

ность окрашиваться по Граму связана с различием в химическом со-ставе клеточных стенок бактерий.

Главным структурным компонентом клеточных стенок боль-шинства исследованных бактерий служит пептидогликан, или муре-,ин, представляющий собой гетерополимер, который построен из че-редующихся остатков N-ацетил-N-глюкозамина и N-ацетилмурамо-вой кислоты (3-О-лактил-N-ацетил-N-глюкозамин), соединенныхβ-1,4-связями, и небольшой группы аминокислот: L-аланина, D-ала-нина, D-глутаминовой кислоты, а также лизина или диаминопиме-линовой кислоты.

Молекула пептидогликана представляет собой правильнуюсеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, соеди-ненных друг с другом короткими цепями пептидов. Пептидогликанобладает прочностью и упругостью, при растворении других компо-нентов клетки он сохраняет форму, образуя своеобразный пептидо-гликановый, или муреиновый, мешочек, или саккулу, которая со-стоит из сетки муреиновых молекул.

Пептидогликан придает клеточной стенке ригидные свойства,благодаря чему бактериальная клетка способна сохранять форму.У грамположительных бактерий клеточная стенка состоит главнымобразом из многослойного пептидогликана, с которым соединенывторичные полимеры — тейхоевые кислоты (полимеры, образован-ные остатками спирта рибита или глицерина, связанными фосфоди-эфирными мостиками) и тейхуроновые кислоты, образованные ос-татками уроновых кислот и N-ацетилглюкозамина.

Большинство грамположительных бактерий имеет в составеклеточной стенки дополнительные структуры, образованные поли-сахаридами, белками или гликопротеидами, участвующими в защи-те клетки от внешних воздействий. У грамположительных бактерийпептидогликан обычно составляет 40—60% сухой массы клеточнойстенки, у некоторых видов — 80—90%. Обычная для многих бакте-

332. Микробиология

рий толщина клеточной стенки в 30—40 нм соответствует толщинеприблизительно 40 молекул пептидогликана.

Отличительная особенность клеточной стенки грамотрица-тельных бактерий — наличие так называемой наружной мембраны.Наружная мембрана состоит из фосфолипидов, липополисахарида(ЛПС), липопротеина (ЛП) и белков. Под наружной мембранойрасположена периплазма, или периплазматическое пространство.Периплазма содержит один слой пептидогликана и раствор, в составкоторого входят специфичные для нее белки и олигосахариды, а так-же неорганические соединения. Пептидогликан грамотрицательныхбактерий составляет около 10% массы клеточной стенки. Толщинаслоя пептидогликана обычно не превышает 1,6—3 нм, а посколькутолщина мономолекулярного слоя пептидогликана около 1 нм, сле-дует предположить, что пептидогликан в периплазме образует не-сколько слоев.

Таким образом, неодинаковое отношение бактерий к окраскепо Граму может быть объяснено различием в количестве пептидо-гликана и его локализацией в клеточной стенке.

Клеточной стенки нет у микоплазм, а также у L-форм бакте-рий. Обычно как L-формы обозначают бактерий, способных к нор-мальному развитию при отсутствии клеточной стенки. Наименова-ние «L-формы» (от названия Листеровского института в Велико-британии, где были впервые изучены) получили бактерии,полностью или частично лишенные клеточной стенки. Переход бак-терий в L-форму осуществляется под действием различных факторов(антибиотиков, например пенициллина, или спонтанно, без видимойпричины), нарушающих структуру и синтез клеточной стенки.

В культуре L-формы можно обнаружить клетки размером0,2—50 мкм. В связи с отсутствием клеточной стенки у L-формнет определенной формы и не функционируют нормальные меха-низмы клеточного деления. Поэтому в колониях этих организмовобычно обнаруживают так называемые элементарные тела размером0,2—1 мкм, шаровидные тела размером 1—5 мкм, большие тела раз-мером 5—50 мкм, нитевидные структуры различного диаметра, а так-же бесструктурные массы, в которых границы отдельных клеток невидны. Считают, что образование L-форм происходит не только влабораторных, но и в природных условиях, причем к образованиюL-форм способны многие бактерии — как патогенные, так и сап-ротрофные.

Интересно отметить, что, хотя бактерии в L-форме менее ак-тивны, чем в нормальном состоянии, они совершенно нечув-ствительны к факторам, влияющим на клеточную стенку, в частнос-ти устойчивы к целому ряду антибиотиков. По-видимому, переход вL-форму необходимо рассматривать как способ переживания бакте-риями неблагоприятных условий.

34

Цитоплазматическая мембрана. К клеточной стенке бакте-риальной клетки тесно прилегает внешний слой цитоплазмы — ци-топлазматическая мембрана. Цитоплазматическая мембрана бакте-рий служит главным барьером между цитоплазмой клетки и окру-жающей внешней средой. При разрушении цитоплазматическоймембраны бактериальная клетка погибает. В основе цитоплазмати-ческой мембраны лежит бислой липидов. Липиды составляют 15—50% сухой массы цитоплазматической мембраны. Основная массамембранных липидов (70—90%) бактерий представлена фосфолипи-дами. Около 50% поверхности цитоплазматической мембраны со-ставляют мембранные белки. Они полностью или частично погру-жены в липидный бислой, некоторые белки располагаются на егоповерхности.

Общая толщина мембраны составляет приблизительно 7—8 нм.По структуре и функциям цитоплазматические мембраны бактерийв целом сходны с мембранами эукариотных клеток. Цитоплазмати-ческая мембрана играет роль осмотического барьера, контролирую-щего транспорт веществ в бактериальную клетку и из нее. Нередкомембрана дает внутрицитоплазматические впячивания (инвагина-ции), приводящие к образованию особых структур — мезосом, илинуклеоидосом.

Мезосомы — это мембранные системы, состоящие из трубочек,пузырьков и пластинок. Наиболее обычный тип мезосом — мемб-ранные кольцевые впячивания цитоплазматической мембраны, рас-положенные в зоне образования клеточной перегородки в клеткахбактерий при делении.

Во время клеточного деления мезосома связывается с ДНК,что, по-видимому, облегчает разделение двух дочерних молекулДНК после репликации и обусловливает образование перегородкимежду дочерними клетками.

Считают, что цитоплазматическая мембрана и мезосомы вы-полняют функции, свойственные мембранным структурам, в томчисле митохондриям высших организмов, в которых или на которыхлокализованы ферментные системы — поставщики энергии. В отли-чие от митохондрий в цитоплазматической мембране и мезосомахбактерий наряду с дыхательными системами ферментов и механиз-мом регуляции проницаемости располагаются специфичные фер-ментные системы, участвующие в таких процессах, как азотфикса-ция и хемосинтез.

С цитоплазматической мембраной, мезосомами и близкимиим структурами бактерий связаны и многие другие функции — био-синтез клеточной стенки и капсулы, выделение экзоферментов, де-ление и спорообразование и т. д.

Цитоплазма. Под цитоплазматической мембраной у бактерийнаходится цитоплазма. Это коллоидная система, состоящая из воды,

35

белков, жиров, углеводов, минеральных соединений и других ве-ществ, соотношение которых варьирует в зависимости от вида бак-терий и их возраста. Цитоплазма бактерий содержит различныеструктурные элементы — внутрицитоплазматические мембраны, ге-нетический аппарат, рибосомы и включения; остальная часть еепредставлена цитозолем.

Цитозоль — это фракция цитоплазмы, которая имеет гомоген-ную консистенцию и состоит главным образом из белковых макро-молекул (растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и суб-стратов различных реакций). Цитозоль служит поддерживающейсредой для клеточных гранул. По структуре цитоплазма мелкограну-лярная, состоит из цитоплазматических гранул диаметром 10—20 нм.В цитоплазме находятся рибосомы — частицы, состоящие из РНК(60%) и белка (40%) и имеющие форму круглых или несколько уд-линенных структур диаметром около 20 нм.

Каждая бактерия содержит от нескольких тысяч до десятковтысяч этих центров синтеза белков. Число рибосом в клетке меняет-ся в зависимости от скорости роста бактерии — чем быстрее рост,тем больше рибосом в клетке. Значительная часть рибосом связанас цитоплазматической мембраной, остальные свободно распределя-ются в цитоплазме.

Рибосомы совместно с молекулами РНК и ДНК участвуют всинтезе белка не как изолированные частицы, а в виде агрегатов,называемых полирибосомами, или полисомами.

В клетках цианобактерий присутствуют так называемые тила-коиды — внутриклеточные мембранные фотосинтезирующие струк-туры, содержащие хлорофилл и каротиноиды, при помощи которыхосуществляется фотосинтез. Особые светособирающие пигменты —фикобилины, находятся в специальных структурах, фикобилисомах,располагающихся на поверхности тилакоидов. У пурпурных серо-бактерий фотосинтезирующие пигменты (бактериохлорофилл и ка-ротиноиды) локализованы в хроматофорах, составляющих от 40 до50% массы клетки.

Мембранные структуры хроматофора имеют вид трубочек и пу-зырьков диаметром 20—100 нм. Трубочки и пузырьки образуют в клет-ке сложную мембранную сеть и на многих участках сохраняют связьс цитоплазматической мембраной. У зеленых бактерий светособи-рающие пигменты, участвующие в фотосинтезе, содержатся в осо-бых структурах,называемых хлоросомами.

У большинства нитрифицирующих и метаноокисляющих бак-терий имеются сильно развитые системы внутриклеточных мембран.Характер строения этих структур и их расположение в клетке не-одинаковы у разных видов нитрифицирующих бактерий: стопки ла-мелл (пластинок) могут быть расположены параллельно клеточнойстенке, в центре клетки или у одного из полюсов.

36

У метаноокисляющих бактерий обнаруживаются как диско-видные стопки мембран, распределенные по всей цитоплазме, так ипластинчатые образования, расположенные параллельно клеточнойстенке. Предполагают, что мощно развитая внутриклеточная сетьмембранных структур связана с использованием указанными бакте-риями газообразных соединений: увеличение активной поверхностимембран обусловливает повышение локальной концентрации газов,при этом происходит пространственное сближение их с молекуляр-ным кислородом и ферментами, участвующими в окислительныхпроцессах.

Включения. В цитоплазме клеток бактерий часто содержатсягранулы различной формы и размеров. Их присутствие нельзя рас-сматривать как постоянный признак микроорганизма, обычно они взначительной степени связаны с физическими и химическими усло-виями среды обитания. Разнообразные включения не являютсяструктурами, абсолютно необходимыми для жизнедеятельности бак-терий, и могут присутствовать в клетках или отсутствовать. Природаи функции включений существенно различаются. Некоторые извключений окружены белковой мембраной.

Примером подобных включений служат газовые вакуоли —аэросомы. Они образованы скоплениями газовых пузырьков, запол-ненных газом, состав которого соответствует таковому окружающейсреды. Газовые вакуоли встречаются у разных групп бактерий, в ос-новном у водных видов. Функция газовых вакуолей заключается вобеспечении плавучести водных бактерий, регулирующих при помо-щи аэросом глубину погружения, выбирая оптимальные условия су-ществования. Перемещение по направлению к верхним или ниж-ним слоям воды происходит в результате увеличения или уменьше-ния (сжатия) пузырьков.

К включениям относят внутрицитоплазматические гранулызапасных веществ, образованные соединениями, служащими длямикроорганизмов источниками энергии и углерода. Такие соедине-ния обычно образуются, когда микроорганизм получает достаточноеколичество питательных веществ, и используются, когда он попада-ет в неблагоприятные в отношении питания условия. Как резервныев клетках бактерий могут накапливаться питательные вещества, со-стоящие из полисахаридов — гранулы гликогена или гранулезы (близ-кого к амилопектину полисахарида). При недостаточном поступле-нии углеродсодержащих веществ в питательную среду гранулы гли-когена или гранулезы постепенно исчезают из клеток бактерий.

Существуют бактерии, запасающие одно вещество, два илицелый ряд соединений. Природа запасаемого субстрата определяет-ся видом бактерий и условиями их культивирования. Обычно на-копление полисахаридных гранул стимулируется недостатком азотапри избытке углеводов.

37

Многие бактерии в качестве резервного вещества синтезиру-ют поли-B-гидроксимасляную кислоту (ПОМ) (полиэфир-B-оксимас-ляной кислоты). В клетках бактерий ПОМ локализована в округ-лых, иногда продолговатых, гранулах различного размера, окружен-ных белковой мембраной. Если поместить клетки, содержащиеПОМ, в среду без источников углерода и энергии, они начинаютэнергично использовать ПОМ. Бактерии, богатые ПОМ, в таких ус-ловиях дольше сохраняют жизнеспособность, чем клетки, лишен-ные данного вещества.

У некоторых видов бактерий в клетках накапливаются грану-лы жира и волютина. Волютиновые гранулы, называемые еще ме-тахроматическими гранулами, состоят преимущественно из поли-фосфатов и служат местом запасания фосфора. В то же время поли-фосфаты имеют макроэргические связи и служат в качестве депоэнергии. Волютин представлен в крупных, хорошо видимых грану-лах, образующихся в больших количествах на средах, богатых глице-рином или углеводами.

В клетках серных бактерий встречаются включения серы, ко-торая образуется в результате окисления сероводорода. Ее можнообнаружить непосредственно в цитоплазме в виде блестящих полу-жидких капелек. Включения серы для аэробных тионовых бактерий,окисляющих сероводород, служат источником энергии. Некоторыесерные бактерии наряду с капельками серы откладывают в клеткахзернышки аморфного карбоната кальция, роль которого пока невыяснена.

В клетках цианобактерий, ряда других фототрофных и хемоли-тоавтотрофных бактерий обнаружены ромбовидные или шестигран-ные включения, названные карбоксисомами, или полиэдральнымителами. Данные структуры состоят в основном из молекул D-рибу-лозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы — главного фермента, катализирую-щего фиксацию углекислоты. Предполагают, что в этих структурахосуществляется процесс связывания СО2. Обнаружены и другиевключения в клетках бактерий — это рапидосомы, R-тела, магнито-сомы. Последние присутствуют в клетках бактерий, обладающихмагнитотаксисом, т. е. перемещающихся вдоль линий магнитногополя. Магнитосомы — структуры, представляющие собой частицыFe3O4, окруженные белковой мембраной. В клетках бактерий магни-тосомы могут существенно различаться по форме, числу и характерураспределения.

В цитоплазматическом матриксе содержатся также раствори-мые белки, различные ферменты, РНК, пигменты и низкомолеку-лярные соединения — углеводы, аминокислоты и нуклеотиды. На-личие в цитоплазме низкомолекулярных соединений обусловливаетразность в осмотическом давлении клеточного содержимого и внеш-

38

пей среды. Величина внутриклеточного осмотического давления зна-чительно варьирует у разных микроорганизмов.

Нуклеоид. В цитоплазме бактериальных клеток расположенаструктура, эквивалентная ядру и называемая нуклеоидом (рис. 18).Нуклеоиды бактерий содержат ДНК, молекулярная масса которойколеблется от 0,45 . 109 у микоплазм до 2,9. 109 у спорообразующихбактерий и энтеробактерий, что значительно меньше молекулярноймассы ДНК эукариот. Установлено, что бактериальная ДНК по фор-ме представляет собой свернутую в кольцо нить длиной 1,1—1,6 мм,называемую также бактериальной хромосомой.

В покоящейся бактериальной клетке обычно содержится одиннуклеоид; клетки, находящиеся в фазе, предшествующей делению,имеют два нуклеоида; в фазе логарифмического роста — размно-жения — до четырех и более.

Количество ДНК в клетке кишечной палочки определяетсяскоростью роста — обычно у быстрорастущих клеток на хромосомевидно несколько репликационных вилок; клетки могут содержать инесколько нуклеоидов. У ряда бактерий в клетке может быть не од-на, а много хромосом. Например, вегетативные клетки Bacillus subti-lis имеют от двух до девяти хромосом и соответственно нескольконуклеоидов. Для многих цианобактерий характерны множественныехромосомы. Содержание ДНК у бактерий определяется в значитель-ной мере размерами клетки — чем больше клетка, тем больше ДНК.

ДНК бактерий и объединенные с ней системы репликации,репарации, транскрипции и трансляции не отделены от остальнойчасти клетки мембраной, так как у прокариот отсутствует ядернаяоболочка. Однако у большинства бактерий выявляется четко отде-ленная от цитоплазмы центральная ядерная зона, где расположенынуклеоид или нуклеоплазма. По имеющимся наблюдениям, у грам-положительных бактерий нуклеоид более компактен и занимает от-

Рис. 18. Ядерные структуры бактерий: А — Bacillus cereus,Б, В — Micrococcus radiodurans, штамм «Sark» (по: С. Робиноу)

39

носительно меньшую часть объема клетки, чем у грамотрицатель-ных. Нуклеоид связан с мембраной (число точек связи может дости-гать 20 и более), у грамположительных бактерий — с мезосомой(нуклеоидосомой).

Нуклеоид бактерий — основной носитель информации о свой-ствах клетки и основной фактор передачи этих свойств потомству.Кроме нуклеоида, в цитоплазме бактериальной клетки могут нахо-диться в сотни раз более короткие кольцевые нити ДНК — так на-зываемые внехромосомные факторы наследственности, получив-шие название плазмиды. Как выяснено, плазмиды не всегда имеютсяу бактерий. Однако их присутствие обеспечивает дополнительные,полезные для организма свойства, в частности связанные с размно-жением, устойчивостью к лекарственным препаратам, болезнетвор-ностью и др.

1.3. Споры и спорообразование

Бактерии родов Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacil-lus, Sporosarcina и некоторых других (всего описано более 15 родовспорообразующих бактерий) способны образовывать споры, или эн-доспоры, — внутриклеточные тельца сферической или эллиптиче-ской формы (рис. 19). Споры преломляют свет и четко видны в све-товом микроскопе. Как правило, внутри бактериальной клетки об-разуется только одна спора. Однако у отдельных видов Clostridium идругих родов бактерий обнаружены клетки с двумя и более спорами.

Рис. 19. Ультратонкий срез клетки Clostridim butyricum со спорой.Электронная микрофотография (по: В. Т. Емцев, В. И. Дуда и Ш. И. Шелли)

40.

Выделена бактерия Anaerobacter polyendosporus, клетки которой со-держат от двух до пяти эндоспор.

При формировании спор увеличения числа организмов непроисходит, поэтому спорообразование нельзя считать способомразмножения бактерий. Обычно споры появляются, когда бактериииспытывают недостаток питательных веществ или в среде их обита-ния в большом количестве накапливаются продукты обмена ве-ществ. Споры представляют собой стадию покоя и приспособленыдля выживания в неблагоприятных условиях среды.

Процесс спорообразования. Его можно подразделить нашесть-семь последовательных стадий. П е р в а я стадия характери-зуется репликацией ДНК с образованием двух и более нуклеоидов,которые локализуются в виде осевого тяжа вдоль бактериальнойклетки.

На второй стадии происходит отделение одной хромосомыот осевого тяжа ДНК и перемещение ее к полюсу клетки. Впослед-ствии меньшая часть цитоплазмы с заключенной в нее хромосомойотделяется от остальной цитоплазмы цитоплазматической мембра-ной, которая врастает так же, как при клеточном делении. В итогевозникают две, разделенные мембраной, неравные (большая, «мате-ринская», и малая) клетки. Клеточная стенка бактерии в этом деле-нии участия не принимает. В промежутке между второй и третьейстадией происходит «обрастание» малой клетки с хромосомой цито-плазматической мембраной большой клетки. В результате образует-ся округлая проспора, окруженная двумя мембранами.

Третья стадия характеризуется отделением проспоры от мем-браны большой клетки. Проспора окружена со всех сторон цито-плазмой и как бы свободно в ней плавает, она может оставаться у по-люса бактериальной клетки либо, как у некоторых видов, перехо-дить к центру. Во время прохождения третьей стадии в проспорупоступают из материнской клетки ряд аминокислот, дипиколиноваякислота (ДПК) и ионы Са2+. Затем внутри проспоры образуетсякомплекс Са с дипиколиновой кислотой.

На четвертой стадии между двумя мембранами проспорыобразуется толстый слой коры, или кортекса, состоящего из прочносоединенных молекул пептидогликана. Обычно синтез кортексапродолжается до самого созревания споры. Во время этой стадиинаблюдается усиление способности проспоры к светопреломлению,что, по-видимому, связано с ее обогащением комплексом ДПК-Са.

П я т а я стадия характеризуется формированием к периферииот наружной мембраны проспоры споровых покровов, состоящих изнескольких слоев, главным образом белков с высоким содержаниемцистеина и гидрофобных аминокислот. У некоторых бактерий (ро-ды Bacillus, Clostridium) поверх покровов споры формируется ещеодна структура — экзоспориум, часто состоящий из многих слоев

41

(10—15) и имеющий подчас разнообразную «лепную» форму. Спорымногих видов рода Clostridium обладают различными придатками ивыростами в виде трубчатых, лентовидных, булавовидных, древо-видных и других образований. Назначение этих выростов остаетсянеясным. На данной стадии продолжается накопление в споре ДПКи кальция.

Во время шестой стадии заканчивается формирование всехструктур споры, и она приобретает термоустойчивость. Диаметрспоры приблизительно равен или несколько превышает диаметрклетки, в которой спора образовалась. У одних бактерий спора фор-мируется на конце клетки, последняя при этом несколько расширя-ется, приобретая вид барабанной палочки; у других образуется вцентре клетки, и последняя либо не меняет формы (род Bacillus), ли-бо расширяется в центре, принимая вид веретена (род Clostridium).

В ряде случаев выделяют седьмую стадию, во время кото-рой происходит лизис (разрушение) материнской клетки, спора вы-свобождается и выходит в окружающую среду. В сердцевине зрелойспоры содержатся белки и нуклеиновые кислоты, а также ДПК идругие низкомолекулярные соединения. Спора содержит хромосо-му, обычные рибосомы и различные ферменты. Считают, что белкисердцевины споры образуют комплексы с ДНК, что приводит к из-менению структуры последней и обеспечивает термо- и радиоустой-чивость споры. Большое значение в обеспечении термоустойчивос-ти спор придается комплексу ДПК-Са.

Свойства спор. Споры сохраняют жизнеспособность в усло-виях, когда вегетативные клетки, т. е. не образовавшие спор, поги-бают. Большинство спор хорошо переносят высушивание, многиеспоры нельзя убить даже кипячением в течение нескольких часов.Для их уничтожения требуется температура, пара 120 °С при его дав-лении 1 атм (1,01 • 105 Па), поддерживаемые в течение 20 мин. В су-хом состоянии споры погибают лишь при сильном нагревании(150—160 °С) в течение нескольких часов. Споры отдельных видовбактерий отличаются особой термоустойчивостью.

Споры способны выдерживать также воздействие низких тем-ператур, радиации, давления, агрессивных химических соединений,ферментов, антибиотиков, высушивания. Достаточно высокая ус-тойчивость спор к ферментам, ядам, органическим растворителямобъясняется барьерной ролью белковых покровов споры.

Споры бактерий могут длительное время существовать в по-коящемся состоянии. Английский микробиолог П. Снис нашел жиз-неспособные споры бактерий в комочках почвы, приставших к кор-ням растений гербария, хранившегося около 320 лет. В слое осадковна дне озера в штате Миннесота найдены споры, возраст которыхоценивают в 7500 лет. По некоторым данным, найдены споры и бо-лее «солидного» возраста. Так, немецкий микробиолог Г. Домбров-

42

ский обнаружил жизнеспособные споры в образцах соли из девон-ских, пермских и силурийских месторождений, расположенных в Гер-мании и Северной Америке, имеющих возраст более 300 млн лет.А в опытах, проведенных в Лейденском университете (Нидерлан-ды), было показано, что споры некоторых бактерий могли бы вы-жить в условиях космоса в течение 45 млн лет.

Прорастание спор. При попадании в благоприятные условияспора начинает прорастать. Процесс ее прорастания подразделяютна три стадии: активацию, инициацию и так называемое выраста-ние. Во время а к т и в а ц и и проявляется готовность споры к про-растанию, хотя при этом сохраняется ее устойчивость к температу-ре, способность к светопреломлению и т. д. Большое влияние на ак-тивацию оказывает температура — чем выше температура, тембыстрее происходит активация.

Вторая стадия — и н и ц и а ц и я — необратима и происходит втечение нескольких минут. При этом уменьшается устойчивостьспоры к прогреванию, снижается ее светорассеяние. Прохождениеспорой данной стадии зависит от температуры, влажности, реакциисреды и других факторов.

Третья стадия — в ы р а с т а н и е — это процесс интенсивногороста. Во время нее идет активный синтез белка и РНК; репликацияДНК начинается через 1—2 ч после начала прорастания споры. Вовремя прорастания споры происходит лизис ее оболочек или их раз-рыв и выход проростка (ростовой трубки) из оболочек. В дальней-шем наблюдается удлинение освободившегося бактериального орга-низма и, наконец, деление уже удлиненной клетки.

Некоторые бактерии одновременно со спорами образуют па-распоральные тела. Такие тела, например, формируются в клеткахBacillus thuringiensis. Они представляют собой белковые кристаллы,токсичные для насекомых. Организмы, образующие параспораль-ные тела, используют для борьбы с вредными насекомыми.

Другие покоящиеся формы. Существуют бактерии, у которыхобразуются другие, относительно устойчивые к неблагоприятнымусловиям среды (температуры, кислотности, аэрации и т. д.) по-коящиеся клетки. К ним относятся прежде всего так называемыецисты, которые характерны для азотобактера, спирохет, миксобак-терий, риккетсий, метилотрофных бактерий и бактерий рода Bdello-vibrio. В процессе образования цисты бактериальная клетка целикомпревращается в покоящуюся клетку, при этом изменяется ее форма,утолщается клеточная стенка.

Зрелые цисты представляют собой округлые светопреломляю-щие образования, имеющие сердцевину — цитоплазму с нуклеои-дом и гранулами поли-B-гидроксимасляной кислоты. Цитоплазмаокружена цитоплазматической мембраной и двумя оболочками: ин-

43

т и н о й — толстой внутренней оболочкой и э к з и н о й — много-слойной внешней оболочкой. В цистах содержится почти в два разабольше липидов, чем в вегетативных клетках. Цисты более устойчи-вы, чем вегетативные клетки, к механическим воздействиям, высу-шиванию, лизоциму. Устойчивость цист к высоким температурам ненамного выше, чем вегетативных клеток.

К покоящимся формам бактерий относятся также экзоспоры,которые образуются у некоторых почкующихся фотосинтезирующихи метанолокисляющих бактерий. Экзоспоры обладают значительнобольшей устойчивостью, чем вегетативные клетки, к высушиванию,ультрафиолетовому облучению, высокой температуре (выдерживаюткипячение в течение нескольких минут). Известны и другие группыпокоящихся клеток бактерий, например специализированные клет-ки у внутриклеточных паразитов и симбионтов.

Контрольные вопросы и задания

1. Чем отличаются прокариоты от эукариот? 2. Перечислите основные формы бакте-рий и дайте им характеристику. 3. Что представляют собой поверхностные и внутрен-ние структуры бактерий и каковы их функции? 4. Каковы особенности грамположи-тельных и грамотрицательных бактерий? 5. Назовите виды бактерий, не имеющихклеточной стенки. 6. В чем отличие нуклеотида прокариот от ядра эукариот? 7. Оха-рактеризуйте основные стадии процесса спорообразования. 8. Какие функции выпол-няют эндоспоры бактерий и какие споры грибов? 9. Чем объясняется термоустойчи-вость бактерий?

Систематика прокариот

Систематика, или таксономия — распределение, классификацияорганизмов по группам (таксонам) в соответствии с определеннымипризнаками, а также установление родственных связей между ними.Изучение основных групп микроорганизмов полезно предварить зна-комством с принципами их номенклатуры. Номенклатура — это систе-ма наименований, применяемых в определенной области знаний.

2.1. Общие сведения по систематике микроорганизмов

Любая система номенклатуры и таксономии требует наиболее пол-ного знания объектов. Чтобы получить информацию, необходи-мую для наименования и классификации микроорганизмов, изуча-ют все многообразие и все особенности их внешней и внутренней

структуры, физиологические и биохимические свойства, а такжепроцессы, вызываемые микроорганизмами в их естественной средеобитания.

С основными характеристиками микроорганизма знакомятсяв следующем порядке: определяют, каков внешний вид микроорга-низма — его форма, подвижность (наличие жгутиков и их располо-жение), наличие капсул и способность к образованию эндоспор,способность окрашиваться по Граму; выясняют особенности обменавеществ, способы получения энергии; наконец, определяют, какимобразом он изменяет внешнюю среду, в которой растет, и как окру-жающая среда влияет на его жизнедеятельность.

В последнее время в связи с развитием молекулярной био-логии разработаны новые подходы к характеристике микроорга-низмов, что оказало огромное влияние на их систематику. В част-ности, определенную ценность имеют методы геносистематики1,позволяющие непосредственно охарактеризовать наследственныесвойства (генотип) микроорганизмов и таким образом дополнитьих описание, которое до последнего времени отражало исклю-чительно структурные и функциональные свойства (фенотип). Дан-ные о генотипе микроорганизма получают при помощи методованализа выделенных нуклеиновых кислот: определения нуклео-тидного состава ДНК и изучения химической гибридизации нукле-иновых кислот, изолированных из разных микроорганизмов.

По соотношениям пар пуриновых и пиримидиновых основа-ний в молекуле ДНК выявляют генетические различия между груп-пами микроорганизмов. Второй метод помогает установить гомоло-гию ДНК при гибридизации пары исследуемых молекул, выделен-ных из разных микроорганизмов. Если наблюдается высокаястепень связывания молекул ДНК (80—90% и более), то можно го-ворить о гомологии первичной структуры и близком генетическомродстве микроорганизмов (филогенетической связи). Низкая сте-пень гомологии (50%) характеризует достаточно отдаленные генети-ческие связи между микроорганизмами. Особое значение для разви-тия геносистематики имела разработка методов секвенирования, т. е.определения последовательности нуклеотйдов в нуклеиновых кис-лотах, в частности в рибоcомальной РНК. Сравнение таких после-довательностей у разных микроорганизмов и построение так назы-ваемых филогенетических деревьев, в определенной мере отражаю-щих степень родства между ними, привело к коренным изменениямв систематике микроорганизмов.

1 Геносистематика изучает физико-химические свойства ДНК с цельюсоздания естественной системы микроорганизмов.

45

В систематике микроорганизмов иногда используют нумери-ческую таксономию, предложенную современником Карла ЛиннеяМ. Адансоном. В основу адансоновской, или нумерической, таксоно-мии положены следующие принципы: равномерность изучаемыхпризнаков организмов; доведение их количества до максимальнойвеличины; выделение каждой таксономической группы по числусовпадающих признаков. Указанный подход к систематике микро-организмов достаточно объективен, однако для его реализации не-обходимы обширные математические расчеты с использованиемэлектронно-вычислительных машин.

После подробного изучения микроорганизму дают научноеназвание, которое должно быть выражено двумя латинскими слова-ми, как этого требует биноминальная номенклатура, предложеннаяеще в XVIII в. К. Линнеем. Первое слово — название рода, обычнооно латинского происхождения, пишется с прописной буквы и от-ражает какой-либо морфологический или физиологический при-знак микроорганизма либо фамилию ученого, открывшего микро-организм, либо особый отличительный признак, например местообитания.

Второе слово пишется со строчной буквы и обозначает видо-вое название микроорганизма. Иногда оно представляет собой про-изводное от существительного, дающего описание цвета колонии,источника происхождения микроорганизма, вызываемого этим мик-роорганизмом процесса или болезни и некоторых других отличи-тельных признаков. Например, название Bacillus albus указывает, чтомикроорганизм грамположителен, представляет собой спорообра-зующую аэробную палочку (свойства рода Bacillus), а видовое назва-ние характеризует цвет колонии (albus — белый).

Названия микроорганизмам присваиваются в соответствии справилами Международного кодекса номенклатуры бактерий, вве-денного с 1 января 1980 г., они едины во всех странах мира. В на-стоящее время разрабатывается новый биокодекс, проект которогоопубликован в 1977 г. В классификации для группирования родст-венных микроорганизмов используют следующие таксономическиекатегории: вид (species), род {genus), семейство (familia), порядок (оr-do), класс (classis), отдел (divisio), царство (regnum).

Вид — основная таксономическая единица, представляет со-бой совокупность особей одного генотипа, обладающих хорошо вы-раженным фенотипическим сходством. Вид подразделяют на подви-ды, или варианты.

В микробиологии часто пользуются терминами «штамм» или«клон». Штамм — более узкое понятие, чем вид. Обычно штаммаминазывают культуры микроорганизмов одного и того же вида, выде-ленные из различных природных сред (почв, водоемов, организмов

46

и т. д.) или из одной и той же среды, но в разное время. Штаммыодного вида могут быть близки по своим свойствам или различатьсяпо отдельным признакам.

В то же время характерные свойства разных штаммов не вы-ходят за пределы вида.

Клон — это культура, полученная из одной клетки. Совокуп-ность (популяцию) микроорганизмов, состоящую из особей одноговида, называют чистой культурой.

Живой мир нашей планеты обычно подразделяют на четырецарства: растения (Plantae), животные (Animalia), грибы (Mycota) ипрокариоты (Procaryotae). Одноклеточные эукариоты также частовыделяют в отдельное царство протистов (Protista). Однако в послед-нее время на основании данных молекулярной биологии классифи-кация высших таксонов живых организмов пересмотрена. Наиболеесильные изменения претерпела классификация прокариот, средикоторых была обнаружена группа организмов, значительно отли-чающаяся от других форм последовательностью рибосомальной РНК(16SpPHK), химическим составом некоторых компонентов клетки иобладающая уникальными биохимическими особенностями. Эти ор-ганизмы были выделены в новое царство архебактерий1. По некото-рым предположениям, архебактерий, или археи, представляют однуиз наиболее древних групп микроорганизмов.

Выделение нового царства архебактерий обусловило необхо-димость разделять прокариоты и эукариоты на уровне надцарств.В связи с этим система высших таксонов живого мира выглядитследующим образом:

Надцарства Царства

ПрокариотыЭукариоты

Архебактерий, эубактерииРастения, животные, грибы

В биологии выделяют две систематики живых организмов —филогенетическую, или естественную, и искусственную.

Микробиология еще не располагает достаточными даннымиоб эволюции и филогении микроорганизмов, позволяющими по-строить естественную систематику, подобную той, что создана длявысших растений и животных. Современные системы классифика-ции микроорганизмов, по существу, искусственные. Они играютроль диагностических ключей, или определителей, которыми поль-зуются главным образом при идентификации того или иного мик-роорганизма. Примерами служат «Определитель бактерий и актино-

1 Согласно последнему изданию Руководства Берги (Bergey's Manual,2001), этим группам прокариот, архебактериям и эубактериям присвоен так-сономический статус доменов (Dormain) с названиями археи (Archaea) и бак-терии (Bacteria). Третий домен, Еисаrуа, включает все эукариоты.

47

мицетов» Н. А. Красильникова (1949), «Определитель родов бакте-рий» В. Б. Д. Скермана (1975), Краткий определитель бактерий(1980) и др.

В настоящем учебнике приведено описание наиболее важныхгрупп микроорганизмов в соответствии с первым изданием «Руко-водства по систематике бактерий Берги» (1984)1. В этом издании всепрокариотные микроорганизмы были объединены в царство Рrо-caryotae, которое подразделено на четыре отдела — Gracilicutes, Firmi-cutes, Tenericutes и Mendosicutes. В свою очередь, отделы делят наклассы, порядки, семейства, роды и виды. Микроорганизмы разде-лены на четыре отдела главным образом на основании наличия илиотсутствия клеточных стенок и их вида, а на классы, порядки, се-мейства, роды, виды — по совокупности морфологических и физио-лого-биохимических признаков.

2.2. Краткая характеристика отдельных групп бактерий

Отдел 1 — GracilicutesК отделу Gracilicutes (от лат. cutes — кожа, gracilis — тонкий,

стройный) относят бактерий (кокки, палочки или нити), имеющихграмотрицательный тип клеточной стенки. Они могут быть подвиж-ными и неподвижными, эндоспор не образуют. У миксобактерийнаблюдается образование плодовых тел и миксоспор. Размножаютсябинарным делением, почкованием. В этот отдел входят фототроф-ные и нефототрофные бактерии, аэробы, анаэробы и факультатив-ные анаэробы. Некоторые виды являются облигатными внутрикле-точными паразитами.

1 Bergey's Manual of Systematic Bacteriology (1984—1989, vol. 1—4). Дан-ная классификация дает наглядное представление о биоразнообразии про-кариот, об основных физиологических группах бактерий, обитающих в поч-ве. Долгое время эта классификация была общепринятой, и ее знание даетвозможность ориентироваться в микробиологической литературе последнихдесятилетий. По этой причине в книге оставлено большинство латинскихназваний микроорганизмов, которые широко использовались до последнеговремени.

Вместе с тем новые поколения студентов и специалистов, безуслов-но, должны знать и новый вариант классификации прокариот. В наиболееполном, хотя еще предварительном виде, он опубликован во втором изда-нии Руководства по систематике бактерий Берги, первый том котороговышел в свет в 2001 г., а остальные готовятся к печати. В сокращенном видеэта классификация приведена в Приложении. В научной литературе широкоиспользуются переведенные на русский язык Краткий определитель бакте-рий Берги (1980) и Определитель бактерий Берджи (1997). (Прим. ред.)

48

Класс 1 — Scotobacteria. К классу Scotobacteria относят грам-отрицательные, нефотосинтезирующие бактерии (от греч. scotos —темнота)1.

Группа 1 — спирохеты. Эти микроорганизмы объединены впорядок Spirochaetales, семейства Spirochaetaceae и Leptospiraceae.Спирохеты — гибкие, спирально извитые одноклеточные бактерии,представляющие собой очень длинные (5—500 мкм) и тонкие(0,09—0,75 мкм) клетки с одним или более витками спирали.

Клетки спирохет состоят из протоплазматического цилиндра,переплетенного с одной или несколькими осевыми фибриллами,которые отходят от прикрепленных дисков, расположенных на кон-цах цилиндра. Протоплазматический цилиндр и осевые фибриллыпокрыты внешней оболочкой. Клетки имеют нуклеоид, мезосомы идругие структуры. Размножаются поперечным делением, подвиж-ные. Спор не образуют. Аэробы, факультативные анаэробы или ан-аэробы. Хемоорганогетеротрофы.

Крупные спирохеты (100—500 мкм) относят к родам Spirocha-eta и Cristispira (рис. 20), мелкие (6—7 мкм) — к родам Treponema,Borrelia и Leptospira. Представители первых двух родов — сапротро-фы, трех других — паразиты и возбудители инфекционных болезнейчеловека и животных.

Группа 2 — а н а э р о б н ы е спиральные и в и б р и о и д н ы ег р а м о т р и ц а т е л ь н ы е б а к т е р и и — включает семейство Spiril-laceae, представители которого характеризуются следующими при-знаками: клетки — жесткие, спирально извитые палочки, подвиж-ные, имеют один жгутик или пучок полярно расположенных жгу-тиков (на одном или на обоих концах клетки). Аэробы,микроаэрофилы. Хемоорганотрофы. В цитоплазме обычно имеютсягранулы поли-B-гидроксимасляной кислоты. Сапротрофы или па-разиты.

К данному семейству относятся роды — Spirillum, Aquaspiril-lum, Oceanospirillum, Azospirillum, Campylobacter и Bdellovibrio. Бакте-рии рода Azospirillum — азотфиксирующие. Некоторые представите-ли рода Bdellovibrio являются облигатными паразитами бактерий.Они представляют собой одноклеточные подвижные организмы, ко-торые прикрепляются к клетке-хозяину, проникают в нее и начина-

1 Способность к фотосинтезу долгое время рассматривалась как важ-нейший таксономический признак. Согласно этому критерию все грамотри-цательные бактерии были разделены на фотосинтезирующие (класс Photo-bacteria, позднее разделенный на классы Anoxyphotobacteria и Oxyphotobacte-ria) и на нефотосинтезирующие, т. е. индифферентные к свету (классScotobacteria). Название Scotobacteria в настоящее время не является обще-принятым и встречается редко. (Прим. ред.)

49

ют размножаться. Спиральные и изогнутые бактерии обнаруживаютв пресной и морской воде и в почве.

Группа 3 — а э р о б н ы е г р а м о т р и ц а т е л ь н ы е п а л о ч к ии к о к к и . Данная группа бактерий представлена семью семейства-ми, три из которых включают виды, имеющие существенное значе-ние для плодородия почвы.

В семейство Pseudomonadaceae входит род Pseudomonas, кото-рый включает неспоровые бактерии — прямые или слегка изогну-тые палочки (рис. 21) с полярно расположенными жгутиками (оди-ночными или в виде пучков, на одном или обоих концах клетки).Псевмомонады широко распространены в природе (в различныхпочвах, в воде рек, морей, океанов, на растениях и животных, всточных водах и воздухе). Строгие аэробы. Хемоорганотрофы, могутиспользовать разнообразные органические вещества — белки, жи-ры, углеводы, а также гумусовые вещества.

Рис. 20. Некоторые крупные спирохеты: А — Cristispira, х380 (по: С. В. Уатсон);Б — неидентифицированная спирохета из воды, х341; В — Spirochaeta plicatilis, x341(по: С. Робиноу)

50

Некоторые псевдомонады осуществляют восстановление нит-ратов — денитрификацию.

Ряд видов рода Pseudomonas — возбудители болезней расте-ний, животных и человека. Род Xanthomonas представлен в основномфитопатогенными формами.

В семейство Azotobacteriaceae входят микроорганизмы, имею-щие крупные, от палочковидной до овальной формы, клетки, под-вижные, с перитрихальным жгутикованием, не образующие спор.Характерные признаки — слизистая капсула, образование цист. Хе-моорганогетеротрофы. Способны фиксировать атмосферный азот.Представители семейства широко распространены в почвах, водое-мах, на поверхности листьев (филлосфере) и корней растений (ри-зосфере).

Семейство Azotobacteriaceae представлено четырьмя родами:Azotobacter, Azomonas, Beijerinckia и Derxia, из которых первые два

\ Ч

Рис. 2 1 . Pseudomonas aeruginosa, x 1100; в верхнем правом углу — P. stutzeri с однимполярным жгутиком, х1290 (по: Н. Паллерони)

51

встречаются в почвах умеренных широт, остальные — в почвах суб-тропиков и тропиков (Азия, Африка, Южная Америка).

Бактерии семейства Rhizobiaceae имеют палочковидные, под-вижные клетки, спор не образуют. Хемоорганотрофы. Представите-ли рода Rhizobium образуют клубеньки на корнях бобовых растений,а виды рода Agrobacterium — вызывают разрастания {галлы) на кор-нях и стеблях растений. Их относят к опухолеобразующим фитопа-тогенным микроорганизмам.

Семейство Methylococcaceae объединяет два рода — Methylococ-cus и Methylomonas, представленные подвижными и неподвижнымипалочками и кокками. Хемоорганотрофы. Единственные источникиуглерода и энергии для них — метан и метиловый спирт.

Семейство Acetobacteriaceae представлено двумя родами — Асе-tobacter и Gluconobacter. Характерной особенностью бактерий данныхдвух родов является способность окислять этиловый спирт до уксус-ной кислоты. Они встречаются на цветах, в плодах, овощах, пиве,вине и т. д.

Семейство Neisseriaceae состоит из четырех родов, к которымотнесены в основном паразитические формы.

Группа 4 — ф а к у л ь т а т и в н о - а н а э р о б н ы е грамотрица-тельные палочки. В группу объединены два семейства — Entero-bacteriaceae и Vibrionaceae, многие представители которых служатвозбудителями инфекционных болезней человека и животных.

Семейство Enterobacteriaceae включает ряд организмов, оби-тающих в кишечнике человека и животных и вызывающих заболева-ния. Это микроорганизмы родов Escherichia, Citrobacter, Salmonella,Shigella, Klebsiella, Enterobacter и др. Кроме того, к данному семействуотнесены роды Proteus и Erwinia, сапротрофные представители кото-рых могут обитать в почве или на поверхности растений. Так, Erwi-nia herbicola — частый компонент эпифитной (поверхностной) мик-рофлоры растений.

В почве, и в ризосфере растений обнаружены сапротрофныеформы бактерий рода Klebsiella. Среди них есть виды, фиксирующиемолекулярный азот воздуха.

Семейство Vibrionaceae объединяет несколько родов — Vibrio,Aeromonas, Plesiomonas и Photobacterium. Микроорганизмы, входящиев них, обычно встречаются в пресной и морской воде, иногда в ор-ганизме рыб, животных или человека. Среди них есть болезнетвор-ные формы.

Группа 5 — анаэробные грамотрицательные прямые,и з о г н у т ы е и с п и р а л ь н ы е п а л о ч к и — представлена однимсемейством Bacteroidaceae, которое объединяет три рода — Bacteroi-des, Fusobacterium и Leptotrichia. Бактерии семейства обитают в ки-шечнике человека и животных, в некоторых случаях могут вызыватьзаболевания желудочно-кишечного тракта.

52

В желудочно-кишечном тракте млекопитающих обитают бак-терии рода Selenomonas. Клетки их имеют форму почки или полуме-сяца, подвижные. Хемоорганотрофы. Сбраживают углеводы с обра-зованием уксусной, пропионовой, молочной кислот и СО2. Играютопределенную роль в питании животных.

Кроме того, к группе примыкают несколько родов бактерий,среди которых интересны бактерии рода Desulfovibrio — подвижныеизогнутые палочки, не образующие спор. Грамотрицательные. Хе-моорганотрофы. Восстанавливают сульфаты и другие соединениясеры до H2S. Фиксируют азот атмосферы. Строгие анаэробы. Обна-ружены в почвах, воде и илах водоемов.

Группа 6 — г р а м о т р и ц а т е л ь н ы е х е м о л и т о т р о ф н ы ебактерии. Объединены в два семейства и 15 родов.

К семейству Nitrobacteriaceae относят микроорганизмы с па-лочковидными, эллипсоидальными, сферическими и спиральнымиклетками, не образующие спор, подвижные или неподвижные. Боль-шинство — облигатные хемолитоавтотрофы, энергию получают засчет окисления аммиака или нитрита, фиксируют СО2 для удовлет-ворения потребностей в углероде. Облигатные аэробы. Распростра-нены в почвах, реках, морях и океанах.

Бактерии, окисляющие аммиак до нитрита, представлены ро-дами Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus и Nitrosolobus, а бакте-рии, окисляющие нитриты до нитратов, — родами Nitrobacter, Nitro-spira и Nitrococcus. Роды различают по форме клеток и ультраструк-туре. Организмы семейства участвуют в превращении в почвахаммиака в нитриты и нитраты.

К данной группе отнесены организмы, окисляющие серу и еесоединения. Род Thiobacillus представлен бактериями с маленькимипалочковидными клетками, имеющими один полярно расположен-ный жгутик. Спор не образуют. Большинство — облигатные аэробы.Облигатные и факультативные хемолитоавтотрофы. Энергию полу-чают за счет окисления восстановленных соединений серы, источ-ником углерода служит СО2. Некоторые виды развиваются в оченькислой среде. Распространены в почвах, водоемах, сточных водах,серных ключах. Описаны также роды Achromatium, Macromonas,Thiobacterium, Thiospira и Thiovulum.

Семейство Siderocapsaceae представлено бактериями, которыеимеют сферические, эллипсоидальные или палочковидные клетки,покрытые капсулами. У данных организмов на поверхности капсул,в капсулах или на внеклеточном материале откладываются оксидыжелеза и (или) марганца. Хемоорганотрофы. Аэробы и микроаэро-филы. Распространены в железосодержащих водах, озерах, донныхотложениях, илах, почвах и др. Семейство включает роды Siderocap-sa, Siderococcus и др.

53

Группа 7 — с к о л ь з я щ и е бактерии. К группе относят двапорядка: Myxobacteriales и Cytophagales, а также ряд других бактерийсо скользящим движением.

Порядок Myxobacteriales. Включает бактерии, у которых об-разуются плодовые тела. Миксобактерии — одноклеточные организ-мы с цилиндрическими клетками, на концах закругленными илинесколько суживающимися. Клетки заключены в более или менееплотный слой слизи. Размножаются миксобактерии бинарным по-перечным делением. Грамотрицательные.

Клеточная стенка у миксобактерии эластична, поэтому ониотличаются гибкостью, при движении изгибаются, форма их можетменяться. Обладают способностью к скользящему движению. Наопределенном этапе развития большинство миксобактерии присту-пают к образованию плодовых тел. Вегетативные клетки сначаларазмножаются, а затем «сползаются» и образуют плотное, бесцвет-ное или, наоборот, яркоокрашенное плодовое тело. Форма и разме-ры плодовых тел неодинаковы у разных представителей порядка.Клетки в плодовых телах становятся покоящимися формами —миксоспорами или микроцистами. В некоторых случаях миксоспо-ры заключены в спорангии определенной формы, возвышающиесянад субстратом на стебельках.

Миксоспоры миксобактерии устойчивы к высушиванию, ноне к нагреванию. При прорастании миксоспоры целиком превраща-ются в вегетативные клетки.

Миксобактерии — хемоорганотрофы, строгие аэробы. Рас-пространены в почве, навозе, разлагающихся растительных остаткахи т. д. Многие из них участвуют в разложении белков, полисахари-дов, целлюлозы и других веществ растительного и животного проис-хождения.

Порядок включает несколько семейств. В семейство Мухосос-сасеае входит род Мухососсus, представители которого имеют вегета-тивные клетки с утонченными концами и образуют плодовые тела,содержащие сферические или овальные микроцисты (рис. 22).

Семейство Archangiaceae, включающее род Archangium, харак-теризуется микроорганизмами, вегетативные клетки которых имеютконусовидные концы; микроцисты у них палочковидные.

Семейство Cystobacteriaceae включает роды Cystobacter, Melit-tangium и Stigmatella.

Семейство Sorangiaceae представлено родами Sorangium, Poly-angium, Chondromyces и др. Характерны цилиндрические клетки с ту-пыми концами, миксоспоры сходны по форме с вегетативнымиклетками.

Порядок Cytophagales. Включает микроорганизмы, неспособ-ные к образованию плодовых тел. Их клетки имеют вид палочек и

54

Рис. 22. Миксобактерии из рода Myxococcus: A — плодовые тела, х30;Б, В — вегетативные клетки, среди которых видны округлые цисты, x1000

нитей, передвигаются скольжением. Грамотрицательные. Объедине-ны в ряд семейств.

Семейство Cytophagaceae включает шесть родов. Среди нихрод Cytophaga, например, объединяет виды с палочковидными клет-ками (или нитями), имеющими закругленные или конусовидныеконцы. У этих организмов микроцисты не образуются. Они строгиеаэробы или факультативные анаэробы. Хемоорганогетеротрофы,способны разлагать целлюлозу, хитин, агар и другие вещества. РодSporocytophaga представлен организмами, у которых образуютсямикроцисты. К семейству относятся также роды Flexibacter, Micro-scilla, Sphaerocytophaga, Capnocytophaga.

Скользящее движение характерно также для бактерий семей-ства Beggiatoaceae. Эти организмы имеют вид бесцветных длинныхнеразветвленных нитей (трихомов) различной толщины, состоящихиз цепочек клеток. Передвигаются скользящими движениями, ни-когда не прикрепляются к субстрату. Размножаются поперечнымделением отдельных клеток. Грамотрицательные. Миксотрофы илихемоорганогетеротрофы. Аэробы или микроаэрофилы. Виды родаBeggiatoa обитают в малоподвижных водах с высоким содержаниемсероводорода. Окисляют сульфиды до сульфатов. Промежуточныйпродукт окисления сульфидов — элементарная сера — накапливает-ся внутри клеток в виде гранул и обусловливает белый цвет скопле-ний этих организмов. Семейство включает также роды Vitreoscilla,Thioploca.

Группа 8 — хламидобактерии. Это бактерии, имеющиечехлы, или влагалища. В группу входит семь родов. Род Sphaerotilusпредставлен одноклеточными палочковидными грамотрицательны-

55

Рис. 23. Цепочка клеток Sphaerotilusnatans, заключенная во влагалище(по: Дж. Стоукес)

ми организмами с субполярно рас-положенными жгутиками. Растут ввиде длинных нитей, состоящих изцепочек клеток (рис. 23), соединен-ных концами и покрытых чехлом.Чехлы обычно тонкие, без отложе-ний оксидов железа и марганца.Длина нити до нескольких милли-метров. Размножаются бактериивнутри влагалища делением. Обра-зующиеся подвижные клетки либовыскальзывают из влагалища, либоосвобождаются при его разруше-нии.

Хемоорганогетеротрофы, стро-гие аэробы. Представители рода оби-тают в пресных водах, загрязненныхстоками бумажной и молочной про-мышленности. Обычно цепочки кле-ток, покрытых чехлом, при помощи

специальных дисков прикрепляются в воде к какому-либо твердомупредмету, образуя значительные скопления.

Род Leptothrix — прямые палочки. Встречаются в цепочках,окруженных чехлом, или свободно плавают в виде отдельных клетокили групп. Чехлы пропитываются или покрываются гидроксидамижелеза или марганца. Имеют один полярный жгутик. Грамотрица-тельные. Хемоорганогетеротрофы. Строгие аэробы. Обитают в прес-ных водах.

Известны также роды Heliscomenobacter, Crenothrix, Clonothrixи др.

Группа 9 — почкующиеся и (или) стебельковые бак-терии. Наибольший интерес представляют следующие роды.

Род Hyphomicrobium включает микроорганизмы с клетками па-лочковидной, овальной, яйцевидной или бобовидной формы. Ха-рактерны нитевидные отростки (гифы) различной длины. Разм-ножаются почками, расположенными на кончиках гиф. После соз-ревания почки становятся подвижными, отрываются и самиприкрепляются к какой-либо поверхности или другим клеткам. Хе-моорганогетеротрофы. Для роста необходим СО2. Аэробы.

Большинство почкующихся бактерий отличается рядом осо-бенностей, в частности специализированным характером обмена.Многие из них являются олигокарбофилами, т. е. растут при нали-чии незначительных количеств источников углерода. Обычно этиорганизмы не используют сахара, однако многие из них способныпотреблять такие соединения, как формиат, ацетат, лактат, метаноли т. д.

56

Род Pedomicrobium. Для его видов также характерен опреде-ленный цикл развития. На материнской клетке овальной формы об-разуется подвижная клетка — зооспора — с полярным жгутиком,иногда с несколькими жгутиками. Образование дочерней клеткипроисходит почкованием. Отделившись от материнской, дочерняяклетка приступает к размножению только после созревания. На по-верхности клеток могут откладываться оксиды железа и марганца.Виды рода широко распространены в почвах.

Род Caulobacter включает стебельковые бактерии, характери-зующиеся палочковидными, веретеновидными или вибриоиднымиклетками со стебельком, отходящим от одного из полюсов. Размно-жаются поперечным асимметричным делением несущих стебелекклеток. Грамотрицательные. Хемоорганогетеротрофы. Строгие аэро-бы. Распространены в пресных водоемах, почвах и других естествен-ных субстратах.

Род Prosthecomicrobium. К нему относят одноклеточные бак-терии, имеющие выросты (простеки), которые расходятся от кле-точной поверхности во всех направлениях. Простеки имеют близ-кую к конической форму, сужаясь дистально от клетки к тупомуконцу. Клетки простекобактерий делятся или размножаются почко-ванием. Представлены подвижными и неподвижными формами.Подвижные формы бактерий имеют от одного до нескольких жгути-ков. Грамотрицательные. Аэробы. Хемоорганогетеротрофы. Распро-странены в почвах и водоемах.

Род Seliberia — палочковидные, спирально закрученные клет-ки; образуют звездообразные фигуры или розетки. Размножаютсяпоперечным делением и почкованием. Хемоорганогетеротрофы.Факультативные анаэробы. Распространены в почвах, водоемах.

Род Metallogenium. Характерны кокковидные клетки, ригиднаяклеточная стенка отсутствует. Это микоплазмоподобные микроорга-низмы; их клетки прикреплены к поверхностям. Размножаютсяпочкованием. При прорастании образуется одна или несколько ни-тей, которые могут ветвиться. Хемоорганогетеротрофы. Аэробы.Окисляют соединения железа и марганца, осаждая оксиды этих ме-таллов на поверхности цитоплазматической мембраны. Распростра-нены в донных отложениях пресных водоемов, в планктоне пресно-водных озер и прудов, в северных почвах.

Род Gallionella также представлен стебельковыми бактериями,имеющими почковидные или округлые клетки, находящиеся на кон-цах длинных стебельков. Последние состоят из пучков фибрилл, пе-реплетенных одна вокруг другой и способных ветвиться. Стебелькичасто покрыты гидроксидом железа. У галлионелл наблюдается би-нарное деление, причем дочерние клетки после деления остаются наконце стебелька. Затем клетки отщепляются и могут передвигатьсяпри помощи одного полярно расположенного жгутика. Грамотри-

57

дательные. Хемолитоавтотрофы — окисляют двухвалентное железов трехвалентное и используют СО2. Микроаэрофилы. Обнаружены вводах, содержащих железо, и в почвах. Обусловливают вместе с пред-ставителями рода Leptothrix осаждение железа в водоемах.

Группа 10 — р и к к е т с и и и хламидии. Представлена дву-мя порядками — Rickettsiales и Chlamydiales.

Порядок Rickettsiales. Включает три семейства — Rickettsia-ceae, Bartonellaceae и Anaplasmataceae, объединяющие большое коли-чество непатогенных облигатных внутриклеточных паразитов, раз-множающихся только внутри клеток хозяина, и небольшую частьбактерий, вызывающих у человека и животных заболевания, назы-ваемые риккетсиозами.

Риккетсии представляют собой бактерии палочковидной, кок-ковидной или нитевидной формы, неподвижные, не образующиеспор, грамотрицательные. Размножаются бинарным делением в клет-ках хозяина. Некоторые представители — симбионты насекомых.Типичная риккетсия — Rickettsia prowazekii — возбудитель сыпноготифа, является также симбионтом платяной вши.

Порядок Chlamydiales. Включает одно семейство — Chlamydia-сеае, в которое входят болезнетворные для человека виды микроор-ганизмов.

Класс 2 — Anoxyphotobacteria. Представлен фототрофнымибактериями, объединяет организмы с бескислородным типом фото-синтеза. В нем выделяют два порядка: Rhodospirillales (пурпурныебактерии) и Chlorobiales (зеленые бактерии).

Фототрофные бактерии имеют сферические, палочковидные,вибриоидные и спиральные клетки. Как правило, они размножают-ся делением пополам, некоторые виды — почкованием. Грамотри-цательные. Клетки могут содержать капельки серы. У фототрофныхбактерий имеются бактериохлорофиллы а и Ь и каротиноидные пиг-менты. Осуществляют фотосинтез. Для восстановления СО2 в процес-се фотосинтеза используют молекулярный водород, восстановленныесоединения серы или органические вещества. Фотолитотрофы и фо-тоорганотрофы. Многие — облигатные анаэробы. Могут фиксироватьмолекулярный азот атмосферы. Преимущественно водные бактерии.

Порядок Rhodospirillales. Включает два семейства — Rhodospi-rillaceae и Chromatiaceae.

Семейство Rhodospirillaceae — пурпурные несерные бактерии —фотоорганотрофы, т. е. могут ассимилировать и окислять на светупростые органические вещества. Большинство не способны окис-лять сероводород и элементарную серу. Микроаэрофилы. Характер-ные роды: Rhodospirillum, Rhodopseudomonas и Rhodomicrobium.

Семейство Chromatiaceae — пурпурные серные бактерии —фотолитотрофы, способны к фотолитотрофной ассимиляции СО2

в присутствии неорганических соединений серы (S, H2S), которые

58

окисляются ими до сульфата. Откладывают в клетках серу как за-пасное вещество. Строгие анаэробы. В это семейство входят родыChromatium, Thiospirillum и др.

Порядок Chlorobiales. Также объединяет два семейства —Chlorobiaceae и Chloroflexaceae.

Семейство Chlorobioceae — зеленые серные бактерии — фото-литотрофы. Способны к фотолитотрофной ассимиляции СО2 в при-сутствии сульфида и серы, которые окисляются до сульфата. Стро-гие анаэробы. К данному семейству относят род Chlorobium.

Семейство Chloroflexaceae — нитчатые, состоящие из большо-го количества клеток, зеленые несерные бактерии, передвигающие-ся путем скольжения. Размножаются бинарным делением. Грамот-рицательные. Факультативные анаэробы. Фототрофы. К данномусемейству относят роды Chloroflexus, Chloronema, Oscillochloris.

Класс 3 — Oxyphotobacteria — организмы, у которых фотосин-тез сопровождается вьщелением молекулярного кислорода. К данномуклассу относят цианобактерии, или синезеленые водоросли, и про-хлорофиты.

Порядок Cyanobacteriales. Цианобактерии — грамотрицательныепрокариотные организмы, имеющие ригидную многослойную клеточ-ную стенку с внутренним пептидогликановым слоем и трехслойнойнаружной мембраной. В клетках цианобактерий развита системавнутрицитоплазматических мембран — тилакоидов. В тилакоидахрасположены компоненты фотосинтетического аппарата. Характер-ными пигментами цианобактерий являются хлорофилл, а также фи-кобилины аллофикоцианин, фикоцианин и фикоэритрин, которыенаходятся в специальных структурах клетки — фикобилисомах.

Клетки многих цианобактерий покрыты слизистой капсулойили чехлом, подвижные формы, способны к скользящему движе-нию по твердому субстрату без помощи жгутиков. Цианобактериипредставлены одноклеточными, колониальными и многоклеточны-ми организмами. Их клетки имеют сферическую или палочковид-ную форму (рис. 24). Многоклеточные организмы образуют нити,получившие название «трихом», или «филамент». При прохождениижизненного цикла у некоторых цианобактерий образуются специа-лизированные клетки или нити, служащие для размножения, — баео-циты, гормогонии; для выживания в экстремальных условиях —споры, или акинеты; для азотфиксации — гетероцисты.

Размножаются цианобактерии бинарным делением, почкова-нием, множественным делением. Нитевидные формы размножают-ся при помощи обрывков трихома или гормогониями — короткимиподвижными цепочками клеток.

Цианобактерии представляют собой большую группу бакте-рий (более 1000 видов), широко распространенных в почвах, водое-

59

Рис. 24. Цианобактерии (по: Р. Риппка)

мах и других субстратах. Многие представители цианобактерий (бо-лее 130 видов) способны к фиксации молекулярного азота атмосфе-ры, что обусловлено образованием специализированных клеток —гетероцист.

Порядок Prochlorales. Включает одноклеточные, симбиотиче-ские, грамотрицательные прокариотные организмы сферическойформы, неподвижные. Цитоплазма в большей своей части заполне-на тилакоидами. Прохлорофиты способны к фотосинтезу с выделе-нием молекулярного кислорода. Отличаются от цианобактерий со-ставом пигментов (образуют хлорофилл а и b и, как правило, не со-держат фикобилинов), а также внутриклеточной организациейфотосинтетических мембран. Внеклеточные симбионты (экзосим-бионты), обитают на телах морских животных — асцидий. Пред-ставлены родом Prochloron. Обнаружены и свободноживущие про-хлорофиты: нитчатые Prochlorothrix и одноклеточные морскиеProchlorococcus1.

Отдел 2 — FirmicutesК отделу Firmicutes (от лат. firmus — крепкий, cutes — кожа) от-

носят прокариот с грамположительным типом клеточной стенки.Они могут быть в виде кокков, палочек или нитей. Некоторые клет-ки ветвятся. Бывают подвижные и неподвижные формы. Обычнофирмикуты размножаются бинарным делением, иногда — спорами.

1 В настоящее время все они отнесены к цианобактериям.

60

В большинстве случаев это нефотосинтезирующие организмы1 хе-мотрофы, аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Отделвключает неспорообразующие и спорообразующие бактерии, акти-номицеты и близкие к ним организмы.

Класс 1 — FirmibacteriaГруппа 1 — грамположительные кокки. Объединены

в три семейства: Micrococcaceae, Streptococcaceae и Peptococcaceae.Бактерии семейства Micrococcaceae имеют сферические клет-

ки, способные делиться в одной или нескольких плоскостях, чтоприводит к образованию правильных или неправильных групп илипакетов. Подвижные и неподвижные. Спор не образуют. Хемоорга-нотрофы. Аэробы или факультативные анаэробы. Виды рода Micro-coccus распространены в почвах и пресных водах. Род Staphylococcusпредставлен патогенными видами, встречающимися на коже и сли-зистых оболочках теплокровных организмов, род Planococcus — ви-дами, распространенными в морской воде.

Семейство Streptococcaceae включает пять родов: Streptococcus,Leuconostoc, Pediococcus, Aerococcus и Gemella, представители которыхиграют большую роль в получении кисломолочных продуктов, си-лоса и т. д. Эти организмы имеют клетки сферической или оваль-ной формы, соединенные в пары, цепочки разной длины или тетра-ды. Неподвижны, спор не образуют. Хемоорганотрофы. Факульта-тивные анаэробы. Сбраживают углеводы с образованием молочной,уксусной и муравьиной кислот, этилового спирта и СО2.

Широко распространены в почвах, на поверхности растений,в молоке и молочных продуктах, в желудочно-кишечном тракте жи-вотных и человека. Среди представителей рода Streptococcus доволь-но много видов, вызывающих инфекционные заболевания человека:пневмонию, перитонит; менингит, септицемию и др.

Семейство Peptococcaceae объединяет четыре рода: Peptococсus,Peptostreptococcus, Ruminococcus и Sarcina. Клетки сферические,встречаются поодиночке, парами, цепочками или тетрадами и трех-мерными кубическими пакетами. Неподвижные. Спор не образуют.Хемоорганотрофы. Некоторые сбраживают углеводы. Анаэробы.

Широко распространены в почвах, на поверхности растений,в желудочно-кишечном тракте животных и человека. Некоторые ви-ды вызывают болезни человека. Представители рода Ruminococcusобнаружены в рубце жвачных животных, где участвуют в сбражива-нии целлюлозы.

1 Исключением является Недавно открытая группа гелиобактерий —грамположительных фотосинтезирующих анаэробных гетеротрофных бакте-рий. Представители рода Heliobacterium образуют споры, являются активны-ми азотфиксаторами, обитают преимущественно в почве.

61

Группа 2 — п а л о ч к и и к о к к и , о б р а з у ю щ и е эндо-споры. Организмы группы представлены одним семейством — Bα-cillaceae, состоящим из пяти родов: Bacillus, Sporolactobacillus, Clostri-dium, Desulfotomaculum и Sporosarcina.

Клетки палочковидные (кроме представителей рода Sporosarci-na). Подвижные, с перитрихально расположенными жгутиками; име-ются и неподвижные формы. Образуют споры, которые могут рас-полагаться в различных частях материнской клетки; при этом ееформа либо остается неизменной, либо клетка раздувается, приоб-ретая вид булавы, веретена или барабанной палочки. У Clostridiumспоры часто бывают шире материнской клетки. Это обусловливаетобразование клостридиальной или плектридиальной формы клеток.Грамположительные. Аэробы {Bacillus, Sporosarcina), анаэробы (Clo-stridium, Desulfotomaculum) и факультативные анаэробы (Sporolactoba-cillus).

Широко распространены в почвах, воде, а также в пищевари-тельном тракте животных и человека. Сапротрофы. Принимаютучастие в разложении различных органических веществ. Среди ви-дов родов Bacillus и Clostridium есть возбудители болезней человека,животных, растений и насекомых. Род Desulfotomaculum представленанаэробными спорообразующими бактериями, восстанавливающи-ми сульфаты в сульфиды.

Группа 3 — грамположительные палочковидные бак-терии, не образующие э н д о с п о р . Представлены одним се-мейством — Lactobacillaceae. По форме это прямые или изогнутыепалочки, одиночные или в цепочках. Спор не образуют. Неподвиж-ные. Анаэробы или факультативные анаэробы. Сбраживают углево-ды с образованием молочной кислоты. Распространены в почвах, нарастениях, в желудочно-кишечном тракте животных, молочныхпродуктах и т. д.

К данному семейству относится род Lactobacillus, включаю-щий более 30 видов бактерий, которых называют молочнокислыми,так как они вызывают молочнокислое брожение. Многие бактериирода широко используются в пищевой промышленности для по-лучения кисломолочных продуктов, сыра, а также при квашенииовощей, силосовании и т. д. Подробно эта группа бактерий описанав разделе «Молочнокислое брожение».

Класс 2 — Tallobacteria. Включает актиномицеты и родствен-ные им организмы. Все они составляют три различные группы бак-терий.

Группа 1 — коринеформные бактерии. Представлена ро-дами Corynebacterium, Arthrobacter, Brevibacterium, Cellulomonas, Curto-bacterium, Microbacterium и Kurthia.

62

К роду Corynebactertum (от греч. коrупа — булава) относятсяграмположительные, неподвижные, не образующие спор бактерии,имеющие вид палочек с утолщениями на концах, напоминающихбулаву. В определенных условиях проявляется полиморфизм —клетки могут иметь вид длинных палочек, которые по мере ростапревращаются в короткие палочки и кокки. Характерен специфиче-ский способ деления, который приводит к образованию T-X-V-Y-форм. Аэробы и факультативные анаэробы. Хемоорганотрофы. Кис-лотоустойчивы. К роду Corynebacterium относятся виды — возбуди-тели болезней человека, животных и растений.

Род Arthrobacter представлен грамположительными, неспоро-образующими, неподвижными организмами. Характерна способ-ность к образованию кокковидных форм. Кокки могут удлиняться,превращаясь в неправильной формы палочки, которые при делениисильно изгибаются под углом («защелкиваются»), образуя весьма ха-рактерные комплексы типа «прищепок» (рис. 25). У ряда видов вы-явлено образование гигантских лимоновидных клеток. Строгиеаэробы. Хемоорганотрофы. Широко распространены в почвах, гдеучаствуют в разложении органических веществ, главным образомгумусовых. Сапротрофы.

Бактерии рода Cellulomonas представляют собой неправильнойформы палочки, иногда булавовидные, подвижные. Спор не образу-ют. Грамположительные. Хемоорганотрофы. Аэробы. Распростране-ны в почвах. Обладают способностью разлагать целлюлозу.

Рис. 25. Клетки Arthrobacter sp. в фазово-контрастном микроскопе: А — шаровидныеклетки; Б — палочковидные клетки, х2100 (по: М. П. Старр, Д. А. Кун)

63

Группа 2 представлена одним семейством — Propionibacteria-сеае, в котором выделяют два рода: Propionibacterium и Eubacterium.

Бактерии рода Propionibacterium имеют вид ветвящихся илинеправильной формы палочек, булавовидных или образующих ни-ти; иногда они бывают кокковидные, раздвоенные и даже разветв-ленные. Неподвижные. Спор не образуют. Грамположительные.Анаэробы, но некоторые представители этого рода могут развивать-ся при доступе кислорода. Хемоорганотрофы. Сбраживают углеводы,молочную кислоту и другие вещества. При брожении образуютсяпропионовая и уксусная кислоты и СО2. Широко распространены вмолочных продуктах, на коже человека, в желудочно-кишечномтракте животных и человека, в почве. Некоторые виды Propionibacte-rium используют при изготовлении твердых сыров. Среди предста-вителей рода есть возбудители заболеваний человека и животных.

К роду Eubacterium относятся неспорообразующие грамполо-жительные бактерии палочковидной или неправильной формы. Мо-гут быть подвижными и неподвижными. Хемоорганотрофы. Присбраживании углеводов образуются масляная, уксусная или муравьи-ная кислоты. Облигатные анаэробы. Обнаружены в полостях тела че-ловека и животных, в продуктах животного и растительного проис-хождения. Некоторые виды являются возбудителями болезней.

Группа 3 — а к т и н о м и ц е т ы . Представлена порядком Acti-nomycetales. Это грамположительные бактерии, обладающие способ-ностью к образованию ветвящихся гиф, могут развиваться в мице-лий. Гифы у актиномицетов одноклеточные, диаметром 0,5—2 мкм.У актиномицетов, растущих на агаровых питательных средах, разли-чают субстратный и воздушный мицелий. На твердых питательныхсредах актиномицеты образуют плотные колонии, окрашенные вразличные цвета. На воздушном мицелии образуются воздушныегифы — спороносцы, от которых отшнуровываются споры, участ-вующие в размножении.

Большинство актиномицетов с мицелиальным строением раз-множаются спорами. Споры могут быть одиночными или собран-ными в цепочки разной длины и формы, формируются на споро-носцах или в спорангиях. Спороносцы — это прямые, волнистыеили спиральные образования, располагающиеся на мицелии пооче-редно, кистями или мутовками. Число спор в одном спороносце ко-леблется от десятков до сотен. Обычно споры неподвижны, однакоу некоторых актиномицетов они имеют жгутики — перитрихальные(Planomonospora, Planobispora) или монотрихальные (Spirillospora),благодаря которым клетки могут передвигаться в водной среде. По-верхность спор гладкая или с разнообразными выростами — шипа-ми или ворсинками. К актиномицетам относят также организмы,у которых образование гиф почти не наблюдается, и они представ-ляют собой ветвящиеся или слегка разветвленные палочки. Клетки

64

имеют типичную для прокариот структуру. Преимущественно этоаэробные организмы, однако встречаются анаэробные и факульта-тивно-анаэробные формы.

Обитают актиномицеты главным образом в почве, где участвуютв разложении органических соединений, в том числе высокомолеку-лярных. Среди актиномицетов есть сапротрофные формы и возбудите-ли болезней человека и животных. Многие виды выделяют антибиоти-ческие вещества, которые используются для борьбы с бактериальнымии вирусными заболеваниями человека, животных и растений.

В порядке Actinomycetales выделяют семейства: Actinomyceta-ceae, Mycobacteriaceae, Frankiaceae, Actinoplanaceae, Nocardiaceae, Strep-tomycetaceae, Micromonosporaceae и др.

Семейство Actinomycetaceae представлено грамположительнымибактериями, образующими разветвленные гифы, легко подвергаю-щиеся фрагментации. В результате возникают ветвящиеся палочки,кокки, дифтероидные клетки. Воздушный мицелий и споры не об-разуются. Микроорганизмы неподвижные. Факультативные анаэро-бы. Хемоорганотрофы. Среди представителей семейства есть возбу-дители болезней. В него включены роды Actinomyces, Arachnia, Bifi-dobacterium и др.

Семейство Mycobacteriaceae включает грамположительные не-подвижные палочки. Они отличаются некоторой изогнутостью кле-ток, ветвлением (это характерно для молодых клеток). Образуют не-большой мицелий, короткие нити которого довольно быстро распа-даются на отдельные фрагменты. Размножаются делением, спор необразуют. Аэробы. Хемоорганотрофы. Колонии имеют пастообраз-ную или полужидкую слизистую консистенцию. Широко распрост-ранены в почвах, где разлагают органические вещества. Ряд ми-кобактерий являются возбудителями болезней животных и челове-ка. К семейству относят один род — Mycobacterium, в который входит39 видов.

Семейство Frankiaceae представлено видами, у которых обра-зуется истинный мицелий, септированный и ветвящийся. Гифыобычно довольно тонкие (0,3—0,5 мкм в диаметре), но у отдельныхвидов бывают толще. Вызывают образование клубеньков у большогочисла небобовых двудольных растений (ольха, лох, облепиха и др.).В клетках клубенька, заполненных массой гиф, образуются сфери-ческие или булавовидные вздутия. Сферические тельца называютвезикулами. Бактерии служат симбионтами растений и могут фик-сировать в клубеньке молекулярный азот. Микроаэрофилы. Имеютстадию, в которой клетка свободно живет в почве. Семейство пред-ставлено одним родом — Frankia, к нему отнесено десять видов.

Семейство Nocardiaceae объединяет аэробных актиномицетовс хорошо развитым субстратным мицелием, распадающимся вначалена палочковидные, а затем кокковидные клетки. Лишь у некоторых

3 Микробиология 65

нокардий образуется слаборазвитый воздушный мицелий, на кото-ром формируются цепочки спор. Грамположительные. Неподвиж-ные. Колонии на твердых питательных средах имеют тестообразнуюконсистенцию. Виды семейства распространены в почвах. Разла-гают сложные органические соединения, в том числе гумусовые.Семейство представлено одним родом — Nocardia, к нему отнесен31 вид.

Семейство Streptomycetaceae включает организмы, у которыхобразуется хорошо развитый субстратный разветвленный мицелий,состоящий из нефрагментированных нитей. На субстратном разви-вается воздушный мицелий, содержащий спороносцы со спорами.Споры возникают при фрагментировании гиф воздушного мицелия,могут иметь гладкую или узорчатую поверхность (рис. 26). Колонииплотные, врастающие в субстрат, часто пигментированные. Грампо-ложительные. Хемоорганогетеротрофы. Аэробы. Широко распрост-ранены в почвах, где участвуют в разложении органических ве-ществ. Стрептомицеты — продуценты многих высокоэффективныхантибиотиков, используемых в медицине, ветеринарии, защитесельскохозяйственных растений от вредителей и болезней. РодStreptomyces представлен более чем 450 видами.

Семейство Micromonosporaceae объединяет организмы, кото-рые имеют воздушный мицелий (кроме рода Micromonospora). Оди-ночные споры, пары или короткие цепочки образуются на воздуш-ном или субстратном мицелии или на том и другом. Аэробы. Сап-ротрофы. Для рода Micromonospora характерны одиночные споры,образующиеся непосредственно на субстратном мицелии. Воздуш-ный мицелий не образуется. Микромоноспоры распространены впочвах, в разлагающемся иле и других субстратах. Способны вызы-

Рис. 26. Поверхность колоний актиномицетов рода Streptomyces в сканирующемэлектронном микроскопе: А — общий вид воздушного мицелия, х1740; Б — цепочкиспор, х5800 (по: С. Кимоно, Дж. Кусе)

66

вать трансформацию таких органических веществ, как белок, цел-люлоза, хитин, гумусовые соединения и т. д. К семейству относяттакже роды Thermoactinomyces, Microbispora, Micropolyspora и др.

Отдел 3 — TenericutesОтдел объединяет бактерий, не имеющих ригидной клеточной

стенки, не синтезирующих пептидогликан. Это плеоморфные орга-низмы, размножающиеся почкованием, фрагментацией и бинарнымделением. Микоплазмы могут быть сапротрофами, паразитами ивозбудителями болезней животных и растений.

Клетки микоплазм окружены цитоплазматической мембра-ной, в состав которой входят стерины, в частности эргостерин. Са-ми микоплазмы данные стерины не синтезируют, а удовлетворяютсвою потребность в указанных веществах, получая их из внешнейсреды — от других живых организмов, с которыми находятся вовзаимосвязи. Ряд микоплазм синтезируют каротиноиды, накапли-вающиеся в мембране. Форма клеток может быть сферической илиовальной, палочковидной, дисковидной, встречаются и тонкие нитис тенденцией к образованию разветвленных мицелиевидных струк-тур (рис. 27).

Считают, что микоплазмы — самые мелкие из всех известныхпрокариот, имеющих клеточную структуру (0,1—0,25 мкм). Они, по-добно вирусам, проходят через бактериологические фильтры, задер-живающие обычные бактерии. Размножение микоплазм происходитнеправильным делением, что приводит к образованию клеток раз-ной формы и размеров, а также в результате развития в нитях ма-леньких кокковидных структур — элементарных телец — с их после-дующим освобождением после разрушения нитей и, наконец, поч-кованием. Микоплазмы неподвижны. Факультативные анаэробы,хемоорганогетеротрофы. Распространены на растениях и животных,в водоемах, сточных водах и в почве.

Микоплазмы объединяют водин класс — Mollicutes (от лат. mol-lis — мягкий, cutes — кожа). Классвключает порядок Mycoplasmatales,который состоит из трех семейств —Mycoplasmataceae, Acholeplasmata-сеае и Spiroplasmataceae.

Семейство Mycoplasmataceaeпредставлено родами Mycoplasma иUreaplasma, виды которых широкораспространены в природе (почвах,сточных водах и т. д.). Многие из нихсапротрофы и паразиты, в том числевозбудители различных заболеванийчеловека, животных и растений.

Рис. 27. Клетки рода Mycoplasma.Электронная микрофотография,x11200 (по: Е. Клинебергер-Нобель)

67

Семейства Acholeplasmataceae и Spiroplasmataceae включают со-ответственно роды Acholeplasma и Spiroplasma, представители кото-рых, как правило, сапротрофы, однако среди них встречаются и па-разиты млекопитающих и птиц.

Отдел 4 — Mendosicutes

К отделу Mendosicutes были отнесены прокариоты, обладаю-щие необычной клеточной стенкой, которая не содержит пептидо-гликана. Клетки имеют форму кокков, палочек и спиралей, а такжепирамид, шестилучевой звезды, квадрата, мицелиальных ансамблейи т. д. Они различно окрашиваются по Граму. Эндоспор не образу-ют; многие виды подвижны. Известны как строгие анаэробы, таки аэробы. Многие встречаются в экстремальных местообитаниях.

Представлены классом Archaebacteria1. К нему относят прока-риот, обладающих уникальными физиологическими, биохимически-ми свойствами и экологией, резко отличными от остальных прока-риот. Так, они отличаются от других бактерий составом и первичнойструктурой рибосомальных 16S и 5S рРНК, а также транспортныхРНК; составом мембранных липидов и образованием однослойнойлипидной мембраны; составом клеточных стенок (состоят не изпептидогликана, а из других биополимеров — кислых полисахари-дов, белков и псевдомуреина); отсутствием сложных жизненныхциклов, патогенных и паразитических видов, экзоферментов; спо-собностью использовать только низкомолекулярные органическиесоединения; жизнеспособностью некоторых видов даже при темпе-ратуре выше 100 °С и другими признаками. Среди архебактерий вы-деляют пять основных групп: метанообразующие, аэробные сероокис-ляющие, анаэробные серовосстанавливающие, галобактерии и тер-моацидофильные «микоплазмы».

Группа 1 — м е т а н о г е н ы . Представлена целым рядом родов,в том числе Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina и др.Для данной группы характерны палочковидные или кокковидныеклетки, подвижные и неподвижные. Спор не образуют. Строгиеанаэробы. Облигатные и факультативные хемолитотрофы и хемоор-ганотрофы. Мезофилы, термофилы, имеются галофильные виды.

1 Необходимо еще раз отметить, что на сегодняшний день архебакте-рии наряду с эубактериями и эукариотами получили наиболее высокий так-сономический статус — домена (Domain). Новые названия доменов, пред-ставленных прокариотами, — археи (Archaea) и бактерии (Bacteria) вместоархебактерий и эубактерий, соответственно.

Обратите также внимание на написание названий таксонов. Правиланаписания неоднократно менялись: архебактерии вначале писали как Аr-chaeobacteria, затем — Archaebacteria, прокариоты в разное время писали какProcaryotae и Prokaryotae. (Прим. ред.)

68

Энергию получают при окислении Н2 с восстановлением СО2 доСН4 либо при использовании уксусной кислоты или метиловогоспирта с образованием метана и СО2. Жизнедеятельность метаноге-нов в природе связана с микроорганизмами, которые при сбражива-нии образуют уксусную и муравьиную кислоты, свободный водороди диоксид углерода. Метаногены широко распространены в почвах,илах, желудочно-кишечном тракте животных. Нашли они и практи-ческое применение — выделяющийся из отстойников со сточнымиводами метан собирают и используют как топливо.

Группа 2 — а э р о б н ы е с е р о о к и с л я ю щ и е архебакте-рии — представлена родом Sulfolobus. Эти организмы окисляют эле-ментарную серу, используя ее в качестве источника энергии. Фа-культативные хемолитоавтотрофы. Аэробы. Термофилы, развивают-ся при температуре 70—75 °С, ацидофилы (оптимум рН 3).

Группа 3 — а н а э р о б н ы е с е р о в о с с т а н а в л и в а ю щ и е ар-хебактерий. В ней выделяют роды Thermoproteus, Thermofilum,Desulfurococcus и др. Представители группы восстанавливают эле-ментарную серу до H2S. Строгие анаэробы. Облигатные и факульта-тивные хемолитотрофы и хемоорганотрофы. Экстремальные термо-филы — оптимальная для их развития температура от 85 до 105 °С.Распространены в гидротермальных источниках.

Группа 4 — г а л о б а к т е р и и . К ней отнесены роды Halococ-cus, Halobacterium, Haloarcula. Морфология клеток галобактериивесьма разнообразна — они могут быть палочковидной, кокковид-ной, квадратной и коробочковидной формы. Галобактерии способныразвиваться на средах с высокими концентрациями NaCl (20—25%).Это так называемые экстремальные галофилы. Среди них имеютсяаэробы и факультативные анаэробы.

Необычная физиологическая особенность галобактерий —способность к особому типу фотосинтеза — фотофосфорилирова-нию с участием пурпурной мембраны, в которой содержится пиг-мент бактериородопсин, поглощающий световую энергию. Крометого, для них характерно использование ионов Na+ в биоэнергети-ческих процессах. Участвуют в превращении углерода и азота в за-соленных почвах, соленых озерах с высокой температурой воды инизким содержанием кислорода, солеварнях и других субстратах.

Группа 5 — т е р м о а ц и д о ф и л ь н ы е «микоплазмы» —представлена одним родом — Thermoplasma. Это хемоорганотро-фы, развивающиеся при высокой температуре (60 °С) и кислотности(рН 1—2). Аэробы. Обнаружены в Японии в горячих источниках.

Контрольные вопросы и задания1. Расскажите о классификации и номенклатуре микроорганизмов. 2. Наосновании каких признаков представители царства Procaryotae разбиты начетыре отдела? 3. Назовите основных представителей грамположительных и

69

грамотрицательных бактерий, микоплазм и архебактерий. 4. Каковы отли-чительные признаки фотосинтезирующих бактерий классов аноксифотобак-терии и оксифотобактерии? 5. В чем уникальность архебактерий?

Морфология и систематикаэукариотных микроорганизмов

3 . 1 . Водоросли — Algae

Водоросли — эукариотные организмы, осуществляющие фотосинтез свыделением кислорода и имеющие хлоропласты. Известны одно-клеточные, нитчатые, колониальные (ценоцитные) формы, а такжемногоклеточные, состоящие из слабо дифференцированных клетоки тканей, которые образуют структуру, сходную с растениями, такназываемый таллом, или слоевище. Слоевища могут быть представ-лены простыми нитями, шнуровидными тонкими нитями, шаровид-ными образованиями, пластинчатыми или кустистыми структурамис ложными листьями. Некоторые водоросли можно наблюдать толь-ко под микроскопом, размеры других достигают десятков метров.

Одноклеточные водоросли бывают без жгутиков и со жгу-тиками. Для большинства одноклеточных водорослей характерныдва жгутика. К о л о н и а л ь н ы е водоросли состоят из несколькихили многих клеток, одинаковых по форме и функциям. У много-к л е т о ч н ы х водорослей отдельные клетки соединены плазмодес-мами.

Общая морфологическая характеристика. Морфологиче-ское разнообразие водорослей велико, но почти для всех видов,встречающихся в почве, характерны микроскопические размеры иодноклеточность. Встречаются также нити или колонии. Клеткиводорослей окружены клеточной стенкой, состоящей из целлюлозыс примесью пектиновых веществ. У одних водорослей стенки клетокпокрыты толстым слоем органических веществ, у других пропитаныкремнеземом. В клетке имеется цитоплазма, одно или много ядер,вакуоли и хлоропласты — органы фотосинтеза. У водорослей хлоро-пласты бывают самой разнообразной формы и окраски, но обяза-тельно содержат пигмент хлорофилл. Цвет водорослей зависит и отдругих пигментов. У многих видов водорослей в хлоропластахсодержатся особые белковые тельца — пиреноиды, около которыхоткладывается крахмал. Он может накапливаться и непосредственнов хлоропластах. Кроме крахмала, клетки водорослей могут синтези-ровать другие полисахариды, а также моносахара и масла. У этой

70

группы микроорганизмов известно три способа размножения: веге-тативное, бесполое и половое.

Водоросли широко распространены в природе. Их обнаружива-ют в реках, морях, океанах, озерах, болотах, почвах и других субстра-тах. Водоросли, обитающие в пресной или морской воде, в основномсвободноживущие, однако некоторые одноклеточные виды вступают всимбиоз с морскими беспозвоночными (губками, коралловыми поли-пами и др.). Наземные водоросли обитают как на поверхности почв,так и в их толще, а также на коре деревьев, скальных породах и т. п.Некоторые представители микроорганизмов данной группы вступаютв симбиоз с грибами (аскомицетами) с образованием лишайников —двухкомпонентных ассоциаций, способных развиваться в крайне не-благоприятных условиях температуры и влажности.

Почвенные водоросли распространены повсеместно, главнымобразом в поверхностных слоях почвы, где условия влажности и ос-вещенности для них наиболее благоприятны. Влага — самый важныйэкологический фактор, определяющий распространение водорослей.

Потребность водорослей в питательных веществах различна.Благодаря способности к фотосинтезу водоросли на свету использу-ют углерод диоксида углерода. Источником азота для них служатминеральные соединения этого элемента. Нитраты водоросли усва-ивают легче других соединений.

Виды, обитающие в глубоких слоях почвы, нуждаются в ис-точниках органического углерода, они берут его из растительных ос-татков или из продуктов обмена веществ бактерий. В таких условияхлучший источник азота для водорослей — аммонийный азот. Следо-вательно, для развития водорослей в глубине почвы благоприятновысокое содержание органических веществ, поэтому они и встреча-ются в больших количествах в окультуренных и садовых почвах.

Водоросли активно участвуют в процессах превращения азота,они переводят нитратный и аммонийный азот в органические со-единения, входящие в состав клеток. Водоросли играют важнуюроль в круговороте веществ на Земле, так как продуцируют и накап-ливают органическое вещество, особенно в формирующихся почвах.

Систематика. Классификация водорослей основана на такихпризнаках, как химический состав клеточной стенки, строение и рас-положение жгутиков у подвижных клеток, характер фотосинтетиче-ских пигментов, а также природа образуемых клеткой запасных орга-нических веществ. На основании перечисленных признаков водорос-ли делят на несколько крупных групп. Остановимся только на тех изних, представители которых широко распространены в почвах.

Зеленые водоросли Chlorophyta — самая обширная и раз-нообразная группа водорослей. Представлена одноклеточными фор-мами, а также многоклеточными, для которых характерны нитчатыеили плоские листовидные талломы. Зеленые водоросли разнообраз-

71

ны по морфологии клеток и организации таллома. Так, одноклеточ-ные водоросли порядка Chlorococcales могут иметь круглые, серпо-видные или веретеновидные клетки. В ряде случаев виды данногопорядка образуют колонии, состоящие из трех-четырех клеток. Длямногих зеленых водорослей характерны жгутики, но есть и непо-движные виды.

Одноклеточные жгутиковые водоросли относят к порядкуChlamydomonadales. Клетки видов данного порядка имеют по дважгутика, однако при неблагоприятных условиях переходят в паль-меллоидную стадию, теряют жгутики, выделяют слизь, но продол-жают делиться. Описанная стадия характерна для обитателей почвы.Для зеленых водорослей порядка Ulotrichales характерны нитчатыеили пластинчатые (возникшие из нитчатых) талломы.

Размножаются зеленые водоросли бесполым и половым пу-тем. При бесполом наблюдается деление и образование бесполыхспор: неподвижных — автоспор и подвижных — зооспор. При поло-вом размножении происходит конъюгация двух клеток, сливаютсяих ядра с образованием половых спор, впоследствии прорастающихв новые нити.

Ж е л т о - з е л е н ы е в о д о р о с л и — Xanthophyta. В почвахвстречаются одноклеточные и нитчатые формы желто-зеленых во-дорослей. Обнаружен вид с сифональной структурой таллома, пред-ставляющий собой одну сильно разросшуюся многоядерную клетку.Отличительный признак желто-зеленых водорослей — наличие раз-ных жгутиков. Из двух жгутиков клетки или зооспоры обычно одиндлиннее другого. Оболочка клеток водорослей данной группы частосостоит из Н-образных половинок, способных иногда разделяться.

Размножаются желто-зеленые водоросли вегетативно, беспо-лым путем (зооспорами и автоспорами); очень редко наблюдаетсяполовой процесс — изогамия.

В почвах широко распространены одноклеточные желто-зеле-ные водоросли родов Bumilleriopsis, Chamciopsis и Pleurochloris; нит-чатые виды родов Heterothrix и Tribonema. Представитель рода Botry-dium (В. granulatum) имеет неклеточный таллом. Это пузыревиднаяводоросль диаметром до 1 мм, обитающая на поверхности сырой,хорошо удобренной почвы. К почве ботридиум прикрепляется бес-цветными ветвящимися ризоидами.

Диатомовые водоросли Bacillariophyta (Diatomeae) пред-ставлены одноклеточными формами. Клеточные стенки содержаткремний и состоят из двух створок, заходящих одна за другую, по-добно двум частям коробки. На клеточных стенках диатомовых во-дорослей виден рисунок. Для каждого вида характерен индивиду-альный рисунок (тонкие ребрышки, линии, поры и т. п.). Диатомеиспособны к скользящему движению благодаря особому току про-топлазмы, выпускаемой через шов — поясок на поверхности кле-

72

точной стенки. В клетках водорослей данной группы откладываютсязапасные питательные вещества, главным образом в виде жира, а некрахмала. Диатомеи размножаются бесполым или половым путем.В почвах распространены виды родов Hantzschia, Navicula, Nitzschia,Pinnularia и др.

3.2. Простейшие — Protozoa

Простейшие — наиболее многочисленная и повсеместно распростра-ненная в почвах группа одноклеточных микроорганизмов. Размерыих обычно составляют 5—20 мкм, клетки могут быть шаровидной,овальной, сплюснутой или разветвленной формы. Эти микроорга-низмы обычно подвижны и пластичны, т. е. легко изменяют форму.Для простейших, обитающих в почве, характерна способность обра-зовывать цисты, устойчивые к неблагоприятным условиям. Цистыотличаются высокой сопротивляемостью и жизнестойкостью, спо-собствуют выживанию даже после длительного высушивания, обра-ботки кислотами и т. п. Простейшие — обычно паразиты и хищни-ки, но среди них есть и сапротрофы.

Число простейших в почве зависит от ее типа, содержанияпочвенного органического вещества, влажности, сезона года, расти-тельности и других факторов. Населенность почвы простейшимиколеблется в значительных пределах и может достигать несколькихсотен тысяч и миллионов клеток в 1 г абсолютно сухой почвы. Об-щая масса живых клеток на 1 га может быть от нескольких кило-граммов в лесных подзолистых почвах до нескольких тонн на оро-шаемых сероземах под люцерной и хлопчатником. Биомасса про-стейших уступает биомассе бактерий.

Сложные отношения складываются у простейших с другимипочвенными микроорганизмами. Большинство видов почвенныхпростейших — бактериядные формы, причем обладающие опреде-ленной избирательностью в питании. Так, почвенные амебы кромедругих бактерий активно поглощают клетки азотобактера. Уничто-жая часть клеток, простейшие поддерживают численность азотобак-тера на определенном уровне. Кроме того, биологически активныевещества простейших положительно влияют на фиксацию азота ат-мосферы почвенными микроорганизмами.

Некоторые виды почвенных грибов и актиномицетов подав-ляют развитие простейших. В свою очередь, определенные формыпростейших используют содержимое грибов для питания, пробурав-ливая стенки конидий.

Простейшие стимулируют рост и развитие высших растений.Они могут оказывать положительное действие на растения непо-средственно, выделяя продукты обмена веществ, обогащающие ри-юсферу азотсодержащими соединениями, или участвуя в разложе-

73

нии сложных органических веществ до более простых, доступныхдля растений. Простейшие могут воздействовать на высшие расте-ния и косвенно, влияя на численность, видовой состав и жизнеде-ятельность микробного населения почвы. В почве живут представи-тели трех классов простейших: Flagellata (жгутиконосцы), Rhizopoda(саркодовые) и Ciliata (инфузории).

Класс I — Flagellata, или Mastigophora, — жгутиковые про-стейшие, имеющие один или несколько жгутиков. При размноже-нии клетки жгутиковых простейших делятся в продольном направ-лении. В клетках некоторых видов жгутиконосцев содержатся пиг-менты, в том числе хлорофилл. Типичный представитель такихрастительных жгутиконосцев, или фитомастигинов, — эвглена зеле-ная {Euglena viridis) способна к фотосинтезу. Описанные микроорга-низмы обладают свойствами как животных, так и растений и входяткак в ботаническую, так и в зоологическую классификацию. В не-которых случаях, например при потере в темноте хлорофилла, зеле-ные жгутиконосцы могут менять тип питания на осмотрофный. По-этому их можно отнести к миксотрофам — организмам со смешан-ным типом питания.

В почвах живут также зеленые — Chlamydomonas, бурые —Cryptomonas и желтоватые — Ochromonas жгутиконосцы. Бесцветныежгутиконосцы, или зоомастигины, представлены как сапротрофами,так и формами с голозойным типом питания. К последним относятвиды родов Bodo, Cercomonas, Oicomonas, Manas.и др.

Класс 2 — Rhizopoda, или Sarcodina. Среди саркодовых про-стейших, обитающих в почвах, следует отметить корненожек — го-лых и раковинных амеб. У корненожек превалирует амебоидныйспособ передвижения, хотя отдельные виды способны к образова-нию жгутиков. Характерная особенность амеб — непостоянствоформы тела. Они не имеют жесткой клеточной стенки и способныобразовывать временные протоплазматические отростки — псевдо-подии, служащие для передвижения и «заглатывания» пищи.

Раковинные амебы относят главным образом к сапрофагам.Часть тела этих амеб заключена в панцирь, или раковину. Псевдо-подии вытягиваются наружу через отверстие — устье, а раковина иг-рает защитную роль. Строение панциря, имеющего характернуюформу, положено в основу классификации раковинных амеб. Оби-тают виды данной группы простейших (преимущественно рода Pla-giopyxis) в различных почвах, особенно много их в болотных почвах.

Класс 3 — Ciliata, или Ciliophora, — инфузории, или реснич-ные простейшие. Это очень большая и разнообразная группа орга-низмов, широко распространенных в пресных водоемах. В почвепростейших данного класса значительно меньше, чем жгутиковых иамеб. Инфузории в отличие от амеб имеют определенную и посто-

74

янную форму благодаря плотной, хотя и гибкой, наружной оболоч-ке. Клетка инфузории округлая спереди и заостренная сзади. По-верхность ее покрывают многочисленные реснички (около 2500),сгруппированные в продольные косые или спиральные ряды. Припомощи ресничек клетки движутся и подводят пищу к ротовому от-верстию — цитостому. Клетки инфузорий достаточно сложно устро-ены: в цитоплазме различают экто- и эндоплазму, имеются макро- имикронуклеус, пищеварительные и сократительные вакуоли и раз-личные включения. Клетка делится в поперечном направлении, а нев продольном, как у жгутиковых.

Представителей почвенных инфузорий выделяют в подклас-сы: Holotricha (Colpoda, Paramecium) — с равномерным расположени-ем ресничек по всей поверхности клетки; Spirotricha — со спираль-ными рядами ресничек от заднего конца клеток к ротовому отверс-тию (Stylonichia); Peritricha — с клетками, которые как бы поперечно«срезаны» у ротового отверстия, причем ротовая ямка окружена дву-мя рядами укороченных ресничек; среди инфузорий данного под-класса есть прикрепленные формы со стебельком (род Vorticella).

3.3. Грибы — FungiГрибы — низшие эукариотные одноклеточные и мицелиальные хе-моорганотрофные организмы. Их относят к особому царству — Му-cota. Представителей грибов делят на макро- и микромицеты. Мак-ромицеты образуют крупные плодовые тела, отсутствующие у мик-ромицетов. У последних на протяжении всего жизненного циклаимеются только микроскопические структуры.

Общая морфологическая характеристика. Тело гриба, назы-ваемое мицелием, или грибницей, составляет разветвленные длинныенити, или гифы. У некоторых грибов нити гиф не имеют попереч-ных перегородок. Для большинства характерны гифы с поперечны-ми перегородками — септами, разделяющими их на участки. На ос-новании данного признака грибы делят на н и з ш и е — несептиро-ванные и в ы с ш и е — септированные.

Грибы значительно крупнее бактерий и актиномицетов. Диа-метр их гиф колеблется от 5 до 50 мкм и более. Клеточная стенкабольшинства грибов содержит хитин или близкие к нему соедине-ния. Под клеточной стенкой находится зернистая цитоплазма. Онасодержит большое количество рибосом, состоящих почти из однойРНК и служащих основным местом синтеза белка. В цитоплазмегрибов есть митохондрии, в которых локализованы дыхательныеферменты, могут быть также включения волютина и жиров. В клет-ках грибов четко дифференцировано ядро, окруженное мембраной.Несептированный мицелий грибов содержит несколько ядер.

75

Наличие мицелия — один из отличительных признаков гри-бов. Отдельные участки мицелия грибов могут превращаться в спе-циальные образования — спорангии, в которых формируются споры,служащие для сохранения или размножения вида. Способы размно-жения грибов весьма разнообразны. У них возможно вегетативное,бесполое и половое размножение. Специфичность размножения по-ложена в основу систематики того или иного гриба.

Грибы широко распространены в природе. Их обнаруживаютво всех естественных субстратах (почвах, растительных и животныхостатках и т. п.), продуктах питания и т. д. Среди грибов есть нетолько сапротрофы, но и паразиты, и даже хищники. В почве грибыучаствуют в разложении органических веществ, в том числе такихсложных соединений, как целлюлоза, лигнин. Грибы могут вызватьпорчу пищевых продуктов, деревянных построек, изделий из каучу-ка и резины, нефтепродуктов и т. д. Отдельные виды являются воз-будителями болезней растений, животных и человека.

Систематика1. Рассмотрим некоторых представителей грибов,важных для сельскохозяйственного или промышленного производст-ва. В царство Mycota входят слизевики, или миксомицеты (отдел Му-xomycota), и собственно грибы, или истинные грибы (отдел Eumycota).

Миксомицеты — отдел Myxomycofa. Это группа своеобраз-ных организмов, напоминающих по некоторым свойствам грибы,но в определенные периоды цикла развития сходных с амебами.Встречаются миксомицеты в виде слизистой массы, передвигаются,подобно амебам, выпуская псевдоподии. Тело этих микроорганиз-мов не разделено на клетки, в нем много ядер. Миксомицеты могутразмножаться простым делением, но на определенной стадии разви-тия две слизистые массы соединяются, образуя плодовое тело, в ко-тором возникают споры. Последние, попадая в благоприятную сре-ду, прорастают, затем начинают делиться, образуя амебоидные клет-ки. Некоторые из таких клеток — гамет сливаются друг с другом собразованием зиготы, которая делится и разрастается до многоядер-ной слизистой массы.

Истинные грибы — отдел Eumycota. Эту группу делят на рядклассов, краткая характеристика которых приведена ниже.

Класс Chytridiomycetes характеризуется полным отсутствиеммицелия или ценоцитным (неклеточным) мицелием. Представителиданного отдела размножаются бесполым (зооспорами) или половымпутем. Зооспоры и гаметы (планогаметы) имеют один задний жгу-

1 Ранги таксонов грибов даны в соответствии с руководствомЮ. Т. Дьякова «Введение в альгологию и микологию» (М., Изд-во Моск.ун-та, 2000).

76

тик, построенный по типу кнута. Многие хитридиомицеты — ти-пичные водные организмы, однако есть среди них и обитатели поч-вы, паразиты растений, а также виды, живущие на отмерших расти-тельных остатках.

Класс Zygomycetes — группа организмов, полностью утратив-ших подвижные стадии развития. У его представителей наиболеечасто отмечается половое размножение. Бесполое размножение осу-ществляется неподвижными спорангиеспорами, образующимисявнутри спорангиев.

К описываемому классу в числе прочих относят представите-лей мукоровых грибов, широко распространенных в почвах. Муко-ровые имеют хорошо развитый разветвленный одноклеточный ми-целий, над которым возвышаются плодоносящие гифы — спорангие-носцы. Размножение бесполым путем происходит при помощинеподвижных спорангиеспор, образующихся внутри спорангиев.Среди часто встречающихся в почве мукоровых грибов можно отме-тить роды Mucor, Thamnidium, Rhizopus и др.

Класс Ascomycetes представляет самую обширную группу гри-бов с разветвленным многоклеточным мицелием. Размножение у ас-комицетов происходит обычно при помощи конидий. Они размно-жаются и половым путем — аскоспорами, которые образуются послеслияния ядер половых клеток — гамет в сумке — аске. В аске могутразвиваться две, четыре, шесть или восемь аскоспор. Аски распола-гаются в образованиях различной формы — в аскокарпиях, иликлейстотеках, — вместилищах без отверстий, перитециях — вмести-лищах с отверстием или апотециях, имеющих форму чаши или куба.

К представителям класса Ascomycetes, часто встречающимся впочве, относят виды родов Aspergillus, Penicillium и Chaethomium.Этим грибам свойственно размножение при помощи конидий, ноиногда у них образуются сумки. Один из широко известных пред-ставителей отдела — спорынья.

Класс Basidiomycefes — мицелий этих грибов состоит из мно-гоклеточных гиф. Ядро базидиомицетов дифференцированное. По-ловое размножение осуществляется базидиями — образованиями,сходными по функциям с сумками аскомицетов. Каждая базидияобразуется после слияния ядер — гамет и представляет собой ци-линдрическую клетку, на конце которой формируются четыре бази-диоспоры. Последние отделяются и, попадая в благоприятные усло-вия, развиваются в новый мицелий.

К базидиомицетам относят многих вредителей сельскохозяй-ственных растений, например возбудителей ржавчины и головни,вредителя древесины — домового гриба Serpula lacrymans, множест-во высших, в том числе съедобных, грибов, а также разнообразныхсапротрофов, активно участвующих в разложении органических ос-татков.

77

Класс Deuteromycetes — сборная группа, включающая так на-зываемые несовершенные грибы. Их тело состоит из расчлененныхпрозрачных или окрашенных многоклеточных гиф, иногда из поч-кующихся клеток. Размножаются исключительно бесполым путем,при котором образование конидий происходит на изолированныхили расположенных группами конидиеносцах или в специальныхобразованиях, называемых пикнидами.

К дейтеромицетам относят грибы порядка Sphaeropsidales,Melanconiales и Hyphomycetales, или Moniliales, представители кото-рых широко распространены в почве.

Грибы порядка Sphaeropsidales характеризуются конидиями,которые образуются в пикнидах, остающихся закрытыми или от-крывающихся наружу порами или трещинами. К данному классу от-носят среди других и род Phoma, виды которого образуют микоризус корнями некоторых растений.

Порядок Melanconiales включает организмы, не имеющие пик-нид. Конидии меланкониевых грибов расположены на конидиенос-цах, соединенных в особые образования — ацервулы.

Грибы порядка Hyphomycetales имеют расчлененные разветв-ленные прозрачные или темноокрашенные гифы. Разнообразные поформе конидии грибов этой группы находятся на конидиеносцах,расположенных по одному или группами. В почве обитают видымногих родов, относящихся к данному классу: Cephalosporium, Tri-choderma, Cladosporium, Alternaria, Fusarium и др.

Несовершенные грибы подразделяются на семейства в соот-ветствии с типом мицелия и формой конидиеносцев. К несовер-шенным грибам относят также группу грибов с неустановленнымспособом полового и бесполого размножения — Mycelia sterilia, илигрибы со стерильным мицелием, сюда входит ряд грибов (Sclerotium,Rhizoctonia и др.), имеющих значение в почвенных процессах.

Дрожжи и д р о ж ж е п о д о б н ы е грибы относятся к клас-сам Ascomycetes, Basidiomycetes и Deuteromycetes. Так, в класс Asco-mycetes входит порядок Endomycetales — дрожжеподобные сумчатыегрибы, образующие эндоспоры. К упомянутому классу относят се-мейство Saccharomycetaceae, представители которого почти лишенымицелия. Это одноклеточные организмы овальной формы, размно-жающиеся почкованием или делением.

В данное семейство входит хорошо изученный род Saccharo-myces, многие виды которого, например Saccharomyces cerevisiae,имеют большое значение в пищевой промышленности. Эти дрожжиразмножаются почкованием.

Виды рода Schizosaccharomyces, также относящегося к сахаро-мицетам, размножаются делением. Среди этих микроорганизмовесть возбудители спиртового брожения и дрожжи, вызывающие пор-чу вин, к ним относят и многие другие роды дрожжей, напримерNadsonia, виды которого обусловливают порчу пищевых продуктов.

78

В класс Ascomycetes входят и наиболее типичные почвенныедрожжи рода Lipomyces,

Класс Basidiomycetes представлен дрожжами, у которых обра-зуются половые структуры базидиального типа — базидиоспоры.Большая часть этих дрожжей родственна головневым грибам. Срединих красные дрожжи рода Rhodosporidium и розовые рода Sporobolo-myces, обитающие на поверхности листьев растений, в бесполой ста-дии размножающиеся баллистоспорами.

К классу Deuteromycetes относят дрожжеподобные организмы,не имеющие эндоспор. Они размножаются почкованием. Некото-рые виды рода Torula вызывают спиртовое брожение. У дрожжей ро-да Rhodotorula синтезируется розовый пигмент, они вызывают порчупищевых продуктов. Существуют и болезнетворные дрожжи, напри-мер некоторые виды Candida.

В почве встречается значительное число видов дрожжей, основ-ная масса которых не вызывает спиртового брожения. Дрожжей —возбудителей брожения чаще всего можно обнаружить в почвах ви-ноградников.

К грибоподобным организмам в настоящее время относятпредставителей класса Oomycetes. Некоторые исследователи объ-единяют их в один таксон с водорослями.

Оомицеты — организмы с характерным половым процессом(оогамия) и подвижными зооспорами с двумя жгутиками — элемен-тами бесполого размножения. Многие их представители — назем-ные облигатные паразиты, полный жизненный цикл которых про-ходит на растении-хозяине. К оомицетам относят многие фитопато-генные грибы, например роды Pythium, Phytophtora, вызывающиеболезни сельскохозяйственных растений.

3.4. ВирусыВирусы — группа ультрамикроскопических облигатных внутрикле-точных паразитов, способных размножаться только в клетках живыхорганизмов (многоклеточных и одноклеточных). Среди них имеют-ся возбудители заболеваний человека, животных, растений, насеко-мых, простейших и микроорганизмов.

Вирусы были открыты в 1892 г. Д. И. Ивановским при изуче-нии причин гибели табака от мозаичной болезни, выражающейся впоявлении пятен на листьях растений. Ученый обнаружил, что здо-ровое растение получает возбудителя с соком больного растения да-же после пропускания этого сока через бактериологические фильт-ры. Следовательно, болезнь вызывает организм, который способенпроходить через бактериологические фильтры. Эти микроорганиз-мы назвали фильтрующимися вирусами, а затем просто вирусами.

79

Вирусы обладают следующими характерными особенностями,отличающими их от других микроорганизмов:

• не имеют клеточного строения;• не способны к росту и бинарному делению;• не имеют собственных систем метаболизма;• содержат нуклеиновые кислоты только одного типа — ДНК

или РНК;• используют рибосомы клетки-хозяина для образования соб-

ственных белков;• не размножаются на искусственных питательных средах и мо-

гут существовать только в организме восприимчивого к нимхозяина.

Обычно вирусы существуют в двух формах — внеклеточной ввиде так называемого вириона и внутриклеточной, называемой реп-родуцирующимся, или вегетативным, вирусом. У вириона отсутствуетобмен веществ, он не растет и не размножается. Внутриклеточнаяформа представляет собой активный агент, который, попав в клеткухозяина (растения, животного, микроорганизма), использует ее био-синтетический и энергетический аппарат для репродукции новыхвирусов, а впоследствии может вызвать и гибель самой клетки. Сле-довательно, только в клетке хозяина вирус способен функциониро-вать и репродуцироваться, приобретая свойства живого организма.

Химический состав вирусов довольно прост. Число химиче-ских соединений, из которых они состоят, невелико. Вирусы пред-ставляют собой нуклеопротеиды и состоят из нуклеиновой кислотыи нескольких кодируемых ею белков. Нуклеиновые кислоты виру-сов отличаются значительным разнообразием, превосходя в этом от-ношении даже клеточные формы жизни — эукариот и прокариот.

Как известно, в состав клеток входят ДНК и РНК, в то времякак вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты — ДНКили РНК. Поэтому все вирусы подразделяют на две группы —ДНК-геномные и РНК-геномные. Обычно вирусы растений содер-жат РНК-геномы, вирусы человека и животных как ДНК-, таки РНК-геномы. Почти все бактериофаги ДНК-геномны.

Сложно организованные вирусы (вирусы животных и человека)сложны по химическому составу и содержат дополнительные белковыеили липопротеидные оболочки. Кроме нуклеиновой кислоты и белков,они содержат липиды в наружных оболочках и углеводы в составе бел-ков наружных оболочек (гликопротеидов). Некоторое количество ли-пидов есть у бактериофагов и ряда крупных вирусов растений. У неко-торых сложных вирусов выявлены ферменты. У бактериофагов такжеобнаружены ферменты — лизоцим и аденозинтрифосфатаза.

Один из наиболее хорошо изученных фитопатогенных виру-сов — вирус табачной мозаики (ВТМ). В 1935 г. У. Стенли выделил иполучил этот вирус в кристаллической форме. При введении в рас-

80

Рис. 28. Электронные фотографии вирусов животных, растенийи бактерий: слева — коровьей оспы, заболеваний насекомых,бактериофага ТЗ, полиомиелита; справа — гриппа, бактериофага Т2,папилломы кроликов, мозаики табака

тение табака кристаллы вызывали симптомы мозаичной болезни.Получены в кристаллическом виде и многие другие вирусы.

Изучение вирусов под электронным микроскопом показало,что они разнообразны по форме и имеют довольно сложное стро-ение. Различают следующие формы вирусов: палочковидную, при ко-торой вирус имеет вид прямого цилиндра (вирус табачной мозаики);нитевидную, представляющую эластичные изгибающиеся нити (не-которые вирусы растений и бактерий); сферическую, сходную с много-гранниками (вирусы животных и человека); кубовидную, по виду на-поминающую параллелепипед с закругленными краями (вирусы жи-вотных и человека); булавовидную, характеризующуюся наличиемголовки и отростка (вирусы бактерий и актиномицетов) (рис. 28).

81

Рис. 29. Т-бактериофаг.Электронная микрофотография(по: С. Бреннер)

Внеклеточная форма сущест-вования вируса, вирион, состоитиз нуклеиновой кислоты и белка.Нуклеиновая кислота уложена в ви-де спирали и окружена белковой обо-лочкой, называемой капсидом. По-следний образован большим числомсубъединиц белка — капсомеров, ко-торые, в свою очередь, представленыодной или несколькими молекула-ми белка. Белковый капсид, объ-единенный с нуклеиновой кисло-той (ДНК или РНК), носит назва-ние нуклеокапсида. По способуукладки капсомеров выделяют кап-сиды, построенные по спиральномуи кубическому типам симметрии.В первом случае капсид имеет ци-линдрическую форму, во втором —форму многогранника. К вирусамсо спиральным типом симметрииотносят вирус табачной мозаики.

Для многих вирусов бактерий,или фагов, характерен так называе-мый сложный тип симметрии: голов-

ка фага имеет форму многогранника (кубическая симметрия), хвосто-вой отросток — форму цилиндра (спиральная симметрия) (рис. 29).

Размеры вирусов определяют различными способами: по раз-меру пор фильтров, пропускающих вирусы, по скорости осаждениявирусов при центрифугировании и при помощи фотографий, полу-ченных в электронном микроскопе. Размеры вирионов вирусов ко-леблются в довольно широких пределах — от 15 до 400 нм. В обыч-ный световой микроскоп отдельные вирусные частицы не видны,но в пораженных вирусом клетках часто можно различить тель-ца-включения, представляющие собой, как считают, гигантские ко-лонии вирусов.

Вирусы специфичны, они паразитируют только на определен-ных хозяевах — растениях, животных или микроорганизмах. Этообусловливает распределение вирусов на группы на основе типа хо-зяев. В последнее время при классификации вирусов принимают вовнимание их строение, чувствительность к внешним факторам и т. д.Выделяют группы вирусов, патогенных для растений, животных и,наконец, для микроорганизмов. Вирусы бактерий и актиномицетовназывают соответственно бактериофагами и актинофагами. Извест-ны субмикроскопические агенты — микофаги, поражающие грибы,и цианофаги, паразитирующие на цианобактериях.

82

Вирусы не размножаются в почве, но могут долго сохранятьсяв ней, если условия исключают их инактивацию. Так сохраняютсявирусы мозаичной болезни пшеницы, овса и табака, кольцевой пят-нистости картофеля и др. Некоторые вирусы человека и животных,попадая в почву, остаются инфекционными в течение несколькихмесяцев.

Фаги — облигатные паразиты микроорганизмов — открылинезависимо друг от друга в 1915 г. Ф. Туорт и в 1917 г. Ф. Д. Эррель.Длина головки фага достигает 60—100 нм, отростка — 100—200 нм.Призматическая головка фага покрыта оболочкой из упорядоченнорасположенных капсомеров. Внутри головки находится одна илидве нити ДНК.

Отросток представляет собой белковый стержень, покрытыйсверху чехлом из спирально расположенных капсомеров, способныхк сокращению. Обычно отросток оканчивается базальной пластин-кой с пятью-шестью выростами. От пластинки отходят тонкиенити — органы адсорбции. Через отросток из головки фага ДНК пе-реходит в клетку микроорганизма.

Механизм проникновения бактериофага в бактерии подробноизучен. Обычно фаг адсорбируется чувствительной к нему клет-кой бактерии. Затем содержимое головки (ДНК) переходит в бакте-рию, а оболочка остается снаружи. После нападения фага бактерияутрачивает способность к делению, перестает двигаться. Метабо-лизм бактериальной клетки перестраивается под влиянием ДНК фа-га, и клетка начинает производить продукты не собственного обме-на, а бактериофага, и в результате в ней происходит интенсивноеобразование частиц бактериофага. Затем клеточная стенка бактериирастворяется, и из нее выходят зрелые бактериофаги. Одна клеткабактерии становится источником нескольких сотен и даже тысячбактериофагов.

При наблюдении колоний бактерий на агаре лизирующеедействие бактериофага видно по образованию прозрачных зон во-круг колоний, а на жидкой среде — по уменьшению мутности бак-териальной суспензии.

Растворять (лизировать) данный вид бактерий способен толь-ко вирулентный к нему фаг. Нередко бактериальная клетка инфи-цируется фагом, который может в ней существовать, не вызывая ли-зиса. При размножении бактерии инфекционное начало переходитв дочерние клетки. Бактериофаги такого характера называют уме-ренными, а бактерий — передатчиков данных фагов — лизогенными.При определенных условиях лизогенные культуры бактерий могутбыть лизированы находящимся в них фагом. Каждый фаг способенпоражать бактерий одного вида или группы близких видов.

Исследовано большое число фагов, поражающих различныхмикроорганизмов. Известны фаги, лизирующие бактерии родовPseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Streptococcus, Staphylococcus; актино-

83

мицеты рода Streptomyces; микобактерии рода Mycobacterium и др. Фа-ги встречаются в воде, почве и других природных объектах. Некото-рых фагов используют в медицине для профилактики заболеваний.

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите основные группы водорослей и их свойства. 2. Какие группыпростейших широко представлены в почве? 3. Чем отличаются микромице-ты от миксомицетов? 4. Что представляют собой вирусы и какие организмыони способны заражать?

Глава4 Генетика микроорганизмов

Сохранение специфических структурных и функциональныхсвойств организмов, т. е. постоянство признаков на протяжениимногих поколений, называют наследственностью. Впервые матери-алы для познания механизма наследственности были получены вXVII в. в связи с открытием спермы и яйца. Роль гамет в жизнен-ном цикле высших организмов была постепенно изучена, и сталоясно, что свойства родителей передаются потомству посредствомфизического «вещества», переносимого в спермиях и яйцах. Даль-нейшие наблюдения выявили, что данные генетические факторысодержатся в ядрах гамет как у растений, так и у животных.

4 . 1 . Наследственные факторы микроорганизмов

Установлено, что в эукариотных клетках — ядра, а в прокариотных —нуклеоиды служат местом нахождения генетического материала, ко-торый представлен ДНК с молекулярной массой 2,9 . 109 а.е.м.1

и длиной молекулы 1100—1600 мкм. Молекулы ДНК бактерий име-ют вид длинных двойных цепей полимеров — полинуклеотидов, со-стоящих из мономеров — нуклеотидов.

Каждый мононуклеотид включает одно из четырех азотистыхоснований — аденин, гуанин, цитозин или тимин, одну молекулупентозы и одну молекулу фосфорной кислоты. Обычно молекулаДНК состоит из двух комплементарных нитей, которые образуютдвойную спираль. При этом аденин одной нити находится в парес тимином другой, а гуанин аналогично связан с цитозином. После-довательность азотистых оснований в молекуле ДНК несет инфор-мацию, необходимую для синтеза белков. В бактериальной клеткеДНК имеет форму нити, замкнутой в виде кольца. Эта нить называ-

1 А.е.м. — атомная единица массы, равная 1,66057 10-27 кг.

84

ется бактериальной хромосомой. Данная хромосома, как и хромосо-мы всех живых организмов, имеет отдельные участки — гены (фраг-менты молекулы ДНК), дискретно расположенные и несущие гене-тическую информацию относительно всех признаков, присущихклетке. Ген — главный фактор, отвечающий за наследственные свой-ства микроорганизмов. Каждый наследственный признак контроли-руется соответствующими генами.

Генетические исследования показали также, что конкретныепризнаки микроорганизмов обусловливают ферменты. Это послу-жило в свое время основанием для теории «один ген — один фер-мент», которая утверждает, что каждый ген определяет образованиеспецифичного фермента. В дальнейшем оказалось, что гены коди-руют не только ферменты, но и многие другие белки. Например, ге-ны, которые несут информацию о синтезируемых микроорганизма-ми структурных белках, называют структурными генами. Транс-крипция генов регулируется определенными регуляторньши генами.

Генетический материал микроорганизмов может содержатьсяне только в хромосоме, но и во внехромосомных структурах — плаз-мидах, расположенных автономно в цитоплазме или в интегриро-ванном с хромосомой состоянии.

Информация, заключенная в гене, считывается и использует-ся при синтезе специфичного ферментного белка. Наличие этогобелка создает химическую основу для проявления определенногопризнака у микроорганизма. В итоге все наследственные признакимикроорганизмов представляют собой конечные продукты биохи-мических процессов, что в равной мере применимо и к физиологи-ческим особенностям, и к морфологическим признакам.

Один ген может контролировать наследование одного призна-ка или определять несколько или многие признаки, затрагивающиеразличные части клетки микроорганизма. Несколько генов могуттакже совместно контролировать проявление какого-либо одногопризнака.

В бактериальной хромосоме все гены расположены в линей-ной последовательности. Гены определенных признаков лежат в со-ответствующих местах хромосомы, называемых локусами. Бактерииобычно гаплоидны, т. е. имеют только один набор генов.

Полный набор генов, которым обладает клетка микроорга-низма, составляет генотип данного микроорганизма. Проявлениенаследуемых морфологических признаков и физиологических про-цессов у индивидуумов называется фенотипом (от греч. phaino — яв-ляю). Сходные по генотипу микроорганизмы могут существенноразличаться по фенотипу, т. е. способу проявления наследственныхпризнаков. Фенотипические различия между микроорганизмами,одинаковыми по генотипу, называют модификациями (фенотипиче-скими адаптациями). Таким образом, взаимодействие генетических

85

задатков с внешней средой может быть причиной возникновенияразличных фенотипов, даже если генотипы идентичны. Однако по-тенциальный размах таких фенотипических различий контролирует-ся генотипом.

Модификации, как правило, существуют до тех пор, покадействует вызвавший их специфический фактор внешней среды,они не передаются потомкам и не наследуются ими. Так, обработкафенолом бактерий со жгутиками препятствует развитию жгутикову этих организмов. Однако у потомства обработанных фенолом без-жгутиковых бактерий, выращенного на среде без фенола, образуют-ся нормальные жгутики.

Установлено, что практически все морфологические и физио-логические признаки микроорганизмов прямо или косвенно контро-лируются генетической информацией, заключенной в ДНК.

Информация, которую несет ДНК, не представляет собойчто-то абсолютно стабильное и неизменное. Если бы информация,передаваемая от одного поколения к другому, никогда не менялась,то диапазон реакций близкородственных организмов на факторывнешней среды был бы также постоянным и любое внезапное их из-менение, оказавшееся вредным для микроорганизмов с застывшимгенотипом, могло бы привести к исчезновению вида. Информация,передающаяся от поколения к поколению, нестабильна, что оказы-вается полезным для выживания вида.

Как уже отмечалось, плазмиды — это внехромосомные кольце-видные молекулы ДНК различной молекулярной массы, обладаю-щие свойствами репликона — способностью к независимой реплика-ции. Плазмиды — не обязательный генетический материал бакте-рий, необходимый для проявления ее жизнедеятельности. Онивыявлены у 50% бактерий родов Enterobacter и Pseudomonas, у 10%бактерий рода Bacillus. В то же время плазмиды могут определятьвесьма сложные свойства бактерий, например способность к пере-даче генетического материала от донорских F+-клеток к реципиент-ным F--клеткам при конъюгации (F-плазмида); устойчивость к ан-тибиотикам, сульфаниламидным препаратам (Л-плазмиды); способ-ность к синтезу токсинов (Ent-плазмида); способность использоватьнафталин, камфору, октан и другие сложные соединения; образова-ние фимбрий, которыми энтеробактерии прикрепляются к кишеч-ному эпителию, и др.

Все известные плазмиды подразделяют на конъюгативные инеконъюгативные. Конъюгативные плазмиды переносят собствен-ную ДНК от клетки-донора в клетку-реципиент при конъюгации.Неконъюгативные плазмиды такой способностью не обладают. Мо-лекулярная масса конъюгативных плазмид составляет от 26 до 75 . 106

и неконъюгативных — не более 10.106а.е.м. Некоторые плазмиды,например F-плазмида, обладают способностью существовать в клет-

86

ках бактерий в двух состояниях: в физически независимом от хро-мосомы и в интегрированном с последней. Другие плазмиды такжемогут интегрировать в хромосому бактерий, но, как правило, тольков определенных условиях.

При делении бактериальной клетки плазмиды, как правило,равномерно распределяются между дочерними клетками. Наследо-вание плазмид в процессе жизненного цикла популяции бактерийобусловливается полуконсервативной репликацией плазмидной ДНК.Репликация плазмидной ДНК тесно связана с системами реплика-ции и деления клеток бактерий, поэтому плазмиду рассматриваюткак автономный репликон в структурном, но не в функциональномотношении.

Обычно родственные плазмиды не могут сосуществовать в од-ной бактериальной клетке. Это явление, получившее название несов-местимости, стало одним из главных признаков при классификацииплазмид. Как правило, в бактериальной клетке остается только однаплазмида из группы несовместимости. Неродственные плазмидысовместимы в клетке, так как системы, которые регулируют процессих репликации, не зависят друг от друга. Например, в клетках рядавидов из родов Pseudomonas и Staphylococcus выявлены плазмиды, от-носящиеся к десяти группам, а в клетках представителей семействEnterobacteriaceae — к 40 группам.

Каждая группа несовместимости имеет несколько десятковплазмид, каждая из которых несет один или несколько генов. Сле-довательно, чем больше плазмид разных групп несовместимости бу-дет находиться в клетке, тем больше дополнительной генетическойинформации будет иметь микроорганизм. Имеющаяся в плазмидахгенетическая информация, не являясь в обычных условиях сущест-вования жизненно важной, может оказаться весьма необходимойв экстремальных условиях. Поэтому плазмиды считают факторами,увеличивающими жизнеспособность бактерий в организме хозяинаи в окружающей среде.

В изменчивости микроорганизмов важную роль играют транс-позоны — подвижные генетические элементы, представляющие со-бой сегменты ДНК, способные к внутри- и межхромосомным пере-мещениям (транспозициям), а также к перемещениям от плазмидык плазмиде и от плазмиды к хромосоме. Транспозоны обладают рядомособых свойств. Они могут переносить фрагменты ДНК, заключен-ные между двумя транспозонами, и генерировать в ДНК полярныемутации, делеции и инверсии. Транспозоны способны также «вклю-чать» и «выключать» соседние с ними гены, поскольку в транспозо-нах есть промоторы и терминаторы транскрипции. Благодаря пере-численным свойствам транспозоны осуществляют регуляцию актив-ности генов и дифференцировки клеток.

87

По степени сложности строения выделяют три типа бактери-альных транспозонов: IS-элементы (insertion sequences), Tn-элемен-ты (собственно транспозоны), мю-подобные фаги. IS-элементы со-держат только гены, способствующие их транспозиции, поэтому непридают клеткам бактерий какой-либо легко распознаваемый фено-тип. Однако, как и другие транспозоны, IS-элементы могут интег-рировать внутри генов, выполняющих определенные функции.

Tn-элементы придают бактериям устойчивость к различнымантибиотикам и солям тяжелых металлов, содержат информациюо синтезе энтеротоксина, гемолизина, о сбраживании лактозы ив принципе могут нести любые другие гены. Мю-подобные фаги —наиболее сложный транспозон — имеют внеклеточную форму су-ществования. Известны и другие типы подвижных генетическихэлементов.

Биологическая роль транспозонов определяется прежде всегоих способностью индуцировать мутации и геномные перестройки.Однако наиболее ярким показателем значения в клетке собственнотранспозонов служит их способность переносить гены, определяю-щие устойчивость клеток к различного рода токсичным веществам.Правда, такой перенос осуществляется только внутри клетки, ноименно благодаря ему данные гены включаются в плазмиды и вмес-те с ними распространяются в популяциях клеток разных видов, из-меняя способность последних к выживанию в неблагоприятных ус-ловиях.

4.2. Механизмы, вызывающие изменениегенетической информации

Мутации. Изменения генотипа, называемые мутациями (от лат.mutare — изменять), происходят спонтанно, т. е. случайно. Такиемутации вызывают резкие изменения единичных генов. Как прави-ло, редкие ошибки репликации ДНК не сопровождаются массиро-ванными изменениями информации, вовлекающими большое числоразнообразных признаков.

Мутация происходит, если в ДНК химически изменяется иливыпадает нуклеотид, а также если в нее включается лишний нуклео-тид в гене, что обусловливает проявление измененной информации,а следовательно, измененного белка и соответственно измененногопризнака организма. Выделяют генные и хромосомные мутации,различающиеся по числу мутировавших генов и характеру измене-ний в первичной структуре ДНК. Генные мутации обычно затраги-вают только один ген, хромосомные распространяются на несколь-ко генов.

Генные мутации, при которых происходит химическоеизменение лишь одного нуклеотида, называют т о ч к о в ы м и . Точ-

88

ковые мутации разбивают на несколько классов, различающихся похарактеру изменений в ДНК, обусловленных мутагенным фактором.При мутациях, называемых транзициями, пурин в одной из цепейДНК замещается другим пурином, а пиримидин в комплементарнойцепи — другим пиримидином. Изменения, при которых происходитзамена пурина пиримидином, именуют трансверсиями. К точковыммутациям относится также вставка лишнего нуклеотида. Последниесоставляют группу так называемых мутаций со сдвигом рамки, прикоторых происходит нарушение нормальной последовательностинуклеотидов в ДНК.

Возникшие в результате точковой мутации мутанты в рядеслучаев по признакам «возвращаются» к исходной дикой формеблагодаря обратной мутации — реверсии. Поэтому штамм бактерийс восстановленным фенотипом дикого типа называют ревертантом.

Х р о м о с о м н ы е мутации связаны с крупными перестрой-ками в отдельных фрагментах ДНК. Они проявляются в результатевыпадения меньшего или большего числа нуклеотидов (делеция),или поворота участка ДНК на 180° {инверсия), или повторения како-го-либо фрагмента ДНК (дупликация).

Особой формой изменчивости, в основе которой лежат мута-ции, представляется д и с с о ц и а ц и я (расщепление признаков) бак-терий. Примером диссоциации может служить образование двух типовколоний при рассеве чистой культуры бактерий на твердой пита-тельной среде. Первый тип — R-колонии (от англ. rough — неров-ный), имеющие неровные края и шероховатую поверхность, и вто-рой тип — S-колонии (от англ. smooth — гладкий) круглой формыс гладкой поверхностью. В процессе диссоциации изменяется нетолько морфология колоний, но и физиолого-биохимические и дру-гие свойства бактерий.

Мутации, вызываемые искусственно при помощи химическихили физических агентов, которые поддаются контролю, называютсяи н д у ц и р о в а н н ы м и мутациями. Впервые индуцированные мута-ции дрожжей были получены при помощи рентгеновских лучейв 1925 г. Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым.

В тех случаях, когда фактор, вызвавший мутацию, неизвестен,ее считают с п о н т а н н о й . Вызывать мутации могут различные хи-мические вещества: алкилирующие соединения (этил- и метилме-тансульфонат, диметил- и диэтилсульфат), этиленимин, азотные исерные аналоги иприта, аналоги оснований, соединения мышьяка ихрома, уретан, креозот, деготь, органические перекиси, минераль-ные масла, половые гормоны, растительные ауксины, ростовые ве-щества бактерий и растений и другие, а также физические факторы:рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, у-лучи и т. д. Меха-низм действия мутагенов различен.

89

До последнего времени геном бактерий рассматривали в оп-ределенной степени как пассивную мишень, подвергаемую повреж-дающему действию мутагенных факторов. При исследованиях бак-терий выявлено, что их клетки обладают специальными системами,восстанавливающими повреждения ДНК. Восстановление, или ре-парацию, поврежденной ДНК осуществляют ферменты, которые на-ходятся под контролем специальных генов. Клетки бактерий могутрепарировать повреждения ДНК, вызванные как излучениями, таки химическими мутагенными веществами.

Единичный мутант у бактерий выявляют культивированиемпопуляций в обстановке, благоприятной его росту. В практическихусловиях отбор форм измененного типа выполняют пересевом куль-туры на агаровую среду, где возможен рост только мутантов. Можноподобрать и жидкую избирательную среду, на которой мутант ста-новится преобладающей частью популяции. В некоторых случаяхмутации встречаются в достаточно большом количестве и их можнообнаружить без отбора.

Рекомбинации. У организмов развились и другие Механизмы,способствующие возникновению в потомстве резко измененной на-следственности. Эти механизмы заключаются в следующей за этимнемедленной перетасовке — р е к о м б и н а ц и и генов, принадлежа-щих близкородственным, но генотипически различным организмам.При генетической рекомбинации в хромосому одной микробнойклетки, служащей реципиентом (от лат. recipientis — получающий),встраиваются фрагменты хромосомы микроорганизма, служащегодонором (от лат. dono — дарю).

Генетические рекомбинации у эукариот — это образованиеиндивидуумов с новым сочетанием признаков в результате половогопроцесса. Новая особь получает несколько генов от одного родителяи несколько — от другого, генетически отличающегося родителя.Благодаря процессу рекомбинации увеличивается число наследст-венных изменений, на которые может воздействовать отбор.

У прокариот генетическая рекомбинация относится к так на-зываемым парасексуальным процессам. Способность к рекомбина-ции генов может быть представлена в виде следующей примернойсхемы:

Донор а б в г д е ж з

Реципиент А Б В Г Д Е Ж ЗРекомбинант АБвгдЕЖЗ

У микроорганизмов известны три процесса, посредством ко-торых генетический материал от двух различных родителей можетрекомбинировать. Это трансформация, конъюгация и трансдукция.Однако ни при одном из этих процессов не происходит истинногослияния клеток или полного слияния нуклеоидов. Лишь часть гене-тического материала клетки-донора передается клетке-реципиенту.

90

В такой неполной зиготе, называемой мерозиготой, сформи-рованной в результате переноса генов, генетический материал реци-пиентной клетки называется эндогенным, а генетический фрагмент,переданный от донора, — экзогенным. Обычно экзогенная и эндо-генная части соединяются и обмениваются сегментами немедленнопосле переноса.

Трансформация. Это процесс переноса генов, при которомчасть ДНК клетки-донора, полученная либо экстрагированием, либопри естественном лизисе клеток, может проникать в родственную(одного и того же вида или близкородственных видов) бактериаль-ную клетку-реципиент. В результате в ДНК реципиента включаютсяфрагменты хромосомы ДНК донора, что обусловливает изменениепризнаков бактерии-реципиента.

Процесс трансформации можно подразделить на несколькостадий:

• п е р в а я — контакт ДНК с поверхностью клетки;• вторая — проникновение ДНК в клетку;• третья — соединение трансформирующей ДНК с соответ-

ствующим фрагментом хромосомы реципиента.Дальнейший процесс связан с рекомбинацией части экзоген-

ной молекулы трансформирующей ДНК с реципиентной эндоген-ной хромосомной ДНК. П о с л е д н я я стадия — репликация вклю-ченной в хромосому новой информации.

В лабораторных условиях искусственную трансформацию вы-полняют следующим образом. Извлекают ДНК определенного штам-ма бактерий, очищают и смешивают с клетками бактерий другогоштамма, отличающегося от первого одним или несколькими на-следственными свойствами. Культуру подопытного микроорганизмаоставляют расти. Среди потомства можно обнаружить небольшоеколичество клеток с некоторыми свойствами штамма, из которогобыла извлечена ДНК.

Очень редко встречаются случаи, когда единичная бактери-альная клетка приобретает в результате трансформации более чемодно новое свойство. Передача через ДНК большего числа призна-ков наблюдается лишь в том случае, если культура микроба-донорагенетически близка к клеткам микроба-реципиента. При помощитрансформирующейся ДНК могут передаваться такие признаки, каккапсулообразование, синтез необходимых клетке веществ, фермен-тативная активность, устойчивость к ядам, антибиотикам и другимлекарственным веществам.

Трансформация отмечена у многих видов бактерий, в част-ности у представителей родов Bacillus, Rhizobium, Streptococcus и др.С использованием трансформации получено много штаммов микро-организмов, представляющих большое практическое значение.

91

Конъюгация — процесс, при котором сблизившиеся роди-тельские клетки соединяются при помощи конъюгационных мос-тиков, через последние происходит обмен генетическим материа-лом. Конъюгацию исследовали у различных видов бактерий (Escheri-chia, Shigella, Salmonella, Pseudomonas), она хорошо изучена у Escherichiacoli.

Возможность клетки стать донором определяется специфиче-ским половым фактором F(от англ. fertility — плодовитость), которыйпри конъюгации переносится из одной бактериальной клетки в другую.Клетки, связанные конъюгацией, называют F+-клетками. Клетки бак-терий, не имеющие F-фактора, служат реципиентами генетическогоматериала и обозначаются F-. Половой фактор F относится к числуконъюгативных плазмид и представляет собой кольцевую молекулуДНК молекулярной массой 64 • 106 а.е.м.

F-плазмида обусловливает образование на поверхности клет-ки одной или двух так называемых половых фимбрий, получившихназвание F-пили, способствующих соединению клеток-доноров с клет-ками-реципиентами, а также обеспечивает независимую от хромо-сомы репликацию собственной ДНК и образование продуктов, ко-торые управляют переносом генетического материала как самойF-плазмиды, так и хромосомы клетки. F-плазмида располагается вцитоплазме автономно, вне бактериальной хромосомы. Бактерию сF-плазмидой называют плазмидосодержащим трансконъюгантом.F-плазмида обладает способностью включаться (интегрировать) в оп-ределенные места бактериальной хромосомы и становиться ее частью.В таком случае бактерия получает название хромосомальноготрансконъюганта. F-плазмида может быть утрачена вследствие еераспада под действием дезоксирибонуклеазы. В последнем случаебактерия обозначается как абортивный транс-конъюгант.

В результате интеграции F-плазмиды в состав бактериальнойхромосомы образуется так называемый Hfr-штамм (от: High frequen-cy of recombination — высокая частота рекомбинации). Когда проис-ходит скрещивание Hfr-штамма с F--бактериями, то, как правило,F-фактор не передается, а гены хромосомы бактерии передаютсяс довольно высокой частотой. В начале процесса конъюгации клет-ки-доноры F+ или Hfr соединяются с клетками-реципиентами (бла-годаря наличию у доноров F-nилей). Впоследствии между клеткамиобразуется конъюгационный мостик, и через него из клетки-донорав клетку-реципиент передается генетический материал — F-плазми-ды или хромосомы. Обычно при конъюгации передается только од-на цепь ДНК-донора, а вторая цепь (комплементарная) достраива-ется в клетке реципиента. Перенос, как правило, начинается с од-ного конца хромосомы и продолжается с последующим переносомдругих участков ее (рис. 30).

92

Р и с . 30. Конъюгация клеток Escherichia coli: продолговатая клетка — F+; круглая —F - . Электронная микрофотография

Переносу генетического материала можно препятствовать влюбое время, разделяя конъюгирующие пары при помощи сильноговстряхивания суспензии микроорганизмов, находящихся в жидкойсреде. В этом случае только некоторые свойства мужских клеток пе-реносятся в женскую клетку и проявляются в потомстве. Рано илипоздно перенос прекращается в большинстве конъюгирующих пар итогда, когда их искусственно не разделяют. Это происходит пото-му, что конъюгационный мостик непрочен и легко разрушается, невлияя на жизнеспособность клеток.

Таким образом, в результате конъюгации реципиентная F-клет-ка превращается в мерозиготу, содержащую вследствие самопроиз-вольного прерывания переноса генетического материала толькочасть хромосомы F+-донора в дополнение к собственной хромосо-ме. В результате кроссинговера (перекрест хромосом, при которомгены меняются местами) образуется новая комбинация генетиче-ского материала. В зависимости от места расположения подвергаю-щегося обмену генетического материала в потомстве могут возник-нуть рекомбинанты неодинакового типа.

Трансдукция у бактерий. Это перенос генетического материа-ла от одной бактериальной клетки к другой посредством бактерио-фага. Другими словами, фаг при этом играет как бы роль гаметы,перенося в клетку-реципиент фрагмент ДНК клетки-донора. Транс-дукция происходит при участии умеренных фагов.

93

Известны три главных типа трансдукции: общая (неспецифи-ческая), локализованная (специфическая) и абортивная. При не спе-ц и ф и ч е с к о й трансдукции различные фрагменты ДНК передают-ся от бактерий-доноров к бактериям-реципиентам с помощью уме-ренных трансдуцирующих фагов. При этом принесенный фагомфрагмент ДНК донора способен включаться в гомологическую об-ласть ДНК клетки-реципиента при рекомбинации.

Специфическая трансдукция характеризует способность фа-га переносить от бактерий-доноров к бактерии-реципиенту толькоопределенные гены. Это обусловлено тем, что образование трансду-цирующего фага происходит в результате соединения его ДНК со-строго определенными бактериальными генами, расположеннымина хромосоме клетки-донора. Считают, что каждая частица фага пе-реносит или только один бактериальный ген, или несколько близкорасположенных генов.

При абортивной трансдукции принесенный фагом фрагментхромосомы клетки-донора не включается в хромосому клетки-реци-пиента, а располагается в ее цитоплазме автономно и в таком видефункционирует. При делении клетки-реципиента трансдуцирован-ный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной издвух дочерних клеток, т. е. наследуется однолинейно, в связи с чемутрачивается в потомстве.

При трансдукции возможен перенос генов, контролирующихпитательные особенности бактерий, их устойчивость к лекарствен-ным веществам, ферментативную активность, наличие двигательно-го аппарата (жгутики) и другие свойства. Перенос признаков в про-цессе трансдукции обнаружен у представителей родов Bacillus,Pseudomonas, Salmonella, Escherichia и др.

4.3. Практическое использование достижений генетикимикроорганизмов и генной инженериив микробиологии

Получение наследственно измененных форм микроорганизмов рас-ширило возможности их использования в сельскохозяйственноми промышленном производстве, а также в медицине. Основной ме-тод получения новых форм микроорганизмов — индуцирование му-таций воздействием различными мутагенами на дикие, существую-щие в природе культуры. Таким методом удается создавать мутантов,которые выделяют в десятки и сотни раз большее количество ценныхпродуктов (антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот и т. д.)по сравнению с дикими формами микроорганизмов.

Процесс получения высокопродуктивных штаммов микроорга-низмов состоит из многих этапов. Сначала на культуру микроорга-

94

низма воздействуют различными мутагенными факторами с после-дующим отбором наиболее продуктивного штамма. Мутантный штамммогут подвергнуть дальнейшему воздействию мутагенов и последую-щему отбору еще более продуктивных форм. Часто из тысяч беспо-лезных мутантов отбирают только один высокопродуктивный штамм.В последние годы методом радиационного и химического мутагенезамикроорганизмов получено большое число промышленных штаммовмикроорганизмов — продуцентов нужных человеку веществ.

Особенно широкие перспективы переделки наследственнойприроды организмов сулит развитие генной, или генетической, ин-женерии — раздела молекулярной генетики, разрабатывающего ме-тоды создания новых генетических структур с заданной информаци-ей и способы их переноса в клетки прокариот и эукариот.

Полученные методом генной инженерии новые генетическиемолекулы представляют собой рекомбинантные ДНК, включающиедва компонента — вектор (переносчик) и клонируемую «чужерод-ную» ДНК. Поскольку переносчик должен обладать свойствамирепликона и обусловливать репликацию вновь созданной реком-бинантной ДНК, то вектором обычно служат такие репликоны, какплазмиды, умеренные фаги и вирусы животных. Все упомянутыепереносчики имеют циркулярно замкнутую структуру ДНК. Кло-нируемая ДНК — это фрагмент ДНК, несущий необходимый ген(или гены), контролирующий образование нужного вещества.

Существуют различные приемы получения рекомбинантныхмолекул ДНК. Наиболее простой из них начинается с обработкиизолированных молекул ДНК-вектора и ДНК, несущей необходи-мый ген, ферментами-рестриктазами (эндонуклеазы рестрикции),расщепляющими взятые молекулы ДНК в строго определенномместе с образованием однонитчатых, комплементарных друг другуконцов, так называемых «липких концов». Таков п е р в ы й этапполучения рекомбинантных ДНК, его иначе называют «разрезание»молекул ДНК при помощи эндонуклеаз рестрикции. Второйэтап заключается в обработке полученных линейных молекул ДНКферментом полинуклеотидлигазой, которая «сшивает» две разныемолекулы в одну рекомбинантную ДНК. На третьем этапе ре-комбинантные молекулы вводят в клетки тех или иных бактерийметодом трансформации. На завершающем, четвертом, этапевыполняют клонирование трансформированных клеток.

Методом генной инженерии уже получены рекомбинантныемолекулы ДНК, несущие информацию для образования таких важ-ных веществ, как интерферон, инсулин, гормон роста человека идругие, в клетках кишечной палочки. По-видимому, тем же мето-дом можно будет создать и такие бактерии, которые, потеряв своюболезнетворность, помогут выработать иммунитет против многихинфекционных болезней животных и человека. В промышленности

95

благодаря использованию генной инженерии появятся высокопро-дуктивные микроорганизмы, создающие белки, ферменты, витами-ны, антибиотики, ростовые вещества и другие нужные продукты.

Возможно, будут получены новые сорта растений и породыживотных, устойчивые к заболеваниям и в полной мере наделенныехозяйственно ценными свойствами. Метод генной инженерии по-может вывести формы растений, обладающие способностью к свя-зыванию молекулярного азота атмосферы. Такие растения, вероят-но, можно будет получить после введения в их геном генов отмикроорганизмов, фиксирующих азот из воздуха.

В связи с разработкой и совершенствованием методов геннойинженерии, показавших возможность передачи не только естествен-ных генов живых организмов, но и искусственно синтезированных,открываются блестящие перспективы для научно-технического про-гресса не только в медицине и промышленности, но и в сельскохо-зяйственном производстве.

Контрольные вопросы и задания

1. Что представляет собой функциональная единица наследственности? 2. Ка-кова роль генов-регуляторов? 3. Что такое плазмиды? 4. Каковы свойстватранспозонов и их роль в изменчивости микроорганизмов? 5. В каких фор-мах может выражаться генотипическая изменчивость? 6. Покажите на при-мерах значение генных и хромосомных мутаций в изменении генетическойинформации. 7. Какие существуют формы диссоциации? 8. Перечислитетипы генетической рекомбинации у прокариот. 9. Каково практическое зна-чение генной инженерии в микробиологии?

Микроорганизмыи окружающая среда

Условия внешней среды имеют в жизни микроорганизмов та-кое же большое значение, как и в жизни любого живого существа.Влажность, температура, кислотность среды, наличие кислорода идругие факторы влияют на рост микроорганизмов и распростране-ние их в природе.

5 . 1 . Влажность среды

Микроорганизмы способны жить и размножаться только в присутст-вии свободной воды, находящейся в среде главным образом в капель-но-жидком виде. Растворенные в такой воде питательные веществамогут поступать в микробную клетку.

96

Большое влияние на рост микроорганизмов оказывает кон-центрация растворенных в воде соединений. Если их мало, растворназывается гипотоническим. При оптимальной концентрации этихвеществ создаются условия для лучшего роста микроорганизма.Увеличение концентрации вещества приводит к задержке роста ор-ганизма в связи с повышением осмотического давления в окружаю-щей среде. Раствор с высоким осмотическим давлением называетсягипертоническим.

В растворах, имеющих более высокое осмотическое давление,чем внутри микробной клетки, последние жить не могут. Это объяс-няется тем, что вода выходит из клетки наружу, клетка обезвожива-ется и протопласт сжимается. Данное явление носит название плаз-молиза. В среде с очень низким осмотическим давлением вода будетпоступать внутрь клетки, оболочка которой может лопнуть, такоеявление называют плазмоптизом.

Осмотическое давление раствора выражают в единицах осмо-лярности. Осмолярным называют раствор, содержащий один осмольвещества в 1 л растворителя. Способность микроорганизмов разви-ваться в средах с достаточно широко варьирующей осмолярностьюназывают осмотолерантностью. Осмотолерантность организмов обус-ловлена тем, что внутриклеточная осмолярность их всегда выше,чем осмолярность внешней среды. Микроорганизмы, способные пе-реносить достаточно высокие концентрации растворенных веществ,но лучше растущие при более низком осмотическом давлении рас-твора, носят название осмотолерантных.

Осмотическое давление клетки у грамположительных бакте-рий достигает 3 • 106 Па, у грамотрицательных — 4 • 105 — 8 • 105 Па.Следовательно, в растворах с высоким осмотическим давлением —около 9 .106 — 9 • 107 Па (15—20%-ный NaCl) — создаются условия,в которых невозможен рост бактерий и ряда других организмов.

Высокое осмотическое давление среды не препятствует ростулишь некоторых микроорганизмов, называемых осмофильными, т. е.«любящими» высокое осмотическое давление. Так, многие плесенииз родов Aspergillus и Penicillium растут на едва увлажненных субстра-тах. Осмотическое давление в их клетках достигает 2 • 105 — 2,5 • 105 Па.Даже мед иногда разлагают дрожжи, которые растут при содержа-нии сахара 70—80%. Подобные осмофильные дрожжи развиваютсятолько при высокой концентрации сахара, но не выносят высокойконцентрации солей.

Существуют организмы, способные жить лишь при очень вы-соких концентрациях солей (NaCl). Это галофильные, т. е. «любя-щие» высокую концентрацию солей, организмы (от лат. halo —соль). Они представлены двумя основными типами: умеренны-ми г а л о ф и л а м и , которые развиваются при содержании соли 1—2%, хорошо растут в среде с 10% соли, но выносят даже 20%-ную ее

4 Микробиология97

концентрацию (большинство бактерий не переносят концентрацииNaCl выше 5%), и э к с т р е м а л ь н о г а л о ф и л ь н ы м и архебакте-риями родов Halobacterium и Halococcus, которые требуют содержа-ния 12—15% солей и способны хорошо расти в насыщенном 32%-номрастворе NaCl. Галофилы обнаружены среди различных групп мик-роорганизмов (прокариот и эукариот).

Действие высоких концентраций солей на микроорганизмыможет быть обусловлено как самим растворенным веществом, так иего влиянием на активность воды (aw). Любое вещество, которое со-держится в растворителе, притягивает молекулы растворителя и,следовательно, снижает их подвижность. Активность воды опреде-ляют по уравнению

где Р и Ро — соответственно давление пара раствора и растворителя(чистой воды); ОВ — относительная влажность воздуха в системе;п1 и п2 — соответственно число молей растворителя и растворенноговещества.

Величины aw, лимитирующие рост различных бактерий, ко-леблются в пределах 0,99—0,60. Большая часть микроорганизмов нерастут при активности воды ниже 0,95, а микроорганизмы, расту-щие при активности воды ниже 0,60, до настоящего времени не из-вестны. При низкой водной активности лучше всего развиваютсямицелиальные грибы и дрожжи. Большинство бактерий требуют до-статочно высоких значений aw (0,99—0,90).

Считают, что не всегда можно заранее сказать, будет ли рас-творенное вещество оказывать на бактерии специфическое воздей-ствие или влиять на доступность воды. Например, ряд бактерий идрожжей на средах с сахарами растут при значительно более низкихзначениях aw, чем на средах с солями. В то же время минимальноезначение aw, при котором могут развиваться некоторые штаммы бо-лезнетворных бактерий (стафилококк, сальмонеллы и др.), в раство-рах Сахаров и солей одинаково и равно 0,85. Для роста каждогомикроорганизма имеется свое оптимальное значение aw.

Если водная активность станет ниже оптимума aw в присутст-вии того или иного растворенного вещества, то микроорганизм вы-нужден будет тратить часть доступной энергии на осморегуляцию,обеспечение энергией транспортных систем и синтез низкомоле-кулярных осмопротекторов (пролина, бетаина, глутаминовой кисло-ты и др.). При пониженной водной активности организм находит-ся в условиях осмотического стресса, что приводит к уменьшениюскорости роста и снижению общего количества образуемой биомас-сы. Неспособность микроорганизмов расти на средах с высокимиконцентрациями солей (NaCl) или Сахаров успешно используют в

98

пищевой промышленности для консервирования различных про-дуктов.

Водная активность раствора меняется двумя путями — мат-ричным и осмотическим. Осмотическое изменение водной актив-ности происходит в результате взаимодействия молекул воды с рас-творенными веществами, матричное определяется адсорбцией моле-кул воды на поверхностях твердых субстратов.

Установлено, что микроорганизмы проявляют более высокуючувствительность к матричному водному стрессу, чем к осмотиче-скому. В том случае, если бактериальная клетка подвергается осмо-тическому стрессу, она может использовать какое-то количестворастворенных веществ из среды и повысить концентрацию внутриклетки. При матричном стрессе, который наблюдается в среде с низ-кой концентрацией растворенных веществ, микроорганизмы не спо-собны поглощать осмотически активные вещества. Такие микробывынуждены либо сами вновь синтезировать растворимые вещества,либо осуществлять деградацию внутриклеточных макромолекул.

Большое внимание уделяют изучению значения воды длямикроорганизмов в засушливых условиях и роли воды в жизнеде-ятельности микроорганизмов в природе.

Обстоятельные исследования влияния недостатка воды (вод-ного стресса) или высушивания на живые организмы выполнены нагрибах, бактериях, водорослях и др. Установлено, что большинствомикроорганизмов переносят высушивание хорошо. Наиболее устой-чивые к обезвоживанию компоненты почвенного микробоценоза —грибы. Способность грибов переносить водный стресс и функци-онировать при низком водном потенциале1 важна для поддержаниянепрерывности круговорота питательных веществ в природе.

Существует предположение о том, что при недостатке водыбактерии используют метаболическую воду, образующуюся в клеткев результате окисления органического вещества кислородом возду-ха. Так, из 1 кг глюкозы организм может получить 600 г воды поуравнению

Устойчивость к обезвоживанию у разных бактерий неодина-кова. Например, численность жизнеспособных клеток Pseudomonas,внесенных в воздушно-сухую почву после выдерживания в течениемесяца, снижается в 100 раз. В то же время Azotobacter остается жиз-неспособным в почве даже через десятки лет ее хранения в воздуш-

1 Водный потенциал — количество термодинамической работы, кото-рая должна быть затрачена организмом для извлечения воды. Потенциал во-ды обычно выражают в барах (1 бар = 106 дин • см -2). Потенциал чистой во-ды равен 0. Все растворы по отношению к чистой воде имеют отрицатель-ные потенциалы, выражаемые в отрицательных барах.

99

мальная — выше которой роста не происходит. Данные три темпе-ратурные точки называют кардинальными, и они весьма характерныдля определенных видов и даже штаммов бактерий.

Микроорганизмы становятся недеятельными, если температу-ра окружающей среды опускается несколько ниже О °С, большинст-во их не может жить при температуре выше 40 °С, в то же время от-дельные виды размножаются при 70—75 и даже 105 °С.

По отношению к температуре микроорганизмы можно под-разделить на три группы: психрофилы и психротрофы (от греч. psy-chria — холод, phileo — люблю, trophe — питание), достаточно быст-ро развивающиеся при 0 °С, мезофилы (от греч. mesos — средний,промежуточный), растущие в пределах умеренных температур, и тер-мофилы (от греч. therme — тепло), развивающиеся при температуревыше 45—50 °С. Для перечисленных групп характерны разные кар-динальные температуры.

К облигатным, или истинным, психрофилам относят микроор-ганизмы, оптимальная температура развития которых составляет 15 °Сили ниже, а максимальная не превышает 20 °С. Эти микробы рас-пространены только в местах с постоянно низкой температурой.Они формируют естественный микробоценоз регионов вечного хо-лода. В подобных условиях жизнь мезофилов исключена.

Психрофильные бактерии распространены в арктическихрайонах земного шара, где их обнаруживают в пробах из почв, веч-ных снегов высокогорных районов, горных ледников, морен, нано-сов холодных пещер, в воде колодцев и родников. В 1 г почвы Ан-тарктиды содержатся сотни и даже тысячи клеток микроорганизмов.Естественной средой обитания психрофильных бактерий служатокеаны (средняя температура у поверхности воды 5 °С, около дна1—2 °С), где микроорганизмы могут обитать независимо друг отдруга либо входить в состав микробного ценоза морских животныхи растений. Среди психрофилов есть формы, вызывающие заболева-ния рыб и морских растений.

Психротрофные, или психроактивные организмы развиваютсяпри 0 °С, однако их температурный оптимум выше, чем у психро-филов, и составляет 25—30 °С, максимум около 35 °С. Микроорга-низмы данной подгруппы иногда называют факультативными псих-рофилами; их довольно часто обнаруживают в почве и воде не толь-ко в условиях холодного, но и умеренного климата. Психротрофымогут развиваться в пищевых продуктах, которые хранятся при низ-ких температурах. Например, в молоке обитают психротрофы, от-носящиеся к родам Pseudomonas, Alcaligenes, Chromobacterium, Fla-vobacterium. В мясе при температуре хранения ниже 0 °С размножа-ются психроактивные псевдомонады, грамположительные бактериии даже патогенные или токсигенные виды, в том числе Clostridiumbotulinum типа Е.

102

Согласно современным представлениям, психрофилы способ-ны развиваться при низкой температуре благодаря следующим осо-бенностям:

• клетки психрофилов содержат ферменты, имеющие низкуютемпературу активации и в связи с этим способные наибо-лее эффективно функционировать при низкой температуре;при температуре выше 30 °С данные ферменты прекращаютсвою деятельность;

• несмотря на низкую температуру, проницаемость мембранпсихрофилов остается высокой в связи с большим количе-ством ненасыщенных жирных кислот, содержащихся в ли-пидах, в результате мембраны не замерзают;

• свойство образовывать полисомы психрофилы не утрачива-ют при низкой температуре.

Температурный оптимум для мезофилов составляет 30—45 °С,минимум — 10—15 °С. В указанную группу входит большинствомикроорганизмов, в том числе болезнетворные. Для бактерий, пато-генных для человека и теплокровных животных, температурный оп-тимум около 37 °С.

Термофилы — теплолюбивые микроорганизмы, развиваютсяв зоне высоких температур (выше 45—50 °С). Термофильные мик-роорганизмы подразделяют на облигатные, факультативные, термо-толерантные, а также экстремально термофильные и гипертермо-фильные. О б л и г а т н ы е термофилы имеют температурный опти-мум 65—70 °С, минимальная температура, при которой возможен ихрост, — 40—42 °С; ф а к у л ь т а т и в н ы е термофилы имеют темпера-турный максимум 50—60 °С, минимум — менее 20 °С; термото-л е р а н т н ы е — температурный максимум 45—50 °С, наконец,экстремально т е р м о ф и л ь н ы е могут существовать при темпе-ратурах от 60 до 93 °С и выше. Среди г и п е р т е р м о ф и л о в следу-ет отметить ряд архебактерий. Так, архебактерии Pyrodictium occultumи P. brockii развиваются при температуре 105 °С, но выдерживают и110°С.

Возможность существования термофилов при высокой темпе-ратуре обусловлена следующими особенностями:

• составом липидных компонентов клеточных мембран, а имен-но высоким содержанием длинноцепочечных С 1 7—С 1 9 на-сыщенных жирных кислот с разветвленными цепями;

• высокой термостабильностью белков и ферментов (послед-ние имеют низкую молекулярную массу и содержат значи-тельное количество ионов кальция);

• термостабильностью клеточных ультраструктур.Термофильные бактерии широко распространены в природе.

Постоянное место обитания термофильных бактерий — термальные(горячие) источники. В таких источниках могут развиваться термо-

103

фильные эубактерии и архебактерии, аэробные и анаэробные, фото-трофные, хемолитоавтотрофные и гетеротрофные микроорганизмы.В термальных источниках с температурой 45—50 °С наблюдаетсяразвитие разнообразных цианобактерий.

Термофилы принимают непосредственное участие в саморазог-ревании навоза, компостов, сена, зерна и т. д. В последние годы дан-ную группу организмов широко используют в биотехнологическойпромышленности для получения витаминов, ферментов, молочнойкислоты, кормового белка и других ценных для сельского хозяйства имедицины веществ. Термофильные формы имеются не только средибактерий, но и среди водорослей, грибов и простейших.

Микроорганизмы по-разному относятся к предельным (низкими высоким) температурам. Если температуру жидкого азота (—190 °С)или жидкого водорода (—252 °С) микробные клетки переносят, со-храняя после размораживания способность к росту, то под влияни-ем высоких температур они довольно быстро погибают. Высокиетемпературы (60 °С и выше) вызывают разрушение цитоплазмати-ческой и других мембранных структур, повреждение нуклеиновыхкислот, коагуляцию белков и инактивацию ферментов у психро-фильных и мезофильных микроорганизмов. Обычно при 60— 70 °Спогибают вегетативные клетки указанных организмов. Споры бакте-рий способны выдерживать температуру кипения воды в течениенескольких часов.

Нагревание до температуры выше 100—120 °С используют вмикробиологии для полного уничтожения вегетативных форм мик-роорганизмов и их спор. Это наиболее удобный и надежный методстерилизации (от лат. sterilis — бесплодный). Существует несколькоспособов стерилизации с использованием высокой температуры.Чаще всего применяют стерилизацию сухим жаром (для сухих объ-ектов) при температуре 160 °С в течение 2 ч и стерилизацию паромв автоклаве (для влажных объектов) при 120 °С в течение 15—20 мин.

5.3. Кислотность среды

Кислотность среды, в которой обитают микроорганизмы, оказываетна них большое влияние. Это один из наиболее важных факторов,определяющих рост и размножение микроорганизмов, так как ондействует на организм непосредственно или косвенно через ионноесостояние и доступность многих ионов и метаболитов, стабильностьмакромолекул. Значения реакции среды определяют состояние ве-ществ в окружающей среде.

Для большинства микроорганизмов оптимальны значения ре-акции среды около рН 7. Очень кислая или очень щелочная реак-ции обычно токсичны для бактерий. Предельные ее значения, выше

104

и ниже которых известные в настоящее время микроорганизмы пре-кращают рост и размножение, приблизительно равны рН 1 и рН 11.При рН 1 могут существовать лишь немногие бактерии и грибы,при рН 11 — отдельные виды водорослей, грибов и бактерий.

По отношению к кислотности среды микроорганизмы разде-ляют на ряд групп. Для роста большей части прокариот оптимальнасреда, близкая к нейтральной. Данные организмы носят названиенейтрофилов. Большинство нейтрофилов развиваются в диапазонезначений рН 4—9. К нейтрофилам относят, например, Bacillus subti-lis, Streptococcus faecalis, Escherichia coli и др. Среди нейтрофиловмного представителей, обладающих кислото- и щелочеустойчиво-стью, т. е. толерантностью. Кислототолерантными являются молоч-нокислые, уксуснокислые, маслянокислые и другие микроорганиз-мы, а щелочетолерантными, устойчивыми к рН 9—10, — энтеробак-терии и др.

Существуют бактерии, для которых предпочтительна щелоч-ная реакция среды (рН 10 и выше). Такие организмы называют ал-калофильными. Известны также виды бактерий, способные разви-ваться в очень кислой среде (рН 3 и менее); это ацидофильные мик-роорганизмы. Среди бактерий данных групп есть облигатныеформы, неспособные развиваться в нейтральной среде, и факульта-тивные, проявляющие такую способность.

Известны микроорганизмы, которые растут при экстремаль-ных значениях реакции среды. Например, представитель облигат-ных экстремальных ацидофилов Thiobacillus thiooxidans может разви-ваться при рН 0,5—6,0 (оптимум 2,0—3,5).

Грибы и дрожжи хорошо размножаются и при низком (рН 2—3)и довольно высоком его значении (рН 8—10). Многие грибыпредпочитают кислую среду и лучше растут при рН 5—6.

Значительная часть бактерий, несмотря на то что не растетпри кислотности ниже рН 4,5, могут выносить реакцию среды с рН 1или даже рН 0,1, не подвергаясь заметному угнетению. Это так на-зываемые ацидотолерантные, или кислотоустойчивые, микроорга-низмы. К ним принадлежат тионовые бактерии, окисляющие серо-водород и серу, некоторые другие микроорганизмы.

Среди бактерий обнаружено несколько видов, устойчивых к ще-лочной среде (рН 8,5 и выше). Сюда следует отнести Bacillus pasteurii —бактерию, расщепляющую мочевину и хорошо растущую при реак-ции среды, близкой к рН 11. В. alcalophilus, выделенная из сточнойводы, способна расти в диапазоне рН 9—11,5. Выделены и другиебациллы, очень устойчивые к щелочной среде. Цианобактерии мо-гут развиваться в природной среде с рН 7,5—10, некоторые из этихбактерий имеют оптимум рН 10.

В процессе жизнедеятельности некоторые микроорганизмымогут выделять кислые или щелочные продукты. Например, образо-

105

вание аммиака при разложении мочевины и белков ведет к подще-лачиванию среды.

Считают, что способность микроорганизмов к росту при низ-ких или высоких значениях реакции среды обеспечивает им опреде-ленные преимущества в конкурентной борьбе с большинством орга-низмов. Несмотря на то что развитие бактерий возможно в целомв диапазоне рН 1 — 11, кислотность среды их цитоплазмы варьируетв ограниченном диапазоне, вблизи рН 7. Нейтральная реакция ци-топлазмы оптимальна для большинства микроорганизмов, так какряд важных компонентов клеток разрушается в кислой (ДНК, АТФ)или щелочной среде (РНК, фосфолипиды).

Отрицательное влияние высокой кислотности среды на боль-шинство микроорганизмов используют при консервировании пище-вых продуктов, приготовлении маринадов, квашении капусты, си-лосовании и т. д.

5.4. Присутствие молекулярного кислорода в среде

Молекулярный кислород — важный экологический фактор. Его со-держание в атмосфере составляет 21%. По отношению к молекуляр-ному кислороду все микроорганизмы можно разбить на ряд групп.Микроорганизмы, нуждающиеся в кислороде для жизни, получилиназвание облигатных (строгих) аэробов. В эту группу входит большаячасть бактерий и грибов.

Среди аэробов есть микроорганизмы, которые потребляюткислород, но хорошо растут только при содержании его в значи-тельно меньшей концентрации, чем в воздухе. Подобные организмыназывают микроаэрофилами.

Чувствительность микроаэрофилов к молекулярному кисло-роду значительно различается у отдельных видов: представителирода Campylobacter хорошо растут при содержании 5—10% О2; нитча-тая серная бактерия рода Beggiatoa развивается при 0,6—6%, а неко-торые виды бактерий могут расти только при содержании кислорода,составляющем всего несколько сотых процента от атмосферного.Подобная чувствительность микроорганизмов к высоким концент-рациям молекулярного кислорода связана с инактивацией в данных,условиях ряда жизненно важных ферментных систем.

Присутствие молекулярного кислорода в среде может нега-тивно сказаться не только на микроаэрофилах, но и на облигатныхаэробах при содержании его в атмосфере выше 50%. В таких усло-виях рост многих бактерий угнетается. Большинство аэробных бак-терий имеют достаточно совершенные системы защиты от окисли-телей и могут расти в атмосфере чистого молекулярного кислородаи даже при повышенном давлении О2.

106

Широкое распространение микроаэрофильных бактерий мож-но объяснить тем, что в почвах, водоемах и других природных сре-дах содержание молекулярного кислорода существенно ниже, чем ватмосфере. К микроаэрофилам относятся молочнокислые бактерии(род Lactobacillus), нитчатые скользящие бактерии (род Beggiatoa),ряд видов рода Bacillus и др.

Некоторые микроорганизмы совсем не используют кислород.Их называют анаэробами. Они бывают двух типов: облигатныеанаэробы — для них кислород токсичен, а аэротолерантные анаэробы —не погибающие при контакте с кислородом.

Токсичность кислорода для облигатных анаэробов объясняет-ся тем, что эти организмы не имеют особых ферментов — суперок-сиддисмутазы и каталазы, обычно содержащихся в клетках аэробови аэротолерантных анаэробов и защищающих организм от токсич-ных продуктов кислородного обмена (Н2О2 и др.).

К облигатным анаэробам относятся представители родовMethanobacterium, Methanosarcina, Clostridium, Treponema и др.

Существуют факультативные анаэробы — микроорганизмы,способные переключаться с аэробного на анаэробный тип метабо-лизма, например некоторые кишечные бактерии, представители ро-да Serratia и др. В зависимости от условий среды факультативноанаэробные микроорганизмы могут иметь либо окислительный, ли-бо бродильный тип обмена. Так, многие дрожжи способны при до-ступе воздуха окислять сахар до СО2 и Н2О, а в анаэробных услови-ях они вызывают спиртовое брожение, при котором сахар превра-щается в этиловый спирт и диоксид углерода.

К факультативно анаэробным бактериям относятся предста-вители родов Bacillus, Vibrio, Escherichia, патогенные бактерии родовSalmonella, Shigella, Staphylococcus и др.

5.5. Другие факторы среды

Давление. Микроорганизмы относительно слабо чувствитель-ны к вариациям гидростатического давления. Обычное давление неоказывает существенного влияния на микробные клетки. Увеличе-ние давления до определенного предела не сказывается и на ростепочвенных микроорганизмов, однако на определенном уровне на-чинает тормозить их рост и размножение. Умеренное давление(1 • 107 — 5.107 Па) угнетает рост и размножение микроорганизмов.Очень высокое гидростатическое давление может полностью оста-новить их рост. При давлении выше 5.107 Па не растут большинст-во микроорганизмов. Существуют и виды, обитающие в грунтах иводах океанов, способные размножаться при высоком давлении.Среди выделенных из глубин океанов имеются баротолеранпные

107

микроорганизмы, размножающиеся при нормальном атмосферномдавлении, но хорошо переносящие и высокое давление.

Микроорганизмы, называемые барофильными, размножаютсялучше при гидростатическом давлении, значительно более высоком,чем обычное атмосферное. Снижение давления обусловливает замед-ленный рост этих организмов и нарушение процессов деления, чтоприводит к образованию нитевидных клеток. Облигатно барофиль-ные бактерии не способны размножаться при давлении 1,01 • 105 Па.

В связи с этим возникло направление в микробиологии — ба-робиология микроорганизмов, которая изучает роль гидростатическогодавления как экологического фактора, оказывающего влияние нараспространение и активность микроорганизмов в глубине морей иокеанов или под землей.

Химические вещества. Действие химических веществ на мик-роорганизмы зависит от природы вещества, его концентрации, осо-бенностей микроорганизма и факторов внешней среды (температу-ры, состава среды, времени воздействия и т. д.). По характеру дейст-вия химические соединения делят на несколько групп: антисептики,ионы тяжелых металлов, антибиотики.

Антисептики (от греч. anti — против, septicos — гнилостный) —органические и неорганические вещества, обладающие бактери-цидным действием. К ним относят спирты, альдегиды, эфиры, фе-нолы, галогены, перманганат калия, перекись водорода и многиедругие.

Действие органических антисептиков значительно усиливает-ся при совместном использовании с поверхностно-активными ве-ществами, увеличивающими смачивающую способность жидкости(жирные кислоты, мыла, детергенты). Механизмы действия бакте-рицидных веществ разнообразны. Это может быть повреждениеклеточной стенки, растворение липидов цитоплазматической мем-браны, денатурация белков, нарушение процессов клеточного деле-ния, усиление окислительных процессов, приводящих к гибеликлетки, и т. д.

Ионы тяжелых металлов (свинец, кадмий, ртуть, медь, сереброи т. д.) в небольших концентрациях оказывают стимулирующее дей-ствие на развитие микроорганизмов, так как служат для них микро-элементами, входящими в состав тех или иных ферментов. При по-вышении концентрации солей тяжелых металлов наблюдается ихбактерицидный эффект. Бактерицидное действие тяжелые металлымогут оказывать в концентрациях: Hg2+, Ag+ — 10 - 8—10 - 6 М; Cd2+,Со2+, Cu2+, Pb2+, Ni2+, Zn2+ — 10 - 6— l0 - 4 M. Механизмы токсичногодействия тяжелых металлов на бактериальную клетку заключаются вингибировании синтеза белка и РНК или нарушении координацииэтих жизненно важных процессов.

108

Характер действия многих антисептиков — бактерицидныйили бактериостатический — зависит от концентрации соединения всреде, т. е. его токсичность определяется дозой. Кроме того, средимикроорганизмов есть формы, устойчивые к действию общих кле-точных и метаболических ядовитых веществ (фенол, окись углерода,сероводород и др.), отдельные виды обладают способностью ис-пользовать эти соединения в качестве источников питания. Счита-ют, что устойчивость микроорганизмов к токсичным веществам вомногих случаях определяется плазмидами.

Растворы токсичных соединений применяют как дезинфици-рующие средства в медицине, пищевой промышленности. В сельскомхозяйстве их используют для химической дезинфекции (протравли-вания) семян и почвы. Такого рода дезинфекция обычно направле-на против определенного возбудителя заболевания и называетсяч а с т и ч н о й д е з и н ф е к ц и е й .

Антибиотики (от греч. anti — «противо...», bios — жизнь) — со-единения, синтезируемые, как правило, микроорганизмами и об-ладающие способностью в небольших концентрациях оказывать из-бирательное токсичное действие на другие микроорганизмы.Известно более 5000 различных антибиотиков. Антибиотики принад-лежат к разным группам соединений (углеродсодержащие, амино-глюкозиды, хиноны, пептиды, макролиды и др.). Механизмы ихпротивомикробного действия могут быть самыми разными (наруше-ние синтеза клеточной стенки, ингибирование синтеза белка, РНК,ДНК и т. д.). Антибиотики нашли широкое применение в медицинеи сельском хозяйстве. Однако в результате широкого внедренияэтих веществ в практику появились устойчивые к ним формымикроорганизмов.

В выработке устойчивости бактерий к антибиотикам и другимтоксичным веществам участвуют трансмиссивные плазмиды, не-сущие гены множественной лекарственной устойчивости — R-фак-торы (от англ. resistance — устойчивость). R-факторы обусловливаютустойчивость микроорганизмов к нескольким (девять и более) груп-пам веществ — антибиотикам, лекарственным веществам, солям тя-желых металлов и др. Гены, которые определяют устойчивость бак-терий, могут находиться в транспозонах, способных перемещаться вразные участки хромосомы и на плазмиды. Распространению мно-жественной лекарственной устойчивости бактерий способствуеткомбинация трансмиссивной плазмиды с транспозоном.

Влияние на микроорганизмы токсичных веществ в неболь-ших концентрациях, не вызывающих их гибели, рассматривают какодин из вариантов стрессовых (от англ. stress — напряжение) воздей-ствий. В таких условиях включаются специальные механизмы кле-точного метаболизма, которые обеспечивают выживание бактерий.

109

Излучения. Свет — фактор, необходимый для роста фотосин-тезирующих микроорганизмов, например цианобактерий, зеленыхи пурпурных бактерий, которые имеют пигменты, обеспечивающиевозможность поглощать энергию светового луча и превращать еев химическую. Для большинства других бактерий радиация, види-мая и невидимая, как правило, является бесполезной или дажевредной.

Энергия излучения переносится порциями, называемыми кван-тами. Количество энергии изменяется в зависимости от длины вол-ны: чем больше длина волны света, тем меньше дает он энергии.

Так, кванты инфракрасного света, имеющего длину волны бо-лее 1200 нм, содержат такое незначительное количество энергии,что не способны вызывать химических изменений в поглощающейих материи, и вся энергия превращается в тепло. Данное обсто-ятельство объясняет хорошо известный тепловой эффект инфра-красных ламп. Энергия радиации с длиной волны от 1200 (близкаяк инфракрасным лучам) до 200 нм (ультрафиолетовые лучи) доста-точна для того, чтобы произвести фотохимические изменения в по-глощающих молекулах или атомах. При длине волны 200 нм и ме-нее (рентгеновские лучи, а-частицы, космические лучи) энергияквантов столь высока, что молекулы ионизируются. Радиацию дан-ного рода относят к ионизирующей.

Клетки организмов содержат многие виды молекул, химиче-ская структура которых позволяет поглощать лучистую энергию. Та-кие молекулы могут подвергаться фотохимическим реакциям. Нук-леиновые кислоты и белки — важнейшие составные части живойклетки — обладают структурами, допускающими очень сильное по-глощение ультрафиолетового (УФ) света. Фотохимическиеизменения, возникающие в результате действия УФ, очень вредныдля микроорганизмов. Следовательно, ультрафиолетовый свет —сильный бактерицидный агент, поэтому ультрафиолетовые лампыиспользуют для стерилизации воздуха.

Различают ближнее УФ-излучение, среднее и дальнее. Ближ-нее УФ-излучение имеет длину волны 400—320 нм и даже при неочень высоких дозах оказывает на бактерии определенное негатив-ное воздействие — замедляет скорость роста, угнетает индукциюферментов и др. Относительно высокие дозы ближнего УФ-излуче-ния вызывают мутагенный и летальный эффекты. Гибель клеткивследствие ближнего УФ-излучения связана с повреждением ДНКи мембран.

Среднее УФ-излучение с длинами волн 320—290 нм и дальнеес длинами волн 290—200 нм оказывают на микроорганизмы до-вольно сходное действие. Эти виды излучения обладают высокимимутагенным и летальным эффектами, что объясняется интенсивнымпоглощением ДНК электромагнитного излучения в области 240—

110

300 нм (среднее и дальнее УФ-излучение) с максимумом поглоще-ния в области 254 нм. Главный механизм, обусловливающий леталь-ный и мутагенный эффекты, — образование пиримидиновых (ти-мин, цитозин) димеров в ДНК, препятствующих ее репликации.УФ-излучение приводит также к образованию сшивок ДНК с бел-ком, разрыву цепей, денатурации ДНК и другим повреждениям.

Однако УФ-излучение не всегда вызывает гибель клеток мик-роорганизмов, многие из них обладают механизмами репарации (уст-ранения повреждений). Так, повреждения, вызванные не очень вы-сокой дозой УФ-излучения, могут быть частично сняты при обра-ботке клеток бактерий видимым светом с длиной волны 400 нм.Такую обработку называют фотореактивацией, ее можно проводитьтолько в течение нескольких часов после действия УФ-излучения.Выявлено, что в таких реактивированных клетках действует фер-мент, при участии которого расщепляются димеры тимина. В клет-ках бактерий, устойчивых к УФ-излучению, синтезируются фермен-ты, которые устраняют повреждения ДНК и без реактивации светом.

Видимое излучение также оказывает некоторое отрица-тельное воздействие на микроорганизмы, особенно лишенные пиг-мента. Поэтому микроорганизмы, живущие на поверхности субстра-тов, подвергающихся воздействию солнечных лучей, содержат в клет-ках каротиноидные пигменты, защищающие клетку от повреждений,вызываемых УФ- и видимым излучением.

Многие бактерии, обнаруживаемые в воздухе, например мик-рококки, также содержат каротиноидные пигменты, поэтому и негибнут на солнечном свету.

И о н и з и р у ю щ а я р а д и а ц и я (рентгеновские лучи, а-час-тицы, у-излучение и др.) с длиной волны менее 10 нм в низких до-зах оказывает мутагенное действие на микроорганизмы, в высоких —летальное. Ионизирующие излучения в отличие от ультрафиолето-вого вызывают не только прямые, но и косвенные поврежденияДНК, что связано с образованием свободных радикалов и органи-ческих перекисей. Указанные повреждения проявляются главнымобразом в одноцепочечных или двухцепочечных разрывах молеку-лы ДНК.

Существуют и резистентные к ионизирующей радиации бак-терии. Радиорезистентность у них варьирует в довольно широкихпределах и зависит от систем репарации и регуляции. Весьма высо-ка радиоустойчивость некоторых кокков, изолированных из облу-ченных продуктов. Так, очень высокоустойчив к УФ- и у-излучениюкокк Deinococcus radiodurans, который способен репарировать двух-нитевые разрывы ДНК, гибельные для многих бактерий. Ионизи-рующую радиацию используют для стерилизации различных мате-риалов, консервирования пищевых продуктов и т. д. При этом свой-ства стерилизуемого материала не изменяются.

111

5.6. Взаимодействие факторов внешней среды

Мы рассмотрели раздельное влияние различных физических и хи-мических факторов внешней среды на микроорганизмы. Однаков действительности изолированное действие отдельного факторавесьма редкое явление. В природе, а нередко и в условиях искусст-венной культуры на микроорганизмы оказывает действие множест-во факторов среды одновременно. Подчас это резко меняет эффек-тивность рассматриваемого фактора. Так, реакция среды влияет налетальный эффект температуры: бактерии гораздо легче могут бытьуничтожены при нагревании в кислой среде, чем в нейтральной илищелочной. Летальный эффект рентгеновских лучей сильно повыша-ется в присутствии молекулярного кислорода. В то же время бакте-рии могут быть защищены от воздействия рентгеновских лучей, ес-ли облучение идет в среде, компоненты которой находятся в восста-новленном состоянии.

Таким образом, термины «оптимальная температура» или «оп-тимальная реакция среды» для данного вида бактерий имеют реаль-ное значение, если все другие факторы внешней среды известны.Сложность взаимодействия между отдельными ее факторами чрез-вычайно затрудняет определение оптимальных условий роста мик-роорганизмов. Тем не менее данный вопрос имеет не только теоре-тическое, но и практическое значение.

Взаимоотношения микроорганизмов. Микроорганизмы в при-родной обстановке живут в тесной взаимосвязи друг с другом и про-чим населением окружающей среды. Взаимоотношения между мик-роорганизмами могут приносить им как пользу, так и вред, а такжебыть антагонистическими. Существуют взаимоотношения, при ко-торых микроорганизмы, развиваясь в составе одного ценоза, не ока-зывают друг на друга ни положительного, ни отрицательного влия-ния. Такие отношения квалифицируют как н е й т р а л и з м (от лат.neutralis — не принадлежащий ни тому, ни другому).

Микроорганизмам, развивающимся в тех или иных природ-ных средах (почвы, водоемы и т. д.), приходится выдерживать борьбуза существование с видами, с которыми у них складываются конку-рентные отношения. К о н к у р е н ц и я (от лат. concurrere — сталки-ваться) — это взаимоотношения между видами, которые соревнуют-ся за питание на одних и тех же субстратах. Различают конкурен-цию пассивную, проявляющуюся в потреблении субстратов, равнонеобходимых обоим микроорганизмам, или активную, если продук-ты обмена веществ одного из конкурентов подавляют жизнедеятель-ность другого.

Большое значение в конкурентной борьбе организмов имеетих способность использовать большее или меньшее разнообразиесубстратов. Поэтому выделяют две стратегии приспособления: «ге-

112

нералисты», использующие для питания разнообразные вещества,и «специалисты», способные использовать только один или не-сколько определенных субстратов. «Генералисты» легче находят пи-тательный субстрат, однако «специалисты» растут быстрее и получа-ют преимущество при избытке имеющегося субстрата значительнобыстрее, чем «генералисты», его потребляя.

В ряде случаев наблюдаются а с с о ц и а т и в н ы е взаимоотно-шения между микроорганизмами. Последовательно изменяя компо-ненты среды, микроорганизмы создают благоприятные условия длясуществования других микроскопических существ. Например, аэро-бы, поглощая кислород, благоприятствуют развитию анаэробов.

Продукты жизнедеятельности одних видов микробов могутслужить источником энергии, питательных или ростовых веществдля других. Нитрифицирующие бактерии получают необходимуюим энергию при окислении аммиака, образующегося в результатежизнедеятельности аммонифицирующих бактерий. Для других мик-роорганизмов аммиак служит источником азота. Продукты обменавеществ бактерий, расщепляющих целлюлозу, используются фикса-торами азота и т. д.

Широко распространен и такой тип взаимоотношений мик-роорганизмов, как с и н т р о ф и я (от греч. syn — вместе, trophe —пища, питание). Указанные взаимоотношения наблюдаются в техслучаях, когда два или более вида бактерий способны осуществлятьсовместно процесс, который ни один из них не в состоянии выпол-нить в отдельности.

Существуют сообщества разноименных микроорганизмов илимикро- и макроорганизмов в условиях тесного и длительного про-странственного контакта, когда партнеры взаимно приспосаблива-ются к совместному существованию. Такие взаимоотношения междуорганизмами называют с и м б и о з о м (от греч. symbiosis — совмест-ная жизнь).

По характеру взаимоотношений между партнерами различаютнесколько типов симбиоза1: комменсализм, мутуализм и парази-тизм.

Комменсализм (от лат. сот — вместе и mensa — стол, трапеза) —тип симбиоза, когда один из партнеров симбиотической системы(комменсал) возлагает на другого партнера (хозяина) регуляциюсвоих взаимоотношений с окружающей средой, однако при этом невступает с ним в тесный контакт. Базой для подобного симбиозамогут быть общее пространство, пища, кров и т. п. Комменсалы —это микроорганизмы, которые живут на внешних покровах и во

1 Следует отметить, что термин «симбиоз» часто встречается и в бо-лее узком смысле, когда под ним подразумевают лишь взаимовыгодные, не-антагонистические формы сосуществования организмов.

113

внутренних органах высших животных и растений. Например, эпи-фиты, колонизующие надземные части растений (листья, стебли),живут как комменсалы.

Отдельные типы симбиоза существенно различаются и отно-сительной выгодой, которую получает каждый из партнеров сооб-щества. При мутуалистическом (от лат. mutuus — взаимный) симби-озе оба партнера извлекают пользу от взаимосуществования, приэтом ни один из них не может существовать без другого. Паразити-ческий (от греч. parasites — нахлебник) симбиоз полезен только одно-му из партнеров (паразиту), в то время как второй (хозяин) не полу-чает ничего, а часто даже приобретает различной степени поврежде-ния. Обычно паразит использует тело хозяина как среду обитаниялибо источник пищи.

Тип симбиоза может изменяться при смене условий окружаю-щей среды, и взаимоотношения, бывшие ранее взаимовыгодными,могут стать паразитическими, и наоборот.

По степени взаимозависимости партнеров выделяют факуль-тативный и облигатный симбиоз. При факультативном симбиозепартнеров можно культивировать друг без друга. Если симбионтовнельзя культивировать в изолированном виде, то симбиоз называютоблигатным.

Примерами мутуалистического симбиоза служат случаи раз-вития или полового размножения некоторых дрожжей и грибов лишьв присутствии других микроорганизмов. Взаимоотношения подоб-ного рода обусловливаются, по всей вероятности, образованием мик-робами-спутниками веществ типа ауксинов или других факторовроста, которые нужны другому микроорганизму для прохожденияопределенных фаз развития. Многие виды бактерий, нуждающихсяв витамине В12, получают его от других видов микроорганизмов,синтезирующих данное соединение. Широко известны и такие вза-имоотношения, как симбиоз гриба с растением при образованиимикориз, симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями,симбиоз целлюлозоразлагающих бактерий, обитающих в рубце круп-ного рогатого скота, с животным и др.

Паразитический симбиоз широко распространен в мире мик-роорганизмов. Известны микоплазмоподобные организмы, парази-тирующие на колониях водорослей, грибов, бактерий. На некото-рых формах одноклеточной водоросли Chlorella паразитирует мел-кий вибрион Vampirovibrio chlorellavorus. Этот облигатный паразитприкрепляется к оболочке водоросли и существует за счет посту-пающих из ее клетки веществ. Примером паразитического симбиозаможет служить и инфекционная болезнь, при которой хозяин по-степенно ослабевает и в конце концов может погибнуть.

В микробных сообществах наблюдается и тип взаимоотноше-ний, который рассматривается как хищничество, когда одна груп-

114

па микроорганизмов использует другую в качестве пищи. Примеромхищника служит Bdellovibrio bacteriovorus (в переводе — пиявковиб-рион, пожирающий бактерии). Паразит прикрепляется к клеточнойстенке бактерии-жертвы, проникает внутрь, начинает питаться, бы-стро увеличивается в размерах и размножается. Когда содержимоеклетки переварено, клеточная стенка пораженной бактерии разру-шается, молодые вибрионы выходят наружу и заражают новые бак-териальные клетки. Каждый вид рода Bdellovibrio поражает свой видбактерий. Преимущественно эти организмы питаются грамотрица-тельными бактериями, в частности псевдомонадами и энтеробакте-риями. Виды рода Bdellovibrio встречаются в почве и воде.

Отдельные миксобактерии способны лизировать клетки бак-терий и питаться их содержимым. Некоторые бактерии и грибы об-разуют специальные приспособления для захвата микроорганизмови мелких животных, например так называемые «ловчие сети». Запу-тавшиеся в них существа погибают и лизируются, после чего служатисточником пищи. Ряд видов грибов живет за счет грибов другихвидов. Мицелий грибов, в свою очередь, часто разрушается актино-мицетами.

Бактерии служат пищей для основной массы простейших,причем набор используемых для питания бактерий у различныхпростейших варьирует.

Антагонизм (от греч. antagonisma — спор, борьба) — типвзаимоотношений, когда один вид микроорганизма задерживает илиподавляет развитие другого. В тех случаях, когда оба микроорганиз-ма взаимно угнетают друг друга, тип взаимоотношений называ-ют аменсализмом (от лат. а — удаление, отказ и mensa — стол, ку-шанье).

Подавление конкурентов может быть обусловлено накоплени-ем продуктов обмена веществ бактериальной клетки, особенно та-ких, как кислоты или щелочи. Например, в процессе развития ук-суснокислых бактерий в среде накапливается значительное количе-ство уксусной кислоты, что исключает возможность роста многихдругих микроорганизмов. Клетки некоторых бактерий выделяют эк-зоферменты (протеазы, лизоцимы), стимулирующие разрушениеклеток других организмов. Определенным видам бактерий, актино-мицетов, грибов и других свойствен синтез весьма специфическихпродуктов обмена, угнетающих или полностью подавляющих ростдругих видов. Данные вещества называют антибиотиками.

Антибиотики — химические вещества, образующиеся в про-цессе жизнедеятельности микроорганизмов, способные подавлятьрост микробов и даже убивать их (см. также с. 109). В некоторыхслучаях антибиотики способствуют выживанию микроорганизмов вестественной среде обитания (почва, водоемы и др.). Например, онислужат защитой микроорганизма от других микроорганизмов. Из-

115

вестны антибиотики, вырабатываемые грибами (пенициллин), акти-номицетами (стрептомицин) и бактериями (грамицидин С). Антиби-отики, как известно, широко применяют в медицине и сельском хо-зяйстве.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое водная активность раствора и как она влияет на рост микроор-ганизмов? 2. Каковы особенности галофильных бактерий? 3. Поясните по-нятие «кардинальные температуры». 4. В чем сущность адаптации психро-фильных и термофильных бактерий? 5. Какими механизмами обусловленатоксичность молекулярного кислорода? 6. В чем заключается эффект дейст-вия ультрафиолетового излучения на микроорганизмы? 7. Какова устойчи-вость различных бактерий к повышенному давлению? 8. На каких механиз-мах основана конкуренция у бактерий? 9. Дайте определение понятиям:симбиоз, синтрофия, паразитизм, антагонизм.

Глава 6 Питание микроорганизмов

Микроорганизмы, как и все другие живые существа, нужда-ются в пище, которая поступает в их клетки из окружающей среды.Пищей обычно называют вещества, которые, попав в живой орга-низм, служат либо источником энергии для процессов жизнеде-ятельности, либо материалом для построения составных частейклетки.

6.1. Способы питания и поступления в клеткуразличных веществ

Потребность в питательных веществах микроорганизмы могут удов-летворять непосредственно усваивая их или предварительно преоб-разуя в доступную форму. Известны два способа питания живых су-ществ — голозойный и голофитный.

При голозойном способе питания живой организм захватываетили заглатывает плотные частицы пищи, которая затем переварива-ется в пищеварительном тракте. Указанный способ питания харак-терен для животных (от простейших до высших). При голофитномспособе питания живые существа, не имеющие специальных орга-нов для заглатывания и пищеварения, используют питательные ве-щества, всасывая их в виде относительно небольших молекул из вод-ного раствора. Данный способ питания свойствен растениям и мик-роорганизмам.

116

Полимерные органические соединения (полисахариды, белкии др.) микроорганизмы не могут поглощать и использовать непо-средственно в обмене веществ клетки. Такие вещества должны бытьвначале расщеплены на простые соединения, для которых клеточ-ная мембрана проницаема. Крупные молекулы расщепляются экзо-ферментами, экскретируемыми клетками микроорганизмов в среду.Такое внешнее, или внеклеточное, переваривание свойствен-но только микроорганизмам.

Поступление воды и растворенных в ней питательных ве-ществ из окружающей среды внутрь микробной клетки, а также вы-ход продуктов обмена происходят через клеточную стенку, капсулуи слизистые слои. Капсула и слизистые слои представляют собойдостаточно рыхлые образования и, возможно, не оказывают значи-тельного влияния на транспорт веществ, тогда как клеточная стенкаслужит существенным барьером для поступления питательных со-единений в клетку.

Активную роль в поступлении в клетку питательных веществиграет цитоплазматическая мембрана. Чтобы обеспечить нормаль-ную жизнедеятельность микроорганизма, последняя должна бытьпроницаемой для питательных веществ и кислорода, поступающих вклетку, а также для продуктов обмена, выходящих наружу. Поступ-ление воды и растворенных в ней веществ через цитоплазматиче-скую мембрану — активный процесс: живая микробная клетка ни-когда не находится в равновесии с веществами окружающей среды,проходящими через ее мембрану.

Транспорт питательных веществ. Выделяют несколько типовтранспортных систем, при помощи которых вещества из окружаю-щей среды проходят через цитоплазматическую мембрану: пассив-ную диффузию, облегченную диффузию, активный транспорт и пе-ренос групп (радикалов). Причем два из них (пассивная и облегчен-ная диффузия) обеспечивают только транспорт, но не накоплениевеществ в микробной клетке, в то время как активный транспортспособствует аккумуляции веществ внутри клетки.

При пассивной диффузии транспорт вещества происходит черезцитоплазматическую мембрану под действием разности концентра-ций (для неэлектролитов) или разности электрических потенциалов(для ионов) по обе стороны мембраны. Экспериментами показано,что, за исключением воды, только кислород и некоторые ионы про-ходят через цитоплазматическую мембрану в результате пассивнойдиффузии. Скорость такого переноса веществ весьма незначительна.Определенное значение пассивная диффузия приобретает при нару-шениях жизнедеятельности бактериальной клетки.

Транспорт большинства растворенных веществ осуществляет-ся через мембрану при действии специальных механизмов переноса.Для этого служат молекулы-переносчики, циркулирующие между

117

внешним и внутренним пограничными слоями цитоплазматическоймембраны. Считают, что данные переносчики связывают молекулырастворенных веществ на ее внешней стороне, транспортируют ихк внутренней, где освобождают, и молекулы питательного веществапоступают в цитоплазму без изменения. Такие связанные с цито-плазматической мембраной переносчики, представляющие собой суб-стратспецифичные связывающие белки, называют пермезами, илит р а н с л о к а з а м и .

Транспорт растворенных веществ, осуществляемый перенос-чиками, может быть в виде облегченной диффузии и активноготранспорта. Движущей силой облегченной диффузии служит разницав концентрации какого-либо вещества по обе стороны мембраны.Молекула вещества соединяется с молекулой-переносчиком у на-ружной поверхности мембраны, и образовавшийся комплекс диф-фундирует через мембрану к ее внутренней стороне. Там он диссо-циирует, и освобожденное вещество оказывается внутри клетки. За-тем переносчик диффундирует к наружной поверхности и можетприсоединить новую молекулу вещества.

Облегченная диффузия не требует расхода энергии, если на-ружная концентрация вещества выше внутренней, так как оно пере-мещается «вниз» по химическому градиенту. Скорость процесса за-висит от концентрации вещества в наружном растворе. Предполага-ют, что выход продуктов обмена веществ из микробной клеткитакже происходит по типу облегченной диффузии при участии пере-носчиков.

Активный транспорт связан с работой специфических транс-портных белков (пермеаз, транслоказ и др.), которые также находят-ся в цитоплазматической мембране. В этом случае растворенные ве-щества переносятся в клетки микроорганизмов «вверх» по химиче-скому градиенту (или против градиента концентрации). Считают,что большинство веществ проникает в клетку микроорганизма в ре-зультате активного транспорта. Источниками энергии для транс-портных процессов служат АТФ, протонный потенциал и фосфо-енолпируват. Существуют системы «первичного» и «вторичного» ак-тивного транспорта.

В системах «первичного» активного транспорта используетсяхимическая энергия. Необходимость использования энергии дляподдержания активного транспорта объясняется теми изменениями,которые претерпевает переносчик: когда он обращен к внешней по-верхности мембраны, то обладает высоким сродством к субстрату,а когда к внутренней — низким сродством к субстрату. Возмож-ность транспортировать вещества против градиентов концентрацийчасто используется клетками бактерий для получения этих веществиз окружающей среды, где их концентрация мала, что обычно для

118

природных условий. При отсутствии источников энергии накопле-ния веществ внутри не происходит.

Подсчитано, что перенос молекулы тиогалактозида через ци-топлазматическую мембрану кишечной палочки требует затраты одноймолекулы АТФ. Предполагая, что активный перенос других соеди-нений связан с подобным же расходом АТФ, можно понять, какоезначительное количество энергии на транспорт веществ в клеткупотребляет растущий и размножающийся микроорганизм. В отдель-ных случаях на активный транспорт может затрачиваться почти всяэнергия, вырабатываемая в микробной клетке.

В системах «вторичного» активного транспорта для переносапротив градиента концентрации через мембрану многих веществ, втом числе неорганических и органических ионов, Сахаров, исполь-зуется энергия протонного потенциала. В процессе дыхания в лока-лизованной в мембране дыхательной цепи осуществляется выводпротонов. В результате перемещения протонов через мембрану засчет энергии дыхания создается градиент электрохимического потен-циала (называемый также протонным потенциалом, или протондви-жущей силой) между наружной и внутренней сторонами мембраны.Протонный потенциал обусловливает фосфорилирование, т. е. син-тез АТФ, или используется непосредственно транспортными сис-темами. Протонный потенциал (Др) определяется мембранным по-тенциалом (Дy), имеющим отрицательное значение внутри клетки,и градиентом протонов (АрН), имеющим внутри клетки щелочнойпоказатель в соответствии с уравнением

Др = Ду — z. ДрН (мВ),

где z = 59 мВ при 25 °С.Для поддержания протонного потенциала микроорганизм не-

прерывно выкачивает за пределы своей клетки протоны и другиеионы (Na+). В этих целях используются специфичные транспортныебелки, имеющиеся в мембране. Каждому транспортному белку при-суща определенная функция. Способность белка катализировать од-новременный и однонаправленный транспорт одного протона и од-ной молекулы субстрата, например сахара (лактозы, глюкозы и др.),называют симпортом. Унипорт наблюдается, когда белок осуществляетперенос только одного субстрата (без протона), антипорт — когда оносуществляет перенос двух разных субстратов, обычно ионов, в про-тивоположных направлениях.

У многих микроорганизмов сахара (фруктоза, глюкоза и дру-гие родственные вещества) транспортируются в клетку при помощифосфотрансферазной системы переноса групп (радикалов). Данныйпроцесс отличается от активного транспорта тем, что субстрат попа-дает внутрь бактериальной клетки в химически модифицированнойформе — чаще всего в виде фосфатного эфира. Движущая сила рас-

119

сматриваемого процесса состоит в том, что внутри цитоплазматиче-ской мембраны сахар связывается в результате реакции с фосфори-лированным ферментом (фосфотрансферазная система, источникомэнергии в этой реакции служит фосфоенолпируват), образующийсяв итоге фосфорный эфир освобождается и поступает в цитоплазму.Химическая природа транспортируемого вещества при переносе неменяется.

Таким образом, удовлетворение пищевых потребностей мик-роорганизмов зависит не только от внутреннего комплекса фермен-тов, необходимого для утилизации определенных соединений, нои от действия специфических транспортных механизмов.

6.2. Пищевые потребности микроорганизмовОсновную часть микробной клетки составляет вода (80—90% общеймассы). В состав клеток микроорганизмов входят следующие эле-менты (% массы сухого вещества): углерод — 50; кислород — 20;азот — 14; водород — 8; фосфор — 3; сера — 1; калий — 1; натрий — 1;кальций — 0,5; магний — 0,5; хлор — 0,5; железо — 0,2; другие эле-менты — 0,3. В очень небольших количествах в состав клетки вхо-дят микроэлементы цинк, медь, кобальт, стронций, марганец и др.

Для биосинтеза основных макромолекул клетки, из которыхформируются клеточная стенка, мембраны, нуклеоид, цитоплазма идругие компоненты, микроорганизмы должны получать все эти эле-менты в составе источников питания.

Помимо питательных элементов, используемых для постро-ения структурных частей клетки, микроорганизмы нуждаются в по-стоянном источнике энергии, которая расходуется на биосинтез,транспорт веществ и другие жизненные процессы в клетке.

Углерод. Наибольшее значение для питания микроорганиз-мов имеет углерод, составляющий в сухом веществе клеток около50%. Потребности различных микроорганизмов в источниках угле-рода весьма разнообразны. Фотосинтезирующие организмы, ис-пользующие энергию солнечного света, и бактерии, получающиеэнергию при окислении неорганических веществ, потребляют наи-более окисленную форму углерода (СО2) как единственный илиглавный источник углерода. Превращение СО2 в органические со-единения клетки представляет собой восстановительный процесс,который идет со значительным потреблением энергии. Поэтомубольшую часть энергии, получаемой от солнечного света или отокисления восстановленных неорганических соединений, данныефизиологические группы микроорганизмов расходуют на восстанов-ление СО2 до уровня органического вещества.

Другие организмы получают углерод главным образом из ор-ганических веществ, а необходимую энергию — при окислении этих

120

соединений. Следовательно, органические вещества служат одно-временно и источником углерода, и источником энергии.

Питательная ценность органических источников углерода за-висит от строения их молекул. Для большинства микроорганизмовлучший источник углерода — органические соединения, содержащиечастично окисленные атомы углерода (группы —СНОН, —СН2ОН,—СОН). Отсюда можно сделать вывод о высокой питательной цен-ности веществ, содержащих спиртовые группы.

Значительно хуже ассимилируются вещества с большим коли-чеством полностью восстановленных атомов углерода (радикалы—СН 3 и =СН 2 ) . К числу соединений, содержащих метиловые и ме-тиленовые радикалы, относятся газообразные углеводороды, пара-фин, высшие жирные кислоты и т. д. Почти совсем не усваиваютсяорганические соединения, содержащие углерод только в форме кар-боксила (—СООН), например щавелевая кислота.

Считают, что питательная ценность органических соединенийсвязана с легкостью их перехода в углеводы или близкие к ним со-единения, которые затем превращаются в вещества с тремя атомамиуглерода (пируват). Усвояемость органических соединений зависитне только от их растворимости и степени окисленности атомов уг-лерода, но и от пространственной конфигурации молекул. Боль-шинство активных компонентов клетки микроорганизма — соеди-нения оптически деятельные, причем клетка обычно усваиваеттолько определенные оптические изомеры, например сахара, отно-сящиеся к D-ряду, аминокислоты — к L-ряду. Очень немногие мик-роорганизмы обладают ферментами, превращающими один оптиче-ский изомер в другой.

Поглощенные микробной клеткой органические веществавовлекаются в сопряженные окислительно-восстановительные про-цессы. Часть атомов углерода окисляется до соединений с группами—СО и —СООН, которые затем преобразуются в СО2, другая часть,восстановившись до групп —СН3, = С Н 2 и = С Н , входит в составаминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, высшихжирных кислот и т. п.

Микроорганизмы значительно различаются по способностиусваивать разные соединения углерода и синтезировать из них со-ставные части клетки. Некоторые виды удивительно всеядны. Одна-ко известно и множество различных специализированных микроор-ганизмов, которые нуждаются в определенных соединениях. Су-ществуют виды, использующие для питания нефть, газообразныеуглеводороды, парафины. Резина, гудрон, капрон и другие синтети-ческие материалы и даже пестициды после попадания в почву начи-нают разлагаться при участии микроорганизмов. Практически несуществует органических соединений, которые не усваивались бымикроорганизмами.

121

Специфичность набора органических соединений, свойствен-ная каждому виду микроорганизмов, используется для физиологиче-ской характеристики вида и для классификации микроорганизмов.

Ряд микроорганизмов, использующих углерод органическихсоединений, нуждаются и в диоксиде углерода как в питательномвеществе, однако в очень небольших количествах, так как он по-требляется лишь в некоторых биосинтетических реакциях. Посколь-ку СО2 нормально продуцируется большинством микроорганизмов,использующих органические вещества, их биосинтетические по-требности могут удовлетворяться в процессе метаболизма. Тем неменее полное удаление СО2 из среды, в которой культивируют мик-роорганизмы, часто задерживает или прекращает их рост. Некото-рым бактериям и грибам для роста необходима довольно высокаяконцентрация СО2 в атмосфере (5—10%).

Азот. Микроорганизмы нуждаются в источниках азотного пи-тания. Азот служит материалом для образования аминных (NH2) ииминных (NH) групп в молекулах аминокислот, пуринов и пирими-динов, нуклеиновых кислот и других веществ клетки. Самыйдоступный источник азота для многих микроорганизмов — ионыаммония (NH4

+) и аммиак (NH3), достаточно быстро проникающиев клетку и трансформирующиеся в амино- и иминогруппы.

Аммонийные соли органических кислот предпочтительнее дляпитания микроорганизмов, чем минеральные аммонийные соли, по-скольку последние являются физиологически кислыми, и при потреб-лении NH3 в среде накапливаются анионы неорганических кислот( SO4

2 - , HPO4

2 - , С1 - ), что влечет за собой сильное снижение рН среды.Соли азотной кислоты в отличие от минеральных аммоний-

ных солей не являются физиологически кислыми. После потребле-ния NO3

- микроорганизмами остаются ионы металлов (К+, Mg2+,Na+), что способствует подщелачиванию среды. Не все микроорга-низмы могут восстанавливать окисленные соединения азота и по-треблять нитраты или нитриты. В целом большинство микроорга-низмов способны использовать минеральные соединения азота.

Существуют виды, способные усваивать молекулярный азотвоздуха и строить из него необходимые компоненты клетки. Эти ви-ды имеют большое значение в обогащении пахотного слоя связан-ными соединениями азота. Известно большое число групп микроор-ганизмов (бактерий и цианобактерий), способных к азотфиксации.

Наряду с минеральными источниками многие микроорганиз-мы могут потреблять азот из органических соединений, которые од-новременно служат и источниками углерода. Использование орга-нических источников азота связано с отщеплением от них NH3 ипоглощением последнего клеткой. Некоторые микроорганизмы мо-гут ассимилировать аминокислоты, употребляя их как готовые«строительные блоки».

122

Усвояемость органических источников азота весьма различна.Белки, представляющие собой высокомолекулярные соединения, непроникают в клетку. Поэтому белками могут питаться только мик-роорганизмы, выделяющие в среду экзоферменты, расщепляющиемолекулы белков до пептидов и аминокислот. Указанными свойст-вами обладают многие микроорганизмы.

Обычно микроорганизмам, использующим только органиче-ские соединения азота, например аминокислоты, требуется опреде-ленный набор этих веществ. Высокая чувствительность подобныхорганизмов к присутствию в среде некоторых аминокислот позво-лила разработать микробиологический метод их качественного и ко-личественного определения.

Сера. Как и азот, сера — необходимый компонент клеточно-го материала всех организмов, в которых она встречается главнымобразом в восстановленной форме (сульфидная группа). Зеленыерастения ассимилируют соединения серы в окисленном состоянии ввиде сульфатов и восстанавливают их для включения в биосинтез.

Большинство микроорганизмов может использовать сульфатыкак питательное вещество, но существуют бактерии, нуждающиесядля биосинтеза в источниках восстановленной серы.

Источником серы для них могут служить неорганическиесульфиды, тиосульфаты и содержащие серу органические соедине-ния.

Другие элементы питания микроорганизмов. Наряду с углеро-дом, азотом и серой микроорганизмы используют отельные количе-ства калия и фосфора, небольшие — натрия, магния, кальция, железа.

Ф о с ф о р входит в состав ряда важных органических соеди-нений клетки (нуклеиновые кислоты, фосфолипиды, коферменты идр.). Ряд органических соединений фосфора (АТФ и АДФ) исполь-зуются в живых организмах как аккумуляторы энергии, высвобож-дающейся в ходе окислительных процессов. Без фосфора микроор-ганизмы не развиваются. В отличие от азота и серы фосфор встре-чается в составе органических веществ только в окисленномсостоянии (Н3РО4). Он никогда не вступает в прямое соединениес углеродом, только по типу эфирной связи через кислородный мос-тик (—О—). Фосфор поступает в клетки микроорганизмов в видемолекулы фосфорной кислоты, в неизменной форме участвует в раз-личных биохимических превращениях. Наилучший источник фос-фора — соли ортофосфорной кислоты.

Калий играет существенную роль в углеводном обмене мик-роорганизмов и синтезе клеточного вещества.

Магний входит в состав бактериохлорофилла у зеленых ипурпурных бактерий, хлорофилла у цианобактерий, а также слу-жит активатором ряда ферментов. Этот элемент находится в клетке

123

главным образом в ионном состоянии или в составе нестойкихорганических соединений. Источником калия и магния могут бытьих соли.

К а л ь ц и й также необходим для роста бактерий (например,Azotobacter, Clostridium pasteurianum и др.). Источником кальция слу-жат его водорастворимые соли.

К числу незаменимых питательных элементов, хотя и требую-щихся микроорганизмам в небольших количествах, относится же-лезо. Оно входит в составе особой органической группировки (ге-ма) в коферменты некоторых важных ферментов (например, цито-хромов), участвующих в дыхании микроорганизмов. Источникомжелеза могут быть сульфаты и другие его соли.

Микроорганизмам необходимы также микроэлементы, ко-торые потребляются в малых количествах, но без них невозможноосуществление важнейших жизненных функций. Они входят в со-став ферментов. Например, медь входит в состав порфиринов, уча-ствующих в переносе кислорода в процессах дыхания, молибден —в состав фермента нитрогеназы, осуществляющей фиксацию азотаиз атмосферы.

Кроме источников основных питательных веществ (органо-генные элементы, зольные и микроэлементы), многие микроорга-низмы нуждаются в специфических соединениях, которые регули-руют рост и называются ф а к т о р а м и роста. К ним относятвитамины и витаминоподобные вещества, пурины и пиримидины,аминокислоты и ряд других соединений. Не обнаруживающие по-требности в факторах роста микроорганизмы называются прототро-фами, нуждающиеся в том или ином ростовом веществе — ауксо-трофами.

6.3. Типы питания

В соответствии с принятой сейчас классификацией микроорганиз-мы по типу питания разделяют на ряд групп в зависимости от ис-точников энергии и углерода. Так, выделяют фототрофов, исполь-зующих энергию солнечного света, и хемотрофов, энергетическимматериалом для которых служат разнообразные органические и не-органические вещества.

В зависимости от того, в какой форме микроорганизмы полу-чают из окружающей среды углерод, их подразделяют на две груп-пы: автотрофные («сами себя питающие»), использующие в качест-ве единственного источника углерода диоксид углерода, и гетеро-трофные («питающиеся за счет других»), получающие углерод в составедовольно сложных восстановленных органических соединений.

Таким образом, по способу получения энергии и углеродамикроорганизмы можно подразделить на фотоавтотрофы, фотогете-

124

ротрофы, хемоавтотрофы и хемогетеротрофы. Внутри группы в за-висимости от природы окисляемого субстрата, называемого доно-ром электронов (Н-донором), в свою очередь, выделяют органотро-фов, окисляющих органические вещества, и литотрофов (от греч.lithos — камень), окисляющих неорганические вещества. Поэтому взависимости от используемого микроорганизмами источника энер-гии и донора электронов следует различать фотоорганотрофы, фото-литотрофы, хемоорганотрофы и хемолитотрофы. Таким образом,выделяют в о с е м ь возможных типов питания (табл. 1).

Каждый тип питания характерен для большего или меньшегочисла микроорганизмов. Ниже приведено описание наиболее рас-пространенных типов питания и дан краткий перечень микроорга-низмов, их осуществляющих.

Фотолитоавтотрофия. Это тип питания, характерный длямикроорганизмов, использующих энергию света для синтеза ве-ществ клетки из СО2 и окисляющих при фотосинтезе неорганиче-ские соединения (Н2О, H2S, S°). К данной группе относят циано-бактерии, пурпурные серные бактерии и зеленые серные бактерии.

Циан о б а к т е р и и, как и зеленые растения, восстанавливают СО2

до органического вещества, используя в качестве донора электронов воду:

1 Символом (СН2О) в приводимых уравнениях обозначено органиче-ское вещество, уровень восстановленности которого соответствует углево-дам.

125

Пурпурные с е р н ы е б а к т е р и и (сем. Chromatiaceae) содержатбактериохлорофиллы а и b, обусловливающие способность данных микро-организмов к фотосинтезу, и различные каротиноидные пигменты. Для вос-становления СО2 в органическое вещество бактерии данной группы ис-пользуют как донор электронов H2S. При этом в цитоплазме накапливают-ся гранулы серы, которая затем окисляется до серной кислоты:

СО2 + 2H2S hv > (СН2О) + Н2О + 2S

ЗСО2 + 2S + 5Н2О hv > 3(СН2О) + 2H2SO4

Многие пурпурные серные бактерии являются облигатными анаэро-бами.

З е л е н ы е с е р н ы е б а к т е р и и (сем. Chlorobiaceae) содержат зеле-ные бактериохлорофиллы с, d, в небольшом количестве — бактериохло-рофилл а, а также различные каротиноиды. Они являются строгими анаэро-бами, как пурпурные серные бактерии способны окислять в процессе фото-синтеза сероводород, сульфид, сульфит, тиосульфат, серу, в большинствеслучаев до SO4

2 -

Фотоорганогетеротрофия. Это тип питания, характерныйдля микроорганизмов, которые получают энергию в процессе фото-синтеза, а в качестве доноров электронов могут использовать прос-тые органические соединения, например органические кислоты,спирты. Такой тип питания характерен для пурпурных несерныхбактерий.

Пурпурные несерные бактерии (сем. Rhodospirillaceae) со-держат бактериохлорофиллы a и b, а также различные каротиноиды.

Большинство этих бактерий не способны окислять сероводород и серу.Хемолитоавтотрофия. Это тип питания, характерный для

микроорганизмов, получающих энергию при окислении неоргани-ческих соединений, таких, как Н2, NH4

+ , NO2

-, Fe2+, H2S, S°, SO3

2 - ,S2O3

2 - , CO и др. Углерод для построения всех компонентов клетокхемолитоавтотрофы получают из диоксида углерода. Такой тип пи-тания также называют хемосинтезом.

Явление хемосинтеза у микроорганизмов (железобактерий инитрифицирующих бактерий) было открыто в 1887—1890 гг. извест-ным русским микробиологом С. Н. Виноградским. Хемолитоавто-трофию осуществляют нитрифицирующие бактерии (окисляющиеаммиак или нитриты), серные бактерии (окисляющие сероводород,элементарную серу и некоторые другие неорганические соединениясеры), водородные бактерии (окисляющие водород до воды), желе-зобактерии (способные окислять соединения двухвалентного желе-за) и т. д.

Представление о количестве энергии, получаемой при процессах хе-молитоавтотрофии, вызываемых указанными бактериями, дают следующиереакции:

NH3 + 1 1/2 О2 > HNO2 + Н2О + 2,8 • 105 ДжHNO2 + 1/2 О2 > HNO3 + 0,7 • 105 Дж

126

H2S + 1/2 О2 > S + Н2О + 1,7.105 Дж

S + 1 1/2 О2 + Н2О > H 2SO 4 + 5,0.105 Дж

Н2 + 1/2 О2 > Н2О + 2,3 • 105 Дж

2FeCO3 + 1/2 О2 + ЗН2О > 2Fe(OH)3 + 2СО2 + 1,7. 105 Дж

Хемоорганогетеротрофия. Это тип питания, характерныйдля микроорганизмов, получающих необходимую энергию и углеродиз органических соединений. Среди данных микроорганизмовизвестны многие аэробные и анаэробные виды, обитающие в почвахи других субстратах.

Среди хемоорганогетеротрофов выделяют сапротрофов, живу-щих за счет разложения мертвых органических материалов, и пара-зитов, питающихся в тканях живых организмов. В последнем случаеимеются в виду паратрофия и паратрофы, т. е. облигатные внутри-клеточные паразиты, которые вне клетки хозяина развиваться немогут (риккетсии и др.).

Считают, что в живом мире наиболее широко распространеныдва типа питания — фотолитоавтотрофия и хемоорганогетеротро-фия. Первый тип питания характерен для высших растений, водо-рослей и ряда бактерий, второй — для животных, грибов и многихмикроорганизмов. Остальные типы питания встречаются лишь у от-дельных групп бактерий, живущих в особых, специфичных условияхсреды.

Установлена способность многих микроорганизмов перехо-дить с одного типа питания на другой. Например, водородокисляю-щие бактерии при наличии О2 на средах с углеводами или органиче-скими кислотами способны переключаться с хемолитоавтотрофиина хемоорганогетеротрофию. Поэтому их называют факультативны-ми хемолитоавтотрофами. Микроорганизмы, неспособные расти вотсутствие специфичных неорганических доноров электронов (на-пример, нитрифицирующие и некоторые другие бактерии), называ-ют облигатными хемолитоавтотрофами.

У микроорганизмов наблюдается так называемая миксотро-фия. Это тип питания, при котором микроорганизм — миксотроф —одновременно использует различные возможности питания, напри-мер сразу окисляя органические и минеральные соединения, илиисточником углерода для него одновременно могут служить диоксидуглерода и органическое вещество и т. д.

В природе широко распространены микроорганизмы, источ-никами энергии и углерода для которых служат одноуглеродные со-единения (метан, метанол, формиат, метиламин и др.). Данныемикроорганизмы называют С1 -использующими формами, или мети-лотрофами, а тип их питания — метилотрофией. В группе метило-трофных бактерий выделяют облигатные и факультативные виды.

127

Первые способны расти в результате использования только одноуг-леродных соединений, вторые — и на средах с другими веществами.Среди метилотрофов есть микроорганизмы разных систематическихгрупп.

Контрольные вопросы и задания1. Какие способы питания характерны для микроорганизмов? 2. Каковымеханизмы «первичного» и «вторичного» активного транспорта веществ вбактериальную клетку? 3. Какие источники углерода присущи автотрофами какие — гетеротрофам? 4. На какие группы делят микроорганизмы в зави-симости от источника используемой ими энергии? 5. Что такое хемосинтез?6. В чем заключается специфика миксотрофов и метилотрофов?

Глава 7 Метаболизм микроорганизмов

Питательное вещество, поступившее внутрь клетки микроор-ганизма, участвует во множестве разнообразных химических реак-ций. Все химические проявления жизнедеятельности микроорганиз-мов носят общее название метаболизма, или обмена веществ. Мета-болизм включает две группы жизненно важных процессов —катаболизм (энергетический обмен) и анаболизм (биосинтез).

7.1. Основные понятия

Катаболизм и анаболизм. Катаболизм — это комплекс про-цессов расщепления пищевых веществ — углеводов, жиров и бел-ков, которые происходят в основном за счет реакций окисления,в результате чего выделяется энергия. У микроорганизмов различа-ют основные формы катаболизма — брожение и дыхание (аэробноеили анаэробное). При брожении наблюдается неполный распад ор-ганических веществ с высвобождением незначительного количестваэнергии и накоплением богатых энергией конечных продуктов (эти-лового спирта, молочной, масляной и других кислот). При аэробномдыхании обычно осуществляется полное окисление органическихвеществ с выходом большого количества энергии и образованиембедных энергией конечных продуктов (СО2 и Н2О). Высвобождаю-щаяся при катаболизме органических веществ свободная энергияаккумулируется в форме энергии фосфатных связей аденозинтри-фосфата (АТФ).

Биосинтез, или анаболизм, объединяет процессы синтеза мак-ромолекул клетки (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и т. д.)

128

из более простых соединений, присутствующих в окружающей сре-де. Реакции биосинтеза связаны с потреблением свободной энергии,которая вырабатывается в процессах дыхания, брожения (а такжефотосинтеза) и сохраняется в форме АТФ. Катаболизм и биосинтезпротекают одновременно, многие реакции и промежуточные про-дукты для них общие.

Ферменты. Глубокое понимание процессов метаболизма мик-роорганизмов вряд ли возможно без предварительного знакомствас ролью и значением ферментов. Ферменты — биологические ката-лизаторы. Они катализуют тысячи химических реакций, из которыхслагается метаболизм организма. Известно уже около двух тысячферментов. По химической природе ферменты — глобулярные бел-ки молекулярной массой от 10 000 до нескольких миллионов. На-звание ферменту во многих случаях дают по веществу, на котороеон действует, с изменением окончания на «-аза». Например, целлю-лаза катализует гидролиз целлюлозы до целлобиозы, уреаза — гид-ролиз мочевины (urea) до аммиака и СО2 и т. п. Однако чаще фер-мент получает наименование, которое указывает на природу катали-зуемой им химической реакции.

Современная классификация ферментов также строится сучетом природы реакций, которыми они управляют. Согласно раз-работанной Комиссией по ферментам Международного биохимиче-ского союза классификации, выделяют шесть главных классов фер-ментов.

1. Оксидоредуктазы. Эти ферменты катализуют окисли-тельно-восстановительные реакции, играют большую роль в процес-сах биологического получения энергии. К ним относятся дегидроге-назы (НАД, НАДФ, ФАД), цитохромы (b, с, с, а, а3), ферменты,участвующие в переносе водорода, электронов и др.

2. Трансферазы. Катализуют перенос отдельных радикалов,частей молекул или целых атомных группировок от одних соедине-ний к другим. Например, ацетилтрансферазы переносят остаткиацетата —СН3СО, а также молекулы жирных кислот; фосфотранс-феразы, или киназы, обусловливают перенос остатков фосфорнойкислоты Н3РO3

2 -. Известны и другие трансферазы (аминотрансфера-зы, фосфорилазы и т. д.).

3. Гидролазы. Катализуют реакции расщепления и синтезабелков, жиров и полисахаридов с участием воды. К данному классуотносят протеолитические ферменты (или пептидгидролазы), дейст-вующие на белки или пептиды; гидролазы глюкозидов, осуществляю-щие каталитическое расщепление углеводов и глюкозидов B-фрук-тофуранозидаза, a -глюкозидаза, а- и B-амилаза, B-галактозидаза и др.);эстеразы, катализующие расщепление и синтез сложных эфиров(липазы, фосфатазы).

5 Микробиология 129

4. Лиазы. Включают ферменты, катализующие отщеплениеот субстратов определенных химических групп с образованиемдвойных связей или присоединение отдельных групп радикалов кдвойным связям. Так, пируватдекарбоксилаза катализует отщепле-ние СО2 от пирувата:

СН3СОСООН > СН3СОН + СО2

Пируват Ацетальдегид

К лиазам относится также фермент альдолаза, расщепляющийшестиуглеродную молекулу фруктозо-1,6-бисфосфата на два трехуг-леродных соединения.

5. Изомеразы. Участвуют в превращении органических со-единений в их изомеры. При изомеризации происходит внутримо-лекулярное перемещение атомов, атомных группировок, различныхрадикалов и т. п. Изомеризации подвергаются углеводы и их произ-водные, органические кислоты, аминокислоты и т. д. К данной груп-пе относятся триозофосфатизомераза, глюкозофосфатизомераза и др.

6. Л и газы. Катализируют синтез сложных органических со-единений из простых. Например, аспарагинсинтетаза управляет син-тезом амида аспарагина из аспарагиновой кислоты и аммиака с обя-зательным участием АТФ, дающей энергию для этой реакции:

Аспарагиновая кислота + NH3 + АТФ > Аспарагин + АДФ + Н3РО4

К группе лигаз относят карбоксилазы, катализующие присо-единение СО2 к различным органическим кислотам. Например,фермент пируваткарбоксилаза катализует синтез оксалоацетата изпирувата и СО2.

В соответствии со строением ферменты делят на два большихкласса: простые белки и сложные белки. К первому классу относятгидролитические ферменты, ко второму, более многочисленному, —ферменты, управляющие окислением и участвующие в реакциях пе-реноса различных химических групп. Ферменты второго класса кро-ме белковой части, называемой апоферментом, имеют небелковуюгруппу, определяющую активность фермента, — кофактор. В отдель-ности белковая и небелковая части лишены ферментативной актив-ности. Они приобретают свойства ферментов после соединения.Комплекс апофермента с кофактором называют голоферментом.

Кофакторами могут быть ионы металла (Fe, Сu, Со, Zn, Moи др.), сложные органические соединения (называемые кофермен-тами) либо те и другие вместе. Коферменты обычно играют рольпромежуточных переносчиков электронов, атомов, групп, которые врезультате ферментной реакции перемещаются с одного соединенияна другое. Кофермент, прочно связанный с ферментным белком,называют простетической группой фермента. Многие коферментыидентичны определенным витаминам группы В или представляютсобой их производные.

130

К коферментам относят, например, активные группы дегид-рогеназ — никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или никотин-амидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). В перечисленные кофер-менты входит никотиновая кислота (витамин группы В). Витаминыесть в составе и других коферментов: тиамин (витамин В,) в составетиаминпирофосфокиназы, участвующей в обмене пирувата; панто-геновая кислота — в составе кофермента А; рибофлавин (витаминВ2 ) представляет собой простетическую группу флавопротеиновыхферментов. Значение витаминов в питании живых организмов обус-ловлено как раз тем, что они входят в состав коферментов.

По современным представлениям, ферменты ускоряют хими-ческие реакции, понижая свободную энергию активации (количествоэнергии, необходимое для перевода при данной температуре всехмолекул одного моля вещества в активированное состояние).

Ферменты обладают следующими основными свойства-ми: увеличивают скорость реакции, но сами в данной реакции нерасходуются; их присутствие не влияет ни на природу, ни на свойстваконечного продукта (продуктов) реакции; очень незначительное ко-личество фермента вызывает превращение больших количеств суб-страта; активность ферментов определяется реакцией среды, темпе-ратурой, давлением и концентрацией как субстрата, так и самогофермента; для каждого фермента характерен свой оптимум темпера-туры и реакции среды.

Многие ферментативные реакции обратимы, хотя активностьфермента редко бывает одинаковой в обоих направлениях.

Обычно ферментативная реакция начинается со связыванияферментом определенного субстрата. Как правило, фермент взаимо-действует только с одним субстратом и катализует его трансфор-мацию в другой субстрат до установления равновесия. Следователь-но, каждый фермент характеризуется субстратной специфич-ностью (т. е. взаимодействует только с одним субстратом и про-дуктом его трансформации) и с п е ц и ф и ч н о с т ь ю действия(катализируют только одну из многочисленных реакций, которымможет подвергнуться данный субстрат).

В связи с высокой специфичностью ферментативных реакцийполагают, что участок молекулы фермента, называемый каталити-ческим центром, к которому присоединяется молекула субстрата, об-ладает специфичной пространственной конфигурацией, которая«впору» лишь «своей» молекуле субстрата и не соответствует ника-ким другим молекулам.

Несмотря на незначительные размеры, каждая клетка микро-организма может производить множество разнообразных ферментовс различными функциями. Обычно ферменты, участвующие в мета-болизме, содержатся в клетке организма и поэтому называются вну-триклеточными ферментами, или эндоферментами. Отдельные фер-

131

менты выделяются клетками микроорганизмов в окружающую средуи называются внеклеточными ферментами, или экзоферментами.Как правило, во внешнюю среду выделяются гидролитические фер-менты, разлагающие соединения большой молекулярной массы, ко-торые не могут проникнуть в клетку микроорганизма. Продукты жеразложения легко поглощаются клеткой и используются ею в каче-стве питательных веществ. В разнообразии ферментов, позволяю-щих микроорганизмам усваивать соединения различной химическойприроды, заключается огромная роль микрофлоры в круговоротевеществ в природе.

Получение энергии. Клетка любого организма запасает энергиюв форме соединений, обладающих так называемыми макроэргическимисвязями. При гидролитическом расщеплении макроэргических свя-зей энергия освобождается и может быть использована для биосин-тетических реакций. Аккумуляторами и переносчиками энергии слу-жит ряд соединений: аденозинтрифосфат (АТФ), аденозиндифосфат(АДФ), цитозинтрифосфат (ЦТФ), уридинтрифосфат (УТФ), гуано-зинтрифосфат (ГТФ), креатинфосфат, ацетилфосфат и другие со-единения. Важнейшим переносчиком энергии является АТФ.

Образование АТФ идет с расходом энергии, поэтому эта реак-ция происходит только сопряженно с энергетически полезными реак-циями. Так, АТФ образуется в результате фотосинтетического фосфо-рилирования, окислительного фосфорилирования (фосфорилированиев дыхательной цепи) и фосфорилирования на уровне субстрата, т. е.фотосинтеза, дыхания и брожения, которые будут рассмотрены ниже.

Энергетически богатые связи (макроэргические фосфатныесвязи) обозначают символом ~РО4. Отщепление концевого фосфатасопровождается выделением 3,4 • 104 — 5,0 • 104 Дж вместо 1,3 • 104 Дж,как при разрыве обычных химических связей.

Следовательно, образование соединений с макроэргическимисвязями составляет основной механизм, благодаря которому в клет-ках микроорганизмов запасается и сохраняется некоторое количест-во энергии, расходуемое по мере надобности для биосинтеза, а так-же для механического движения и осморегуляции. Следовательно,АТФ представляет собой универсальный переносчик химическойэнергии между реакциями, поставляющими энергию, и реакциями,потребляющими ее.

Окисление и восстановление органических соединений (био-логическое окисление) начали изучать в 1780 г., когда французскийученый А. Л. Лавуазье обнаружил, что животные поглощают кисло-род из воздуха и выделяют СО2. Процесс биологического окисленияназвали дыханием. Оно свойственно и высшим растениям. Под по-нятием «окисление» в то время подразумевали процесс соединениявещества с кислородом, а под понятием «восстановление» — про-цесс отщепления кислорода от вещества.

132

Сейчас окисление представляют как процесс отнятия от ве-щества двух атомов водорода, что равносильно удалению двухэлектронов и двух протонов. Поэтому процесс теперь носит назва-ние дегидрирования. В противоположность ему восстановление тогоили иного соединения представляет собой присоединение двух ато-мов водорода или двух электронов и двух протонов. Последний про-цесс называют гидрированием.

Окисление может быть представлено следующим образом:

АН2 > А + 2Н

В + 2Н > ВН2

Суммарная реакция показывает окисление АН2 при помощи В:

АН2 + В > ВН2 + АВ этой реакции АН2 — восстановитель, или д о н о р водород-

В — окислитель, или а к ц е п т о р водорода.Понятие окисления применимо и к реакциям, связанным

только с переносом электронов. Так, реакцию, при которой атомыили молекулы теряют электроны (е-), называют окислением, обрат-ный процесс — присоединение электронов — восстановлением. На-пример, превращение закисного железа в окисное происходит с поте-рей электрона и представляет собой реакцию окисления:

Fe2+ > Fe3+ + e -

Ни электроны, ни атомы водорода не могут накапливаться всреде как таковые. Они должны быть акцептированы каким-либодругим химическим соединением. Поэтому каждое окисление обя-зательно сопровождается восстановлением.

Переносчиками водорода в реакциях биологического окисле-ния и восстановления служат главным образом два пиридиновыхнуклеотида (коферменты анаэробных дегидрогеназ) — никотин-амидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотид-фосфат (НАДФ). Отнимая водород от окисляемого субстрата, этисоединения переходят в восстановленную форму (НАД • Н2 иНАДФ .Н2) и переносят водород на другой акцептор. НАД • Н2 пере-дает водород главным образом на промежуточные продукты броже-ния или в дыхательную цепь, НАДФ.Н2 чаще участвует в реакцияхбиосинтеза клетки.

7.2. Брожение

Брожение — окислительно-восстановительный процесс, приводя-щий к образованию АТФ, в котором окислителем и восстановите-лем служат органические соединения, образующиеся в ходе самого

брожения.

133

При брожении субстрат разлагается до конечных продуктов,причем суммарная степень окисления продуктов та же, что и сте-пень окисления сбраживаемых веществ. Необходимость точногоокислительно-восстановительного равновесия обусловливает огра-ничение соединений, которые могут подвергаться брожению: такиесоединения не должны быть ни слишком сильно восстановленны-ми, ни слишком сильно окисленными. Чаще всего при брожениимикроорганизмы используют углеводы, некоторые органическиекислоты, аминокислоты, пурины и пиримидины. Образование АТФво время брожения идет путем фосфорилирования на уровне суб-страта.

Брожение вызывают облигатные или факультативные анаэро-бы, и оно, как правило, может осуществляться только в строго ан-аэробных условиях. Как установил в 1860 г. Л. Пастер, брожение —это жизнь без кислорода. Согласно современным представлениям,живые организмы возникли в то время, когда кислорода в атмосфереЗемли не было. Поэтому брожение необходимо рассматривать какпростейшую форму биологического окисления, которое обеспечиваетполучение необходимой для жизни энергии в анаэробных условиях.

Известно много типов брожения. Каждый из них дает специ-фические конечные продукты и свойствен отдельной группе микро-организмов. Многие виды брожения играют важную роль в хозяйст-венной деятельности человека.

Брожение схематично можно представить в две стадии.Первая стадия — превращение глюкозы в пируват — включаетразрыв углеродной цепи глюкозы и отщепление двух пар атомов во-дорода. Данная стадия составляет окислительную часть брожения иможет быть изображена следующим образом:

На второй, восстановительной, стадии атомы водородаиспользуются для восстановления пирувата или образованных изнего соединений. Например, при молочнокислом брожении пируватвосстанавливается в лактат:

При других бродильных процессах (спиртовом, маслянокис-лом и т. т.) вторая стадия протекает иначе (см. ниже).

Образование пирувата из углеводов совершается как серияпоследовательных реакций. Это катаболические реакции, общие дляброжения и аэробного дыхания. У микроорганизмов известно трипути образования пирувата из углеводов. Первый путь сначалабыл обнаружен у дрожжей и в мышцах животных, затем у бактерий;

134

он присущ облигатным и факультативным анаэробам. Этот путьизвестен как «путь Эмбдена—Мейергофа—Парнаса», или «фруктозо-бисфосфатный путь»; его называют также гликолизом. Второйпуть известен как окислительный пентозофосфатный, или гексозо-монофосфатный, или «схема Варбурга—Диккенса—Хореккера»; осу-ществляется у многих микроорганизмов, как прокариот, так и эука-риот. Третий путь называют «путь Энтнера—Дудорова», или «КДФГ-путь» (2-кето-З-дезокси-б-фосфоглюконат-путь); найден только у от-дельных групп микроорганизмов, в основном у анаэробных бактерий.

Путь Эмбдена—Мейергофа—Парнаса, или гликолиз. Пред-ставляет собой ряд реакций, каждую из которых катализует специ-фический фермент. Гликолитические реакции в микробной клеткеначинаются с фосфорилирования глюкозы (в форме фосфатов саха-ра более реакционноспособны). При этом происходит взаимодейст-вие глюкозы с АТФ под влиянием фермента гексокиназы с образо-ванием глюкозо-6-фосфата (фосфатная группа присоединяется кшестому атому углерода) и АДФ. От АТФ переносится только кон-цевая фосфатная группа и остается аденозиндифосфат:

135

Глюкозо-6-фосфат под влиянием фермента глюкозофосфат-изомеразы превращается во фруктозо-6-фосфат:

На первый атом углерода, образовавшегося фруктозо-6-фос-фата, при помощи фермента фосфофруктокиназы переносится отАТФ вторая фосфатная группа (снова фосфорилирование). Образу-ется фруктозо-1,6-бисфосфат (фруктоза с фосфатными группамипри первом и шестом атомах углерода):

На следующем этапе происходит разрыв фруктозо-1,6-бис-фосфата при участии фермента фруктозобисфосфатальдолазы на дватрехуглеродных сахара: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиаце-тонфосфат, которые могут превращаться друг в друга под действиемфермента триозофосфатизомеразы:

В связи с тем что дигидроксиацетонфосфат подвергается пре-вращению в глицеральдегид-3-фосфат, в последующих реакцияхучаствуют две молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

В дальнейшем происходит окисление глицеральдегид-3-фос-фата, катализуемое ферментом глицеральдегидфосфатдегидрогена-зой. Данный фермент представляет собой белок с необычно высо-ким содержанием активных сульфгидрильных групп (SH) и связанс коферментом (НАД+). Вначале осуществляется связывание альде-гидной группы глицеральдегид-3-фосфата с SH-группой глицераль-дегидфосфатдегидрогеназы. При этом образуется группировка

, способная отдавать водород молекуле НАД:

136

Затем наблюдается дегидрирование глицеральдегид-3-фосфа-та, когда два атома водорода отщепляются от его молекулы и пере-носятся на связанный с ферментом НАД:

Дегидрирование глицеральдегид-3-фосфата — окислительнаяреакция, сопровождающаяся выделением энергии.

Далее происходит перенос глицеральдегид-3-фосфата вместес макроэргической связью на фосфорную кислоту, в результате чегообразуется 1,3-бисфосфоглицерат с макроэргической связью и сво-бодный HS-фермент:

Фосфатная группа при первом углеродном атоме в цепи при-соединена макроэргической связью и может под действием фосфо-глицераткиназы взаимодействовать с АДФ с образованием АТФ:

Следовательно, на данном этапе осуществляется фосфорили-рование на уровне субстрата. Затем 3-фосфоглицерат подвергаетсяперестройке под влиянием фосфоглицеромутазы и изомеризуется в2-фосфоглицерат:

137

При отщеплении молекулы воды (дегидратации) с участиемфермента енолазы из 2-фосфоглицерата образуется фосфоенолпиру-ват, обладающий макроэргической связью:

Фосфоенолпируват под влиянием пируваткиназы отдает фос-фатную группу и запас энергии молекуле АДФ с образованием АТФи енолпирувата:

Так при превращении глюкозы в пируват формируется втораямакроэргическая фосфатная связь. Енолпируват самопроизвольнопревращается в более устойчивую форму — пируват:

При гликолизе атомы водорода, освобождающиеся при сбра-живании углевода, не попадают непосредственно на конечный ак-цептор, а переносятся на НАД; всего образуются две молекулыНАД .Н2. Поскольку НАД присутствует в клетке в очень небольшихколичествах, брожение может продолжаться, если восстановленныйНАД.Н2 снова окисляется. Последнее происходит во второй стадииброжения, в которой восстановленный НАД. Н2 переносит атом во-дорода к конечному акцептору водорода.

При трансформации глюкозы в пировиноградную кислоту попути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса выделяется свободная энер-

138

гия, достаточная для образования четырех молекул АТФ: двух приокислении глицеральдегид-3-фосфата и еще двух при дегидратиро-вании 2-фосфоглицерата. Однако две из них требуются для превра-щения глюкозы в фруктозо-1,6-бисфосфат, и только две молекулыАТФ поставляют энергию для процессов синтеза.

Баланс гликолиза можно записать следующим образом:

Глюкоза > 2 Пируват + 2АТФ + 2НАД • Н2

Максимальное количество энергии, которое получает организмв результате гликолиза, составляет 2.105 Дж. Поскольку в расчете накаждую молекулу глюкозы при гликолизе образуются только две мо-лекулы АТФ, микроорганизмы в анаэробных условиях вынужденысбраживать очень большие количества сахара, чтобы обеспечить себянеобходимой энергией для биосинтетических процессов. Вся фер-ментная система гликолиза локализируется в цитоплазме клетки.

Пентозофосфатный путь отличается от пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса тем, что не приводит непосредственно к образованию пирувата.В ходе пентозофосфатного пути происходит окисление только одного из уг-леродных атомов субстрата, который освобождается в форме СО2. Перваяреакция представляет собой фосфорилирование глюкозы с образованиемглюкозо-6-фосфата с последующим дегидрированием, сопряженным с вос-становлением НАДФ и образованием 6-фосфоглюконолактона.

Затем 6-фосфоглюконолактон при участии фермента глюконолакто-назы гидролизуется до 6-фосфоглюконата. Данное соединение дегидрирует-ся дегидрогеназой до З-кето-6-фосфоглюконата, из которого путем декар-боксилирования образуется пентозофосфат и рибулозо-5-фосфат. Из по-следнего при изомеризации образуется ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат. В дальнейшем образовавшиеся рибозо-5-фосфат и ксилулозо-5-фосфат включаются в ряд транскетолазных реакций (перенос ферментомгранскетолазой глицеральдегидной группы СН2ОН—СО—) и трансальдо-лазных реакций (перенос ферментом трансальдолазой трехуглеродной ди-гидроксиацетоновой группы СН2ОН—СО—СНОН—) и снова превраща-ются в глюкозо-6-фосфат. Следовательно, пентозофосфатный путь цикли-чен. Считают, однако, что пентозофосфатный путь на одном из этаповобычно переходит в путь Эмбдена—Мейергофа—Парнаса.

При прохождении через пентозофосфатный цикл каждых шести мо-лекул глюкозы происходит полное окисление одной молекулы глюкозо-6-фосфата до СО2 и восстановление шести молекул НАДФ+ до НАДФ.Н2.

Основное назначение пентозофосфатного пути — поставлять пенто-зы (главным образом рибозо-5-фосфат), необходимые для синтеза нукле-иновых кислот, и обеспечивать образование большей части НАДФ.Н2, не-обходимого для синтеза жирных кислот, стероидов и т. д.

Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту может также про-ходить по пути Энтнера—Дудорова. При этом глюкоза фосфорилируетсямолекулой АТФ при участии фермента гексокиназы. Продукт фосфорили-рования — глюкозо-6-фосфат — дегидрируется до 6-фосфоглкжоната. Поддействием фермента фосфоглюконатдегидрогеназы от него отнимается водаи образуется 2-кето-3-дезокси-6-фосфоглюконат (КДФГ). Последний рас-щепляется специфичной альдолазой на пируват и глицеральдагид-3-фосфат.

139

Глицеральдегид далее подвергается действию ферментов пути Эмбдена—Майергофа—Парнаса и трансформируется во вторую молекулу пирувата.

При расщеплении глюкозы по пути Энтнера—Дудорова образуетсяодна молекула АТФ и две молекулы НАД.Н2. У бактерий, расщепляющихглюкозу таким путем, отсутствуют ферменты, необходимые для образованияиз пирувата лактата и других кислот.

Промежуточным продуктом преобразования сахара по путиЭмбдена—Мейергофа—Парнаса служит пируват. В дальнейшем в се-рии последовательных реакций он претерпевает превращения, ха-рактер которых зависит от ферментных особенностей того или ино-го возбудителя брожения.

Можно привести примеры, поясняющие это. Выше было ука-зано, что при м о л о ч н о к и с л о м брожении, вызываемом неко-торыми бактериями, пируват восстанавливается в лактат. Транспортводорода осуществляется в данном случае восстановленным НАД:

Если пируват образуется при превращениях по пути Эмбде-на—Мейергофа—Парнаса, лактат будет единственным продуктомброжения, суммарная реакция брожения:

В приведенных примерах пируват служит только акцептороматомов водорода, выделяющихся при окислении глицеральдегид-3-фосфата (реакция 6).

При с п и р т о в о м брожении, вызываемом дрожжами ипротекающем по пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса, сахар пре-вращается в этанол и диоксид углерода. Клетки дрожжей содержатпируватдекарбоксилазу, которая катализирует следующую реакцию:

СН3COCOOH = СН3СОН + СО2

Этанол получается при восстановлении ацетальдегида НАД • Н2,образовавшегося при окислении глицеральдегид-3-фосфата. Други-ми словами, при данном виде брожения ацетальдегид служит конеч-ным акцептором водорода:

Общее уравнение спиртового брожения может быть представ-лено в следующем виде:

С 6 Н 1 2 О 6 = 2СН 3СН 2ОН + 2СО2

Молочнокислое и спиртовое брожения — широко распростра-ненные бродильные процессы. Существуют и другие типы броже-ний, различающиеся составом конечных продуктов, среди которыхмогут быть различные органические кислоты, спирты, СО2 и газо-

140

образный водород. На второй стадии некоторых типов броженияобразуется свободная энергия, что увеличивает запас АТФ в клетке.

7.3. ДыханиеДыхание — окислительно-восстановительный процесс, идущий с об-разованием АТФ; роль доноров водорода (электронов) в нем играюторганические или неорганические соединения, акцепторами водо-рода (электронов) в большинстве случаев служат неорганическиесоединения. Как уже отмечалось, если конечный акцепор электро-нов — молекулярный кислород, дыхательный процесс называютаэробным дыханием. У некоторых микроорганизмов конечным ак-цептором электронов служит не молекулярный кислород, а иныесоединения, такие, как нитраты, сульфаты и карбонаты. В такомслучае говорят об анаэробном дыхании.

Аэробное дыхание. Оно присуще многим микроорганизмам.Однако есть как строгие аэробы, так и факультативные анаэробы,способные расти и в присутствии и при отсутствии кислорода. У фа-культативных анаэробов возможен синтез АТФ при брожении, а в при-сутствии молекулярного кислорода способ получения АТФ у нихменяется — начинает осуществляться дыхание. К факультативныманаэробам относятся также микроорганизмы, у которых анаэробноедыхание происходит при использовании нитратов как акцепторовэлектронов. Микроорганизмы, осуществляющие анаэробное дыха-ние, при котором акцепторами электронов служат сульфаты и кар-бонаты, — строгие анаэробы. Считают, что микроорганизмы могутиспользовать в дыхательном процессе любые природные органиче-ские соединения, однако степень окисления этих веществ должнабыть меньше, чем степень окисления СО2.

В процессе аэробного дыхания выделяют две фазы. Пер-вая включает серию реакций, благодаря которым органическийсубстрат окисляется до СО2, а освобождающиеся атомы водородаперемещаются к акцепторам. Данная фаза состоит из цикла реакцийгликолиза, приводящих к образованию пирувата, и цикла реакций,известного под названием цикла Кребса, или цикла трикарбоновыхкислот (ЦТК). Вторая фаза представляет окисление освобождаю-щихся атомов водорода кислородом с образованием АТФ. Обе фазысовместно ведут к окислению субстрата до СО2 и Н2О и образова-нию биологически полезной энергии в виде АТФ и др.

Цикл Кребса. В цепи реакций, входящих в цикл Кребса(рис. 31), первичный распад углевода (гликолиз) идет как при бро-жении, но образовавшийся пируват подвергается иным превраще-ниям. При участии мультиферментного комплекса пируватдегид-

141

Рис. 3 1 . Цикл Кребса (по: В. Л. Кретович):(I), (6) — система окислительного декарбоксилирования; (2) — иитратсинтаза; ко-фермент A; (3), (4) — акоиитатгидратаза; (5) — изоцитратдегидрогеназа; (7) — сукци-натдегидрогеназа; (8) — фумаратгидратаза; (9) — малатдегидрогеназа; (10) —спонтанное превращение; (11) — пирубаткарбоксилаза

рогеназы происходит декарбоксилирование образовавшегося пригликолизе пирувата до ацетальдегида или ацетата.

Последний соединяется с коферментом одного из окисли-тельных ферментов — коферментом A (KoA-SH), образуя аце-

142

тил-КоА. Под действием фермента цитратсинтазы двууглеродныйацетил-КоА (СН3—СО—КоА) реагирует с молекулой оксалоацетата,содержащей четыре атома углерода, в результате образуется соеди-нение с шестью атомами углерода — цитрат:

Цитрат под влиянием фермента аконитатгидратазы теряет мо-лекулу воды и превращается в цис-аконитат, который под действиемтого же фермента присоединяет Н2О и превращается в изоцитрат.

При воздействии изоцитратдегидрогеназы, активной группойкоторой служит НАДФ, от изоцитрата отщепляются два атома водо-рода, в результате чего он превращается в оксалосукцинат. От по-следнего, в свою очередь, под действием фермента декарбоксилазыотщепляется молекула диоксида углерода. В образовавшемся 2-ок-соглутарате число атомов углерода равно пяти.

Под влиянием ферментного комплекса а-кетоглутаратдегидро-геназы с активной группой НАД 2-оксоглутарат превращается в сук-цинат, теряя СО2 и два атома водорода. Затем следуют реакцииокисления сукцината в фумарат при участии фермента сукцинат-дегидрогеназы с активной группой ФАД, превращения фумарата вL-малат при участии фумаратгидратазы (фумаразы), окисления L-ма-лата в оксалоацетат, катализуемого малатдегидрогеназой с активнойгруппой НАД.

Перечисленные превращения сопровождаются отщеплениемдвух пар атомов водорода. Оксалоацетат взаимодействует с кофер-ментом А, и цикл повторяется снова. Каждая из десяти реакцийцикла трикарбоновых кислот, за исключением одной, легко обрати-ма. Углеродные атомы ацетил-КоА освобождаются в виде двух мо-лекул СО2. В реакциях ферментного дегидрирования атомы водоро-да удаляются четырьмя разными дегидрогеназами.

В трех из четырех указанных реакций окисления атомы водо-рода присоединяются к НАД+ (или НАДФ+), и лишь в случае сук-цинатдегидрогеназы они непосредственно переносятся на флавин-адениндинуклеотид (ФАД). Образуется также одна молекула АТФ.В ходе описанных реакций в трансформируемые соединения можетвключаться вода. Ферменты ЦТК располагаются в цитоплазматиче-ской мембране микроорганизмов. Суммарную реакцию цикла три-карбоновых кислот можно представить в виде уравнения:

В цикле трикарбоновых кислот образуется ряд промежуточ-ных продуктов, играющих роль предшественников для реакций био-синтеза макромолекул микробной клетки. Поэтому большинствоферментов цикла Кребса есть и у облигатных анаэробов (некоторыеиз них не имеют только фермента, катализующего трансформацию

143

2-оксоглутарата в сукцинат). В цикл Кребса вовлекаются и продук-ты катаболизма жирных кислот и некоторых аминокислот.

Следовательно, цикл трикарбоновых кислот имеет большоезначение не только для дыхания, но и для биосинтеза. В соответст-вии с ним идут превращения, в которых все источники углерода ис-пользуются для синтеза необходимых микроорганизмам соединений.В этом состоит биологический смысл цикла Кребса, продукты пре-вращения которого легко трансформируются в аминокислоты, бел-ки, жиры, углеводы и т. д. и становятся частью структуры клетки.

У отдельных микроорганизмов, усваивающих простые источ-ники углерода, например ацетат, встречается модифицированнаяформа ЦТК, известная под названием глиоксилатного цикла (открытКорнбергом и Кребсом в 1957 г.).

Дыхательная цепь переноса электронов. При всех реакцияхдегидрирования в цикле Кребса атомы водорода, отщепляющиесяпри участии специфических дегидрогеназ, акцептируются кофер-ментами НАД и НАДФ, затем переносятся по цепи переносчиков.Однако фактически осуществляется перенос как атомов водорода,так и электронов. Ядра атомов водорода свободно перемещаются порастворителю в виде протонов. Такую систему транспорта электро-нов и протонов называют дыхательной, или электронтранспортной,цепью. Цепь переноса водорода и электронов содержит переносчики —молекулы различных групп, представляющие собой окислительно-восстановительные ферменты — флавопротеиды, хиноны и цито-хромы.

Простатическими группами флавопротеидов служат флавин-адениндинуклеотид (ФАД) или флавинмононуклеотид (ФМН).Флавопротеиды передают атомы водорода от восстановленных пи-римидиновых нуклеотидов к последующим переносчикам дыхатель-ной цепи. Хиноны (более распространен убихинон или кофермент Q)представляют собой небелковые переносчики небольшой молеку-лярной массы; они способны переносить водород или электроны ипредставляют собой промежуточные компоненты между флавопро-теидами и цитохромами.

Цитохромы — белки относительно небольшой молекулярноймассы. Простетическая группа цитохромов — гем. Данные фермен-ты переносят не водородные атомы, а электроны. Известны цито-хромы а, а3 ,b , с, d и ряд других. В цитохромах роль переносящегоэлектроны компонента играет железо гема. Обычно железо гема на-ходится в окисленной форме (Fe3+), но после присоединения элект-рона оно переходит в восстановленную форму.

Каждый атом водорода, поступающий от кофермента Q, рас-падается на ион водорода и электрон: Н > Н+ + e - . Электрон, всвою очередь, присоединяется к иону железа: Fe3 + + e- >Fe2+.

144

Ионы водорода поступают в раствор, они используются позднее вконце дыхательной цепи. Электрон от цитохрома b переходит к ци-тохрому с и затем к цитохрому аа3 , называемому цитохромоксида-зой. Цитохромоксидаза содержит помимо железа еще и медь и пред-ставляет собой конечную оксидазу, которая реагирует с кислородоми передает ему электроны:

О2 + 4Fe2+ > 2О2 -+ 4Fe3+

В итоге такого необратимого конечного окисления вся цепьпереносчиков электронов переходит в окисленное состояние, а мо-лекулярный кислород восстанавливается до Н2О. При переносе ато-мов водорода и электронов на отдельных участках дыхательной цепивыделяется значительное количество свободной энергии. Чтобы за-крепить освобождающуюся энергию, в микробной клетке существуетмеханизм, объединяющий в единый процесс выделение энергии и об-разование богатых энергией фосфатных связей АТФ. Процесс назы-вают окислительным фосфорилированием. Наличие окислительногофосфорилирования, т. е. фосфорилирования, сопряженного с функ-ционированием цепи переноса электронов, является важнейшимотличием процессов дыхания от брожения, при котором фосфори-лирование осуществляется только на уровне субстрата.

Известны три участка в дыхательной цепи, где осуществляет-ся сопряжение окисления и фосфорилирования — от НАД до ФАД;от цитохрома b до цитохрома с,; от цитохрома а до цитохрома аа3

(рис. 32). Дыхательная цепь у прокариотов локализована в цито-плазматической мембране. Считают, что при транспорте электроновпроисходит вывод ионов Н+ через мембрану в наружную среду.В результате между наружной и внутренней сторонами мембранысоздается градиент концентрации ионов Н+ — трансмембранныйэлектрохимический градиент, или протонный потенциал, энергиякоторого идет на синтез АТФ. Данный синтез катализуется фермен-том АТФ-синтазой, обусловливающим сопряжение процесса пере-носа водорода и электронов в дыхательной цепи с фосфорилиро-ванием.

Все аэробные и факультативно анаэробные бактерии имеютдыхательную цепь. Причем ферменты, катализующие процессы пе-реноса электронов в этой цепи и окислительного фосфорилирова-ния, локализованы в цитоплазматической мембране.

Многие из анаэробных микроорганизмов не имеют цепи пе-реноса электронов. Поэтому в присутствии кислорода воздуха в сре-де происходит непосредственный транспорт водорода флавиновымидегидрогеназами (ФАД) на кислород, что приводит к образованиюперекиси водорода Н2О2. Перекись водорода чрезвычайно токсична.Удалить ее могут два фермента — каталаза и пероксидаза, однакоу анаэробных бактерий они, как правило, отсутствуют. Таким обра-

145

Рис. 32. Дыхательная цепь переноса электронов в митохондриях

зом, одна из причин токсичного действия кислорода на анаэробныемикроорганизмы — образование и аккумуляция перекиси водородав их клетках в летальных дозах.

В результате окислительного фосфорилирования большаячасть энергии пирувата становится доступной для микроорганиз-мов. Суммарно полное окисление глюкозы можно выразить следую-щим уравнением:

С 6 Н 1 2 О 6 + 6О2 = 6Н2О + 6СО2 + 28,8.10 s Дж

Рассмотрим выход энергии при дыхании. Полное окисление одногомоля (180 г) глюкозы дает 38 молей АТФ. Каждая связь АТФ равна приблизи-тельно 3,4. 104 Дж, а 38 молекул АТФ дают 12,9- 105 Дж. При сжигании одно-

146

го моля глюкозы в калориметре выделяется в виде тепла около 28,8.105 Дж.Превращение глюкозы в клетках микроорганизмов в форму, пригодную дляиспользования (АТФ), сопровождается выделением 12,9.105 Дж, или 44,1%всей энергии. Следовательно, более 50% энергии, заключенной в глюкозе,рассеивается в виде тепла.

В отличие от дыхания брожение — процесс, при котором от-щепляемые от органического вещества электроны передаются наорганические же соединения. При брожении роль акцептора элект-ронов играет обычно какое-нибудь органическое соединение, образую-щееся в ходе процесса. Одновременно высвобождается лишь оченьнезначительная часть той химической энергии, которая потенциаль-но заключена в энергии связей молекулы глюкозы и освобождаетсяпри полном окислении ее до СО2 и Н2О. В этом легко убедиться,сравнив количество выделившейся свободной энергии при анаэроб-ном расщеплении глюкозы до лактата и при окислении ее до СО2

и Н2О:

Продукты брожения глюкозы в анаэробных условиях не могутбыть использованы микробной клеткой, поэтому выводятся из нее.При этом они еще содержат значительную часть энергии, котораябыла заключена в молекуле глюкозы. Для получения того же ко-личества энергии, которое выделяется при окислении глюкозы вовремя дыхания, в анаэробных условиях микроорганизмам приходит-ся расходовать гораздо больше молекул глюкозы, чем в условияхаэробиоза.

Как было указано выше, хемолитоавтотрофные бактерии по-лучают энергию в результате окисления неорганических сое-

шинстве случаев эти бактерии имеют цепь переноса электронов, вомногих отношениях сходную с соответствующей системой другихаэробных микроорганизмов. Перенос электронов по данной цепиприводит к образованию АТФ.

Неполное окисление органических соединений. Дыхание обыч-но связано с полным окислением органического субстрата. Дру-гими словами, конечные продукты распада, например углеводов, —только СО2 и Н2О. Некоторые бактерии, в частности представителирода Pseudomonas и ряд грибов, не до конца окисляют углеводы. Об-разующиеся не полностью окисленные органические соединения,такие, как глюконовая, фумаровая, лимонная, молочная, уксуснаякислоты и другие, аккумулируются в среде. Дыхание указанных орга-низмов иногда неправильно называют аэробным, или окислитель-ным, брожением, в то время как неполное окисление имеет гораздоменьше общего с брожением, чем с обычным дыханием. Неполное

147

о к и с л е н и е , например, протекает лишь в присутствии кислорода,а брожение кислорода не требует. С энергетической точки зрениянеполное окисление — выгодный для микроорганизмов процесс.

Анаэробное дыхание. Как отмечалось в параграфе 7.1, неко-торые микроорганизмы способны использовать для окисления орга-нических или неорганических веществ не молекулярный кислород,а другие окисленные соединения, например соли азотной, серной иугольной кислот, превращающиеся при этом в более восстановлен-ные соединения. Процессы идут в анаэробных условиях, и их назы-вают анаэробным дыханием:

У микроорганизмов, осуществляющих такое дыхание, конеч-ным акцептором электронов будет не кислород, а неорганические со-единения — нитраты, сульфаты и карбонаты. Таким образом, разли-чия между аэробным и анаэробным дыханием заключаются в при-роде конечного акцептора электронов.

Основные типы анаэробного дыхания приведены в таблице 2.Есть также данные об использовании бактериями в качестве акцеп-торов электронов Мn4+, хроматов, хинонов и др.

Свойство микроорганизмов переносить электроны на нитра-ты, сульфаты и карбонаты обеспечивает в достаточной степени пол-ное окисление органического или неорганического вещества без ис-пользования молекулярного кислорода и обусловливает возмож-ность получения большего количества энергии, чем при брожении.При анаэробном дыхании выход энергии только на 10% ниже, чем

148

при аэробном. Микроорганизмы, для которых характерно анаэроб-ное дыхание, имеют набор ферментов электронтранспортной цепи,но цитохромоксидаза в них заменяется нитратредуктазой (при ис-пользовании в качестве акцептора электронов нитрата) или аденил-сульфатредуктазой (при использовании сульфата) или другими фер-ментами.

Микроорганизмы, способные осуществлять анаэробное дыха-ние за счет нитратов, — факультативные анаэробы, они относятсяглавным образом к родам Pseudomonas и Bacillus. Микроорганизмы,использующие сульфаты в анаэробном дыхании, относятся к ан-аэробам и принадлежат к родам Desulfovibrio, Desulfomonas и Desulfo-tomaculum.

7.4. ФотосинтезНекоторым группам микроорганизмов (цианобактериям, пурпур-ным и зеленым бактериям) свойствен фотосинтез — способ образо-вания АТФ, при котором источником энергии служит свет.

У растений, водорослей и цианобактерий донором электроновпри фотосинтезе бывает молекула воды, кислород которой выделя-ется в окружающую среду. Такой фотосинтез называют кислород-ным, или оксигенным.

В отличие от них пурпурные и зеленые фотосинтезирующиебактерии не способны использовать воду как донор электронов, ихфотосинтез никогда не идет с образованием кислорода. Донорамиэлектронов у таких бактерий служит H2S, H2 или органические со-единения, а данный вид фотосинтеза называют бескислородным, илианоксигенным.

Главный акцептор электронов большинства фотосинтезирую-щих организмов — СО2, однако они часто могут восстанавливатьнитрат, азот, ионы водорода. Процесс фотосинтеза идет в две ста-дии. Во время первой под действием света происходит восста-новление НАДФ и фосфорилирование АДФ, на второй энергияНАДФ • Н и АТФ используется для восстановления СО2 до гексозы.Ассимиляция СО2 высшими и низшими фотосинтезирующими ор-ганизмами осуществляется через так называемый пентозофосфат-ный восстановительный цикл, или цикл Кальвина.

У фотосинтезирующих организмов АТФ образуется при пере-носе электрона, отданного молекулой хлорофилла (или бактерио-хлорофилла), при поглощении энергии света фотосинтетическойпигментной системой. Процесс называют фотофосфорилированием,он аналогичен окислительному фосфорилированию аэробных мик-роорганизмов, т. е. АТФ образуется при транспорте электронов че-рез цепь переноса.

149

Поскольку молекулярный кислород не участвует в реакцияхобразования АТФ ни в одном из типов фотосинтеза, любой его типможет протекать в строго анаэробных условиях. Однако жизнеде-ятельность растений, водорослей и цианобактерий, осуществляю-щих кислородный фотосинтез, происходит обычно в присутствиикислорода. Большинство организмов с бескислородным фотосинте-зом — строгие анаэробы, у факультативных аэробов фотосинтетиче-ское образование АТФ подавляется кислородом.

7.5. Биосинтез отдельных веществ микробной клетки

Катаболизм может идти разными путями, но всегда с образованиемАТФ для обеспечения биосинтеза клетки. Основную часть органи-ческих веществ микроорганизмов составляют макромолекулы, отно-сящиеся к четырем классам: нуклеиновые кислоты, белки, полиса-хариды и сложные липиды. Это полимеры низкомолекулярных ор-ганических соединений, называемых предшественниками.

Макромолекулы делят на классы в зависимости от того, какиенизкомолекулярные органические соединения-предшественники по-лимеризуются при их синтезе: для нуклеиновых кислот — нуклеоти-ды, для белков — аминокислоты, для полисахаридов — моносахари-ды. Сложные липиды более разнообразны по своему составу — сре-ди их предшественников есть жирные кислоты, многоатомныеспирты, простые сахара, амины и аминокислоты. Согласно имею-щимся данным, для образования макромолекул четырех главныхклассов требуется около 70 низкомолекулярных органических со-единений-предшественников.

Кроме предшественников макромолекул, микробной клеткенеобходимо синтезировать около 20 коферментов и переносчиковэлектронов, играющих важную каталитическую роль. Считают, чтодля образования новой микробной клетки нужно примерно 150 не-больших молекул различных органических соединений. Эти неболь-шие молекулы, в свою очередь, синтезируются из еще меньшегочисла основных промежуточных веществ, образующихся в ходе ка-таболизма у хемоорганогетеротрофов или при использовании СО2

хемолитоавтотрофами.Наиболее важные промежуточные продукты — фосфорные эфи-

ры Сахаров, пируват, ацетат, оксалоацетат, сукцинат, 2-оксоглутарат,рибоза и некоторые другие. Поставка промежуточных продуктов длябиосинтеза аминокислот, углеводов и т. д. происходит главным обра-зом при преобразованиях в цикле трикарбоновых кислот.

Биосинтез аминокислот и белков. Почти все микроорганиз-мы, за небольшим исключением, обладают способностью к синтезувсех аминокислот. Биосинтез аминокислот — первый этап биосин-теза белка — представляет собой яркий пример тесной связи ката-

150

болизма и биосинтеза. Предшественниками для биосинтеза амино-кислот служат промежуточные продукты ЦТК и пентозофосфатногоцикла. Так, при включении в цикл трикарбоновых кислот пируват,трансформируясь в оксалоацетат и 2-оксоглутарат, дает начало ас-партату и глутамату, из которых впоследствии образуются аспара-гин, глутамин, затем треонин, изолейцин, метионин, лизин, арги-нин и пролин.

В результате конденсации промежуточных продуктов пентозо-фосфатного цикла (эритрозо-4-фосфата) и гликолиза (фосфоенол-пирувата), а также последующей серии реакций образуются арома-тические аминокислоты — тирозин, фенилаланин и триптофан.

Микроорганизмы могут построить из промежуточных продук-тов катаболизма углеводов только углеродные скелеты аминокислот.На последних этапах их биосинтеза в молекулу промежуточногопродукта вводится при реакции аминирования и переаминированияаминогруппа. Превращение неорганического азота в органическийосуществляется через предварительное образование ионов аммония,которые затем включаются в состав органических веществ.

Ряд аминокислот (L-аланин, аспартат, глутамат и амид-L-глу-тамин) образуется при прямом аминировании; их называют первич-ными аминокислотами. Остальные аминокислоты, называемые вто-ричными, синтезируются путем переаминирования, т. е. в результа-те переноса аминогруппы от первичных аминокислот, служащихдонорами, на соответствующие кетокислоты, образующиеся в ходереакций катаболизма.

Аминокислоты, в свою очередь, идут на биосинтез белков клет-ки, специфичных для каждого вида микроорганизмов. Синтез белказаключается в образовании пептидной связи между свободными ами-нокислотами. Для этого необходима предварительная химическая ак-тивация аминокислот, требующая расхода энергии АТФ. Активациязаключается в присоединении аминокислоты к ферменту-переносчи-ку. Существует 20 таких ферментов, каждый из которых специали-зируется на активации определенной аминокислоты. Последующаяполимеризация происходит вследствие переноса аминокислоты с фер-мента-переносчика на растущую белковую цепь. В клетке микроорга-низма может синтезироваться несколько тысяч различных белков,каждый из которых содержит в среднем около 200 аминокислотныхостатков, связанных между собой в определенной последовательности.

Биосинтез нуклеиновых кислот. Один из самых жизненноважных процессов клетки — биосинтез мононуклеотидов, посколь-ку рибо- и дезоксирибонуклеотиды служат прямыми предшествен-никами РНК, ДНК и нуклеотидных ферментов. Центральное звенобиосинтеза мононуклеотидов — синтез пуриновых и пиримидиновыхоснований. Все микроорганизмы, за исключением некоторых видовбактерий, способны образовывать указанные основания из очень прос-тых предшественников: аминокислот — глицина и аспартата, а также

151

инозиновой, адениловой, гуаниловой и уридиловой кислот. В синтеземононуклеотидов, кроме того, участвуют фосфорная кислота и D-pи-бозо-5-фосфат — продукт пентозофосфатного пути превращения уг-леводов. Синтезированные микроорганизмами мононуклеотиды по-лимеризуются при участии специальных ферментов в ДНК и РНК.

Биосинтез углеводов. Глюкоза и другие углеводы синтезиру-ются из более простых соединений. Фотоавтотрофные организмыобразуют гексозы в результате восстановления СО2. Гексозы, в своюочередь, трансформируются в крахмал, целлюлозу и другие полисаха-риды. В клетках хемоорганогетеротрофных организмов центральныйпроцесс метаболизма — трансформация пирувата, аминокислот и дру-гих простых соединений в глюкозу и гликоген.

Подобно тому как основным путем катаболизма углеводов вклетках анаэробных и аэробных микроорганизмов служит превра-щение глюкозы в пируват, обратным процессом, т. е. превращениемпирувата в глюкозу, является центральный путь биосинтеза моноса-харидов и полисахаридов. В данный центральный биосинтетическийпуть вливаются два главных поддерживающих пути, которые начи-наются с двух различных наборов простых, неуглеводных соедине-ний. Один поддерживающий путь заключается в ряде реакций,обеспечивающих превращение промежуточных продуктов циклатрикарбоновых кислот в пируват. Указанный процесс характерендля всех организмов и носит название глюконеогенеза. Второй путьсостоит из реакций, обусловливающих восстановление СО2 до глю-козы. Он отсутствует у хемоорганогетеротрофов и наблюдается глав-ным образом у хемолитоавтотрофов и фотолитоавтотрофов.

Глюкозо-6-фосфат, образующийся в процессе превращенияпо центральному пути двух молекул пирувата при затратах энергииАТФ, обусловливает синтез целого ряда соединений — свободнойглюкозы, крахмала, гликогена, дисахаридов, моносахаридов, компо-нентов клеточной стенки (гликопептидов, тейхоевых кислот, липопо-лисахаридов), запасных веществ клетки (гликогена, гранулезы) и др.

Следует остановиться на особенностях синтеза углеводов идругих органических веществ в клетке хемолитоавтотрофных микро-организмов. Процессы окисления неорганических веществ здесьидут с выделением энергии и позволяют аккумулировать ее в клеткев форме АТФ, часть которой тратится на восстановление СО2. Ус-воение СО2 у большинства исследованных хемолитоавтотрофов, каки у большинства (но не у всех) фотоавтотрофов, осуществляется че-рез восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина1.

1 Иными путями — не через цикл Кальвина — фиксируют СО 2 фо-тоавтотрофные зеленые серные и некоторые зеленые нитчатые бактерии,а также некоторые хемоавтотрофные анаэробы — метаногены, ряд сульфат-редукторов, окисляющих Н2, и др.

152

Цикл Кальвина имеет, таким образом, универсальное значение какдля эукариотных, так и для прокариотных микроорганизмов, ис-пользующих СО2 как основной источник углерода.

Ключевым ферментом цикла Кальвина является рибулозобис-фосфаткарбоксилаза, которая катализует реакцию присоединения СО2

к молекуле рибулозо-1,5-бисфосфата (РО3Н2—СН2О. СО.СНОН——СНОН .СН2О—РО3Н2) с образованием двух молекул фосфогли-церата. Последние восстанавливаются в глицеральдегид-3-фосфат,который в результате ряда реакций трансформируется во фруктозо-бисфосфат, затем — в глюкозо-6-фосфат и, наконец, — в глюкозу.

Биосинтез липидов. Липиды микроорганизмов представляютсобой химически гетерогенную группу; среди них есть жиры, фос-фолипиды, стероиды, изопреноиды и поли-B-оксимасляная кисло-та. Выделяют две группы липидов. К первой относят липиды,содержащие жирные кислоты, связанные эфирной связью, ковторой — липиды, состоящие из повторяющихся пятиуглеродныхрадикалов, подобных изопрену. Жирные кислоты обычно синтези-руются отдельно и в дальнейшем с образованием эфирной связивключаются в сложные эфиры. Предшественником жирных кислотс длинной цепью, а также запасного вещества — поли-B-гидрокси-масляной кислоты — служит промежуточный продукт цикла трикар-боновых кислот ацетил-коэнзим А (ацетил-КоА). Важную роль в био-синтезе жирных кислот играет так называемый ацетилпереносящийбелок (АПБ).

Синтез жирных кислот с длинной цепью начинается с пере-носа ацетильной группы с ацетил-КоА на АПБ. Образовавшийсякомплекс становится основанием, на которое переносятся двуугле-родные соединения (С2-фрагменты). Последовательное наращива-ние двууглеродных остатков через ряд промежуточных продуктовведет к образованию С14—С18-жирных кислот. Фосфолипиды воз-никают при взаимодействии жирных кислот и промежуточного про-дукта гликолиза — диоксиацетонфосфата.

Полиизопреновые соединения, состоящие из повторяющихсяС5-фрагментов, синтезируются исключительно из ацетильныхгрупп. В указанных реакциях также большую роль играет промежу-точный продукт цикла трикарбоновых кислот — ацетил-КоА.

Совокупность всех метаболических превращений, идущих вклетке микроорганизмов, можно представить в виде краткой схемы(рис. 33). На схеме показаны пункты синтеза и использования АТФ,а также отдельные реакции, в которых образуются и используютсявосстановленные формы переносчиков водорода (НАД • Н2,НАДФ.Н2 и ФАД.Н2).

Регуляция метаболизма. Как указывалось выше, процессыметаболизма обеспечивают запасание микробной клеткой энергии вбиологически доступной форме, синтез низкомолекулярных струк-

153

154

турных компонентов и сложных макромолекул, а также делениеклетки. В природных условиях микроорганизмы вынуждены конку-рировать с другими живыми существами, что обусловило развитие вих клетках механизмов приспособления к изменяющимся внешнимусловиям и способствовало оптимальному согласованию между со-бой различных процессов метаболизма. Оптимизация касаетсяпрежде всего ферментных белков, их синтеза и функционирования.

Считают, что регуляция клеточного метаболизма у микроорга-низмов осуществляется на двух уровнях — синтеза ферментов иизменения их активности. Первый тип регуляции характерендля большинства метаболических путей и заключается в одновре-менном регулировании синтеза многих ферментов, функционирую-щих в одном и том же метаболическом пути. Задача подобной регу-ляции — обеспечить необходимое соотношение между скоростьюсинтеза тех или иных ферментов и скоростью синтеза белка. Самаскорость обусловлена частотой транскрипции структурного гена.В клетках микроорганизмов многие ферменты синтезируются не-прерывно, вне зависимости от факторов внешней среды. Это такназываемые конститутивные ферменты. В основном они участвуютв обменных процессах, связанных с синтезом различных веществи ростом клеток.

Что касается ферментов, участвующих в реакциях катаболиз-ма, то образование многих из них регулируется посредством так на-зываемой индукции. Например, в той или иной питательной средеимеется только одно вещество, тогда в клетках микроорганизмасинтезируются ферменты для расщепления именно данного вещест-ва. В указанном случае говорят об индукции ферментов, индуцирую-щем субстрате и индуцируемых ферментах.

Образование ферментов, участвующих в биосинтезе, часто ре-гулируется посредством репрессии. В этом случае ферменты опреде-ленного биосинтетического пути не синтезируются, если его конеч-ный продукт присутствует в среде. При наличии или накоплениитакого конечного продукта скорость синтеза всех ферментов, управ-ляющих реакциями данного пути, существенно снижается. Напри-мер, путем репрессии регулируется синтез ферментов, которые уча-ствуют в образовании пиримидинов, пуринов и аминокислот. Сиг-нал к остановке биосинтеза белков в таких условиях исходит изконечных продуктов процесса (репрессия конечным продуктом).

Если в питательной среде присутствуют два вещества, мик-роорганизм в большинстве случаев использует то, которое обеспечи-вает более быстрый рост. Образование же ферментов, расщепляю-щих второе вещество, репрессируется. Указанное явление называюткатаболитной репрессией. Катаболитная репрессия лежит в основе такназываемой диауксии. Если в среде есть два субстрата (глюкоза исорбит или глюкоза и ацетат), то, как показано на примере кишеч-ной палочки, они используются бактериями не одновременно, а по-

155

следовательно. Вначале потребляется глюкоза, и одновременно онаингибирует синтез ферментов, участвующих в расщеплении второгосубстрата.

Регуляция клеточного метаболизма на уровне а к т и в н о с т иф е р м е н т о в характерна, как правило, для ключевых ферментов,участвующих в биосинтетических процессах. Каталитическая актив-ность таких ферментов может увеличиваться под влиянием положи-тельного эффектора — активатора или уменьшается под действиемотрицательного эффектора — ингибитора. Ферменты, занимающиеключевые позиции в биосинтетических путях, в большинстве случа-ев сами являются регуляторными. У регуляторных ферментов кромекаталитических центров есть и особые стереоспецифичные участки —так называемые аллостерические центры. Это места связывания ак-тиваторов и ингибиторов. Подобные регуляторные ферменты назы-вают также аллостерическими.

Примером аллостерического фермента может служить фосфо-фруктокиназа, катализующая в процессе гликолиза фосфорилирова-ние фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата.В реакции участвует АТФ. Если концентрация АТФ высока, ее моле-кулы аллостерически ингибируют фосфофруктокиназу. При усиле-нии биосинтетических процессов увеличивается расход АТФ, ееконцентрация падает и фосфорилирование фруктозо-6-фосфата во-зобновляется.

В тех случаях, когда конечный продукт того или иного мета-болического пути начинает накапливаться в клетке в количествах,превышающих ее потребности, он может действовать как аллосте-рический ингибитор, что приводит к ингибированию активногофермента, контролирующего первый этап указанного пути. В ре-зультате уменьшается или даже приостанавливается дальнейшее об-разование самого конечного продукта. Подобное явление называютингибированием конечным продуктом, оно является примером меха-низма, который регулирует один из важных аспектов метаболиче-ской активности по принципу отрицательной обратной связи.

Следовательно, два типа регуляции клеточного метаболизма —индукция и репрессия ферментов, с одной стороны, и изменениеактивности ферментов — с другой, приводят к одному и тому же ре-зультату, а именно определяют интенсивность превращения различ-ных субстратов по тому или иному метаболическому пути.

В микробной клетке существуют линейные и разветвленныепути метаболизма. При линейном метаболизме ферменты действуюторганизованно, будучи объединенными друг с другом в мультифер-ментные комплексы. Последние часто связаны с цитоплазматиче-ской мембраной. Благодаря линейному расположению ферментовсоздается возможность для саморегуляции ингибированием попринципу отрицательной обратной связи, поэтому скорость опреде-ленного метаболического пути регулируется концентрацией его ко-

156

нечного продукта. Здесь каждый фермент связан с соседними —продукт, образующийся при участии одного фермента, становитсясубстратом для другого фермента в цепи, и так продолжается до техпор, пока весь процесс не закончится образованием конечного про-дукта.

Результатами реакций разветвленного метаболического путимогут быть различные продукты. Направление синтеза на опреде-ленный конечный продукт обусловливается условиями, которыескладываются в клетке в данное время. Регуляция образованияконечного продукта осуществляется ингибированием по принципуобратной связи. В разветвленном метаболическом пути действуюти мультиферментные системы, однако ферменты их локализованыв растворе и тесно друг с другом не связаны.

Контрольные вопросы и задания1.Дайте определение понятиям «метаболизм», «катаболизм», «биосинтез».2. На чем основана современная классификация микроорганизмов? 3. В про-цессе каких реакций и в виде каких соединений накапливается энергияв клетке?

Глава 8 Рост и размножениемикроорганизмов

8.1. Основные понятия

Для микроорганизмов, как и для других живых существ, характернырост и размножение. Под ростом клетки подразумевают согласован-ное увеличение количества всех химических компонентов (напри-мер, белка, РНК, ДНК), ведущее в конечном счете к возрастаниюразмеров и массы клетки. Рост клетки не безграничен, достигнувопределенной величины, она прекращает рост и начинает размно-жаться. Размножение — это увеличение числа клеток микроорганиз-мов в популяции. Микроорганизмы размножаются поперечным де-лением, происходящим в процессе роста, почкованием или образо-ванием спор.

Размножение. Прокариоты обычно размножаются бесполымпутем — бинарным делением. В начале деления клетка удлиняется,затем делится нуклеоид. Воспроизведение нуклеоида, содержащеговсю генетическую информацию, необходимую для жизнедеятель-ности микроорганизма, — наиболее важный из всех процессов, ко-торые происходят при росте клетки.

157

Нуклеоид представлен суперспирализованной и весьма плот-но уложенной молекулой самореплицирующейся ДНК, известнойпод названием репликона. К репликонам относят также плазмиды —генетические структуры, способные к самостоятельной репликации.Репликация ДНК осуществляется при участии ферментов ДНК-по-лимераз. Процесс начинается в определенной точке ДНК и проис-ходит одновременно в двух противоположных направлениях. Закан-чивается репликация также в определенном месте ДНК.

В результате репликации количество ДНК в клетке удваивает-ся. Вновь синтезированные молекулы ДНК постепенно расходятсяв образующиеся дочерние клетки. Все это позволяет дочерней клет-ке иметь совершенно тождественную материнской по последова-тельности нуклеотидов молекулу ДНК. Считают, что репликацияДНК занимает почти 80% всего времени, затрачиваемого бактери-альной клеткой на деление.

После завершения репликации ДНК наблюдается целыйкомплекс процессов, ведущих к образованию межклеточной перего-родки. Начинаются они с врастания двух слоев цитоплазматическоймембраны с обеих сторон клетки, затем между слоями мембранысинтезируется пептидогликан и, наконец, формируется перегородкаиз двух слоев цитоплазматической мембраны и пептидогликана.

Во время репликации ДНК и образования делящей перегородкиклетка микроорганизма непрерывно растет. В этот период происходятсинтез пептидогликана клеточной стенки и составляющих цитоплаз-матической мембраны, образование новых рибосом и других органелли соединений цитоплазмы. На последней стадии деления дочерниеклетки отделяются друг от друга. У некоторых видов бактерий процессидет не до конца, в результате образуются цепочки клеток.

При делении палочковидных бактерий клетки вначале растутв длину (диаметр клетки не меняется). Когда бактерии становятсявдвое длиннее, палочка несколько сужается посередине, а затемраспадается на две клетки. Таким образом, рост клетки идет вдольдлинной оси, а деление осуществляется в плоскости, перпендику-лярной этой оси. Чаще всего клетка делится на две равные части(изоморфное деление), однако встречается и неравномерное (гетеро-морфное) деление, когда дочерняя клетка больше материнской.

На рисунке 34 показано окончание деления бактерии со жгу-тиками. Жгутики остаются у материнской клетки, у дочерней онивырастают позднее. При многочисленных исследованиях жгутикиобычно находили только у одной клетки из недавно разделившейсяпары. Можно полагать, что материнская клетка сохраняет главнуючасть первоначальной клеточной стенки, фимбрии и жгутики.

Спирохеты, риккетсии, а также некоторые дрожжи и мице-лиальные грибы, простейшие и другие организмы размножаютсяп о п е р е ч н ы м д е л е н и е м клеток. Миксобактерии делятся пе-ретяжкой. Сначала клетка в месте деления слегка сужается, далее

158

Рис. 34. Недавно разделившаяся клетка бактерии рода Klebsiella.Электронная фотография, х2500 (по: К. Дугюд)

клеточная стенка, постепенно впячиваясь с обеих сторон внутрьклетки, все больше и больше сужает ее и, наконец, делит на две. До-черняя клетка, одетая уже собственной цитоплазматической мембра-ной, еще некоторое время сохраняет общую клеточную стенку.

П о ч к о в а н и е у бактерий представляет собой разновидностьбинарного деления и у ряда форм почти не отличается от деления.Например, у нитрифицирующих (Nitrobacter) и некоторых фотосин-тезирующих (Rhodopseudomonas) бактерий клетки делятся, но растутлишь с одного полюса материнской клетки, поэтому образующиесяновые клетки неравноценны — в большинстве случаев между нимиможно обнаружить морфологические отличия. Иногда у бактерийнаблюдается половой процесс, или конъюгация (см. главу 4).

Клеточные циклы бактерий. Бактериальная клетка проходит отделения к делению клеточный цикл, равнозначный онтогенезу (пери-оду от возникновения бактериальной клетки до прекращения ее су-ществования). При отсутствии дифференциации клеточный циклбактерий представляется вегетативным клеточным циклом, которыйвключает процессы, связанные с ростом и делением. У бактерий вы-деляют три типа в е г е т а т и в н о г о к л е т о ч н о г о цикла:

• мономорфный, когда при делении образуется только одинморфологический тип клеток;

• диморфный, когда при делении образуются две клетки, от-личающиеся формой, размерами и другими признаками;

• полиморфный, свойственный бактериям, которые в зависи-мости от состава среды могут образовывать клетки двух и бо-лее морфологически разных типов.

159

Для большинства бактерий характерен м о н о м о р ф н ы й кле-точный цикл. До наступления деления клетка проходит ряд пери-одов. Началу репликации хромосомы (инициации) предшествует пе-риод А, во время которого у новой клетки синтеза ДНК не происхо-дит. Затем наступает период С, во время которого осуществляютсяинициация репликации, репликация ДНК и ее терминация. Третийпериод — D занимает время от репликации хромосомы до разделе-ния клеток. В ряде случаев выделяют также и Т-период, который за-нимает время от начала до конца образования перегородки или пе-ретяжки между вновь образованными дочерними клетками.

Д и м о р ф н ы й клеточный цикл наблюдается у грамотрица-тельных бактерий, он характерен, например, для представителей ро-да Caulobacter и некоторых почкующихся форм. В процессе размно-жения Caulobacter образуются два типа клеток — подвижные со жгу-тиками и неподвижные со стебельком. Подвижные клетки обычнорассматриваются как дочерние, неподвижные со стебельками — какматеринские.

П о л и м о р ф н ы й клеточный цикл свойствен бактериям та-ких родов, как Arthrobacter, Hyphomicrobium, Rhodomicrobium и др.Наиболее характерный представитель бактерий с полиморфнымциклом — Arthrobacter. Сначала у него формируются палочковидныенеправильной формы клетки, затем переходящие в кокки; послед-ние удлиняются, превращаясь в палочки. Интересной особенностьюпалочковидных бактерий данного рода является их способность приделении образовывать фигуры, подобные римской цифре V.

Для некоторых бактерий характерно образование специализи-рованных клеток и особый порядок прохождения жизненных цик-лов {клеточная дифференцировка бактерий). Так, у представителейсемейства Васillасеае наблюдается образование эндоспор, семействаAzotobacteriaceae — цист, пурпурной несерной бактерии Rhodomicro-bium — экзоспор. Для многих облигатно паразитических и симби-отических бактерий характерно образование специализированныхклеток, называемых элементарными тельцами (ЭТ).

Миксобактерии отличаются сложными жизненными циклами.Их палочковидные клетки с закругленными или заостренными кон-цами способны ползать по плотному субстрату. Размножаются веге-тативные клетки бинарным делением. В определенных условиях, ча-ще при истощении пищи и на поверхности твердого субстрата,клетки миксобактерий собираются и образуют плодовые тела, кото-рые состоят из слизи и дифференцированных покоящихся клеток,называемых миксоспорами, или микроцистами.

Время генерации. В результате роста и размножения из однойклетки микроорганизма образуется колония его потомков. Микроор-ганизмы отличаются высоким темпом размножения, оцениваемымпо времени генерации, т. е. времени, в течение которого происходитделение клетки. Время генерации неодинаково у разных видов мик-

160

роорганизмов, у клеток одного вида, но разного возраста; оно зави-сит также от условий роста (состава питательной среды, температу-ры, рН и других факторов).

При благоприятных условиях время генерации многих микро-организмов колеблется от 20 до 30 мин. При такой скорости ростаможно получить шесть генераций за 2 ч (у человека столько же по-колений проходит за 120 лет). Вследствие способности к быстромуразмножению в природе бактерии численно превышают все другиеживые организмы. Однако бактерии не могут очень долго продол-жать расти с периодом генерации 20 мин. Если бы такой рост былвозможен, то из одной-единственной клетки кишечной палочки че-рез 24 ч образовалось бы 272, или около 1022 потомков, общая массакоторых составила бы несколько десятков тысяч тонн, а еще через24 ч роста бактерии масса ее потомков превысила бы в несколькораз массу земного шара. Недостаток пищи и накопление продуктовраспада ограничивают столь бурное размножение бактерий. Однаков проточной среде они способны делиться каждые 15—18 мин.

Фазы цикла развития культуры бактерий. Наблюдения заростом микроорганизмов, культивируемых на жидкой среде в зам-кнутых резервуарах, показывают, что скорость их роста изменяетсяво времени. Внесенные в питательную среду микроорганизмы снача-ла не развиваются — «привыкают» к условиям среды. Затем начина-ется размножение со все возрастающей скоростью, достигающеймаксимальной, на которую данный вид способен в данной среде. Помере исчерпания запаса питательных веществ и накопления продук-тов обмена рост замедляется, а затем прекращается полностью. Циклразвития культуры бактерий состоит из ряда фаз (рис. 35).

5 10 15 20Время, ч

Рис. 35. Фазы роста бактерий: 1 — исходная (стационарнаяфаза); II — фаза задержки размножения; III — логарифмическаяфаза; IV — фаза отрицательного ускорения; V — стационарнаяфаза максимума; VI — фаза ускорения гибели клеток; VII —фаза логарифмической гибели; VIII — фаза уменьшенияскорости отмирания

6 Микробиология 161

Первая фаза — исходная, или с т а ц и о н а р н а я . Начинает-ся после внесения микроорганизмов в питательную среду и продол-жается 1—2 ч. Количество бактерий во время этой фазы не увеличи-вается, и клетки не растут.

Вторая, или лаг-фаза, — период задержки размножения.В указанное время бактерии, внесенные в свежую питательную сре-ду, начинают интенсивно расти, но скорость их деления пока невы-сока. Две первые фазы развития бактериальной популяции называ-ют периодом приспособления к новой среде. К концу лаг-фазыклетки часто увеличиваются по объему. Длительность лаг-фазы за-висит как от внешних условий, так и от возраста бактерий и их ви-довой специфичности.

Третья фаза — интенсивного логарифмического, или экс-п о н е н ц и а л ь н о г о , р а з м н о ж е н и я . В этот период размножениебактерий идет с наибольшей скоростью и число клеток увеличивает-ся в геометрической прогрессии.

Четвертая фаза — о т р и ц а т е л ь н о г о у с к о р е н и я . Клеткибактерий становятся менее активными, и период генерации удлиня-ется. Одна из причин, замедляющих размножение бактерий, — ис-тощение питательной среды и накопление в ней токсичных продук-тов обмена. Это замедляет ритм размножения. Некоторые клеткиперестают размножаться и погибают.

Пятая фаза — с т а ц и о н а р н а я . Период, когда число вновьвозникающих клеток примерно равно числу отмирающих. Поэтомуколичество живых клеток некоторое время остается практическинеизменным. Однако общая численность живых и мертвых бакте-рий несколько увеличивается, хотя и не очень быстро. Данную фазуиногда называют максимально стационарной, так как численностьклеток в среде во время нее достигает максимума.

Шестая — восьмая фазы — о т м и р а н и я — характеризуютсятем, что отмирание клеток преобладает над размножением. Во вре-мя прохождения шестой фазы увеличивается число отмерших кле-ток. Седьмая фаза — логарифмической гибели клеток, когда они от-мирают с постоянной скоростью. Во время восьмой фазы скоростьотмирания клеток бактерий постепенно уменьшается. Отмирание впоследние три фазы связано с изменением физико-химическихсвойств питательной среды в неблагоприятную для бактерий сторо-ну и другими причинами. Ритм гибели клеток в эти фазы становит-ся быстрым, и число живых клеток все более снижается, до тех порпока они почти полностью не отмирают.

В описанных выше фазах развития микроорганизмов прикультивировании в замкнутом резервуаре последние все время нахо-дятся в меняющихся условиях. Это так называемая непроточнаякультура микроорганизмов. Первое время они имеют в избытке всепитательные вещества, затем постепенно начинают проявляться не-

162

юстаток в питании и отравление продуктами обмена. Все указанноеи приводит к снижению скорости роста, в результате чего культурапереходит в стационарную фазу.

Однако если добавлять в среду питательные вещества и одно-временно удалять продукты обмена, то микроорганизмы могли быпребывать в течение неопределенного времени в экспоненциаль-ной фазе роста. Такой способ положен в основу проточного культи-вирования микроорганизмов, осуществляемого в хемостатах и турби-достатах при помощи специальных устройств, обеспечивающих не-прерывную подачу среды с регулируемой скоростью и хорошее ееперемешивание. В результате для микроорганизмов создаются неиз-менные условия, что позволяет поддерживать непрерывный и по-стоянный прирост клеток при любой скорости роста культуры.Проточное культивирование микроорганизмов поддается автомати-ческому регулированию, оно весьма перспективно и широко вне-дряется в практику.

В исследованиях физиологии микроорганизмов важно полу-чение синхронных культур. Так называют бактериальную культуру,или популяцию, в которой все клетки находятся на одинаковой ста-дии клеточного цикла. Синхронные культуры обычно используютдля изучения процессов роста у отдельных видов бактерий.

Контрольные вопросы и задания1. В чем выражается рост микроорганизмов? 2. Как происходит размноже-ние микроорганизмов? 3. Какие существуют типы вегетативного клеточногоцикла? 4. Кратко охарактеризуйте основные фазы цикла развития культурыбактерий.

Глава 9 Превращение микроорганизмамисоединений углерода

Микроорганизмы играют главную роль в круговороте всехбиологически важных элементов в природе, в том числе углерода икислорода. В круговороте углерода различают два процесса, связан-ных с выделением и поглощением кислорода: ф и к с а ц и я СО2 вовремя кислородного фотосинтеза и м и н е р а л и з а ц и я органи-ч е с к и х веществ с выделением СО2.

Первый процесс осуществляют высшие растения, водорос-ли и цианобактерии. Он обеспечивает перевод окисленной формыуглерода (СО2) в восстановленную (в этой форме углерод находитсяв органических веществах), при этом восстановленный кислород

163

(Н2О) окисляется до молекулярного (02). Второй процесс совер-шают микроорганизмы, он идет с поглощением кислорода и прямоили косвенно связан с восстановлением молекулярного кислорода иобразованием субстратов для кислородного фотосинтеза — СО2 и Н2О.

В воздухе содержится около 0,03% СО2 (по объему). Такаяконцентрация диоксида углерода в атмосфере относительно по-стоянна благодаря достаточно устойчивому равновесию междуфотосинтезом и минерализацией. О значимости круговорота угле-рода в природе свидетельствует расчет, показывающий, что весьСО2 атмосферы Земли при отсутствии его пополнения был бы по-чти полностью использован в результате фотосинтеза меньше чем за20 лет. Круговорот углерода и кислорода схематично показан на ри-сунке 36.

Примерные подсчеты показывают, что годовая продукция ор-ганического вещества на Земле достигает 33 • 1011 т. Основную массусоставляют соединения растительного происхождения. Химическийсостав растительных остатков весьма сложен, это разнообразные ор-ганические вещества — белки, аминокислоты, целлюлоза, лигнин,гемицеллюлоза, а также жиры, воска и многие другие. Преобладаютпо массе целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Количество и качест-во трех последних, образуемых в растительных ассоциациях, можетбыть различно, что связано с определенными растительными сооб-ществами и геоклиматическими зонами.

После отмирания растений в результате деструктивных биоло-гических процессов происходит распад органических веществ, со-зданных растительными организмами. В нем участвуют представите-ли разнообразных групп животного и растительного мира, начинаяот микроорганизмов и кончая высшими позвоночными животными.Известны два основных типа распада, получивших в свое время на-звания фитогенный и зоогенный.

164

Так называемый фитогенный1 распад органического веществаосуществляется при участии грибов (высших и низших), бактерий,и том числе актиномицетов, и других микроорганизмов; зоогенный —при участии беспозвоночных животных (простейших, червей, мол-носков), различных насекомых и, наконец, млекопитающих. Ос-новной тип распада органических веществ — фитогенный. Живот-ные также принимают активное участие в разложении органическо-го вещества: они поедают растительные остатки или переносятспоры микроорганизмов. Правильнее считать, что в почве одновре-менно протекают оба отмеченных процесса.

Разнообразный состав растительных остатков и неодинаковаястойкость входящих в них соединений к воздействию микроорга-низмов обусловливают поэтапность распада. Быстрее всего разлага-ются простые и низкополимерные углеводы (моно- и дисахариды).Полисахариды (крахмал, гемицеллюлозы, пектины и др.), жиры и во-ска расщепляются значительно медленнее. Довольно стойки к воз-действию микроорганизмов целлюлоза и близкие к ней высокополи-мерные соединения, а наиболее устойчивым органическим соедине-нием является лигнин, поэтому он часто накапливается в почве.

В зависимости от условий среды органические вещества под-вергаются разложению анаэробными и аэробными микроорганизма-ми. Конечными продуктами разложения органических веществ ана-эробными микроорганизмами, осуществляющими брожение, явля-ются органические кислоты и спирты, а аэробными — СО2 и Н2О.

Рассмотрим процессы анаэробного и аэробного превращениймикроорганизмами безазотистых органических веществ.

9.1. Спиртовое брожениеОсновным возбудителем спиртового брожения служат дрожжи. Тра-диционно их применяют в хлебопечении, для получения спирта ицелого ряда других продуктов. В бродильных производствах исполь-зуют представителей родов Saccharomyces (S. cerevisiae, S. globosus,S. vini и др.) и Schizosaccharomyces (S. pompe и S. ostosporus). В неболь-ших количествах спирт может накапливаться в среде, содержащейуглеводы, при развитии в ней отдельных видов грибов родов As-pergillus (A. oryzae), Mucor и Fusarium и бактерий (Zymomonas tnobilis,Z. anaerobica, Sarcina ventriculi, Erwinia amylovora и др.). Дрожжи ши-роко распространены в природе: в почвах, на поверхности растенийи т. д.

1 Строго говоря, термин «фитогенный» является не совсем правомоч-ным, поскольку ни одна из перечисленных групп организмов к растениям неотносится, следовательно, для употребления корня фито- нет оснований.Оба термина несколько устарели, однако они еще встречаются в биологиче-ской литературе, и студентам полезно знать их. (Прим. ред.)

165

При доступе кислорода воздуха дрожжи, вызывающие бро-жение, начинают окислять углеводы, т. е. от брожения переходятк аэробному дыханию с образованием СО2 и Н2О. Таким образом, ванаэробных условиях дрожжи получают энергию от сбраживания уг-леводов, в присутствии кислорода воздуха — за счет аэробного ды-хания. Явление подавления спиртового брожения в аэробных усло-виях (в присутствии О2) носит название эффекта Пастера.

Как указывалось выше, аэробное дыхание дает значительнобольше энергии, чем брожение, поэтому для получения такого жеколичества молекул АТФ при таком дыхании необходимо меньшеуглеводов. Следовательно, коэффициент использования углеводовувеличивается. Для получения большей массы дрожжей, напримерпри производстве пекарских дрожжей, питательную среду, в кото-рой происходит их размножение, аэрируют. Наоборот, при про-изводстве спирта процесс ведется в анаэробных условиях, чтобыполностью исключить выделение О2, тормозящего образование эти-лового спирта.

Сбраживание углеводов дрожжами с образованием этанола иСО2 идет гликолитическим путем (Эмбдена—Мейергофа—Парна-са). Образовавшийся в результате пируват под влиянием пируватде-карбоксилазы превращается в ацетальдегид, который затем восста-навливается НАД • Н2-алкогольдегидрогеназой до этанола; при этомиспользуется водород, мобилизуемый при окислении глицеральде-гид-3-фосфата:

В начале спиртового брожения дигидроксиацетонфосфат так-же выполняет роль акцептора водорода, пока не накопится ацеталь-дегид, необходимый для окисления НАД • Н2. Этим объясняетсяособый период индукции в начале брожения, во время которого по-является глицерин. Одновременно глицеральдегид-3-фосфат превра-щается согласно реакциям гликолитического пути в пируват, а последекарбоксилирования — в ацетальдегид.

Однако ацетальдегид не может восстанавливаться в этанол,так как НАД • Н2 уже использован для образования глицерина издигидроксиацетонфосфата. Поэтому при образовании в процессеброжения одной молекулы глицерина накапливается одна молекулапирувата или ацетальдегида, которая в этанол не превращается.Следовательно, в начале спиртового брожения преобладает глице-

166

ринпируватное брожение, приводящее к образованию глицерина ипирувата. Последний обнаруживается в небольших количествах, таккак основная его часть идет на образование вторичных продуктов —уксусной, молочной, янтарной, пропионовой и других кислот, а так-же диацетила, ацетоина, различных альдегидов и сложных эфиров.

Кроме вторичных продуктов, при спиртовом брожении обра-зуются побочные продукты — высшие спирты, или так называемыесивушные масла. К этим соединениям относятся амиловый, изоамило-вый, бутиловый, пропиловый и ароматические спирты( В-фенилэти-ювый, п-оксифенилэтиловый). Перечисленные вещества образуют-

ся из соответствующих кетокислот, синтезированных в процессе ме-таболизма углеводов, или из аминокислот.

Обычно спиртовое брожение протекает при кислой реакциисреды (рН 4—5). Если реакцию питательного субстрата поддержи-вать на щелочном уровне (около рН 8), то одним из основных про-чуктов брожения будет глицерин:

Резко повышается выход глицерина, если брожение протекаетеще и в присутствии бисульфита натрия. В таком случае ацетальде-гид связывается бисульфитом натрия и не может бить восстановленводородом в этиловый спирт:

Акцептором водорода служит промежуточное соединение — ди-гидроксиацетонфосфат, превращающееся сначала в глицерин-3-фос-фат, а после отщепления фосфатной группы — в глицерин. В некото-рых случаях бывает целесообразно получать глицерин и амиловыйспирт при спиртовом брожении. Подобные производства существуют.

Наибольшее практическое значение имеет вид дрожжей Saccha-romyces cerevisiae. К нему относят расы, используемые в хлебопечении,производстве спирта, пивоварении, виноделии, производстве кваса.

Дрожжи сбраживают не все сахара. Обычно они хорошо усва-ивают гексозы. Пентозы могут ассимилировать лишь весьма ограни-ченное число видов. Неплохо используют дрожжи дисахариды, нокаждый вид микроорганизма способен усваивать лишь строго опре-деленный их набор. Перед сбраживанием более сложные сахара подвлиянием ферментов дрожжевой клетки распадаются на моносаха-риды.

Отдельные виды могут усваивать простые декстрины. Крахмалстановится пригодным для спиртового брожения лишь после пред-варительного осахаривания при помощи солода (или другими спо-собами). На многих заводах для спиртового брожения используютцеллюлозу, предварительно подвергая ее кислотному гидролизу.В аэробных условиях дрожжи способны окислять органические кис-лоты и другие соединения.

167

Источником азотного питания для дрожжей служат неболь-шие пептиды, аминокислоты, а также аммонийные соли, реже ни-траты и нитриты. Дрожжевая клетка вырабатывает многие витами-ны, а присутствие отдельных ростовых веществ в среде усиливаетрост дрожжей. Большинство дрожжей растет в границах рН 3—8 приоптимуме рН 3,5—6,5. Обычно они развиваются в относительно ши-роком температурном диапазоне от 0 (или —7 °С) до 50 °С. Опти-мальная температура для роста большинства видов 28—30 °С.

Штаммы Saccharomyces cerevisiae подразделяют на расы верхо-вого и н и з о в о г о брожения. Первые используют для броже-ния, протекающего при температуре 14—25 °С. В таких условияхобильно выделяется диоксид углерода, наблюдается пенообразо-вание. Клетки микроорганизмов поднимаются на поверхность бро-дящей жидкости. Верховые расы используют в спиртовой промыш-ленности, хлебопечении и т. д., но при некоторых условиях упот-ребляют и другие дрожжи.

Дрожжи низового брожения применяют в производстве притемпературе 6—10 °С и ниже (до 0 °С). При этом брожение совер-шается спокойно и масса дрожжевых клеток остается на дне сосуда.Низовые расы обычно используют в пивоварении и виноделии, гдеприменяют расы Saccharomyces cerevisiae, адаптированные, однако,к жизнедеятельности при пониженной температуре. В виноделииважную роль играют также дрожжи Saccharomyces vini, S. cerevisiaevar. ellipsoides.

Как указывалось выше, дрожжи могут расти при нейтральнойреакции среды, но активнее процессы идут при некотором подкис-лении. На практике для предупреждения развития посторонней бак-териальной микрофлоры при размножении дрожжей создают кис-лую среду.

Значение спиртового брожения очень велико. Известно, чтоэтот процесс лежит в основе не только виноделия, пивоварения,производства спирта, хлебопечения, но и получения кваса и некото-рых кисломолочных продуктов (кефира, кумыса и др.). В промыш-ленности широко используют чистые культуры дрожжей, обеспечи-вающие наиболее правильное течение процесса, а также получениекачественной продукции. На деятельности дрожжей и близких к ниморганизмов основано и приготовление кормового белка. При куль-тивировании их на средах с дешевым источником углеродного пита-ния (меласса, отходы целлюлозной или текстильной промышлен-ности, метанол, этанол и др.) удается получать значительную массу,содержащую полноценный белок. Дрожжи сепарируют и использу-ют для кормовых целей. Разработан и способ выращивания кормо-вых дрожжей на отходах нефтяной промышленности.

Некоторые виды дрожжей накапливают в своих клетках боль-шое количество жира. Подобные организмы, получившие техниче-ское название «жировые», предложено применять для микробиоло-

168

Образование D(—)-, L(+)- или DL-форм молочной кислотыопределяется наличием у молочнокислых бактерий стереоспеци-фичных D-, L- или DL-лактатдегидрогеназ. Незначительная частьпирувата подвергается декарбоксилированию, что приводит к обра-юванию ацетата, этанола и СО2, а также ацетоина.

У гетероферментативных молочнокислых бактерий отсутствуютглавные ферменты гликолиза — фруктозобисфосфатальдолаза и три-

169

гического получения ценных технических жиров. Существуют фор-мы дрожжей, накапливающие значительные количества витаминов,на основе данного свойства построены производства витаминов длямедицины и сельского хозяйства.

Не все дрожжи приносят пользу человеку, многие способнывызывать только окисление углеводов. Среди небродящих дрожжейесть вредители пищевых продуктов и вина.

9.2. Молочнокислое брожениеПри молочнокислом брожении, вызываемом специфичной группойбактерий, происходит распад глюкозы до молочной кислоты. Средипобочных продуктов молочнокислого брожения отмечены ацетат,диоксид углерода, иногда и этанол.

Известны три типа брожения, вызываемого молочнокислы-ми бактериями:

• г о м о ф е р м е н т а т и в н о е молочнокислое брожение, прикотором из глюкозы образуется только молочная кислота:

С6Н12О6 = 2СН3СНОНСООН

• г е т е р о ф е р м е н т а т и в н о е молочнокислое брожение,когда из глюкозы кроме молочной кислоты получаются эта-нол и диоксид углерода:

С6Н12О6 = СН3СНОНСООН + СН3СН2ОН + СО2

• брожение, вызываемое бифидобактериями, — бифидо-брожение, при котором из глюкозы образуются ацетат илактат:

2С6Н12О6 = ЗСН3СООН + 2СНзСНОНСООН

В основе гомоферментного молочнокислого брожения лежатреакции гликолиза (пути Эмбдена—Мейергофа— Парнаса). Обра-зующийся в результате пируват, однако, не подвергается декарбок-силированию до ацетальдегида, как при спиртовом брожении, авосстанавливается до лактата водородом, отщепляющимся при де-гидрировании глицеральдегид-3-фосфата:

озофосфатизомераза. Поэтому начальное превращение глюкозы идету данных бактерий исключительно по пентозофосфатному пути дообразования рибулозо-5-фосфата. Последний под действием фер-мента эпимеразы превращается в ксилулозо-5-фосфат, а затем в ре-зультате реакции, катализуемой пентозофосфаткетолазой, расщеп-ляется на глицеральдегид-3-фосфат и ацетилфосфат. В дальнейшемглицеральдегид-3-фосфат превращается в пируват, а затем в лактат,как и при гомоферментативном молочнокислом брожении, а из аце-тилфосфата образуются ацетат и этанол.

Бифидоброжение осуществляется по пентозофосфатному путиили по пути Энтнера—Дудорова с конечными продуктами в видеацетата и лактата.

Нередко в сбраживаемых молочнокислыми бактериями {Strep-tococcus cremoris и Leuconostoc cremoris) средах накапливаются не-большие количества ацетоина и диацетила — веществ, обладающихсвоеобразным приятным ароматом. Последний передается продук-там, в которых развиваются указанные бактерии.

Кроме глюкозы, молочнокислые бактерии сбраживают боль-шое количество Сахаров: фруктозу, галактозу, маннозу, сахарозу,лактозу, мальтозу и пентозы. При сбраживании перечисленных со-единений наблюдаются некоторые отклонения от обычных схемброжения. Например, при брожении фруктозы образуются лактат,ацетат, СО2 и маннитол.

По форме клетки молочнокислые бактерии представляют со-бой палочки (длинные и короткие) и кокки; они могут образовы-вать парные или цепочковидные скопления. Это неподвижные, необразующие спор (за исключением Sporolactobacillus inulinus) грам-положительные организмы. Молочнокислые бактерии — анаэробы,но они аэротолерантны, т. е. могут расти при доступе кислорода.

Молочнокислые бактерии обладают высокой бродильной спо-собностью и отличаются отсутствием большинства биосинтетиче-ских путей. Это обусловливает высокую требовательность рассмат-риваемых бактерий к источникам питания, которая удовлетворяетсялишь на таких средах, как ткани растений, молоко, содержимое же-лудочно-кишечного тракта животных. Источником энергии дляэтих бактерий служат главным образом моно- и дисахариды (поли-сахариды сбраживают только отдельные виды). Некоторые молоч-нокислые бактерии способны ассимилировать органические кисло-ты, например лимонную.

Молочнокислые бактерии требовательны к источникам азот-ного питания — они используют органические формы азота. Мно-гие молочнокислые бактерии могут ассимилировать белки, хотялучше развиваются на аминокислотах, пептидах и полипептидах.Продукты распада белковой молекулы прекрасно усваиваются эти-ми бактериями. Прежде считали, что молочнокислые бактерии не

170

усваивают солей аммония. Сейчас описаны отдельные возбудителимолочнокислого брожения, способные расти на минеральном азоте,но в природе они встречаются редко.

Кроме веществ, содержащих углерод и азот, молочнокислымбактериям необходимы фосфор, калий, кальций и другие элементы,которые обычно поступают в среду с различными минеральнымисоединениями. Большинство молочнокислых бактерий нуждается ив ростовых веществах. Отдельным бактериям для развития требуетсярибофлавин. При этом результатом их собственного обмена веществможет быть другое ростовое вещество, например витамин В,.

Молочнокислые бактерии развиваются в довольно широкомдиапазоне температур. Для большинства видов предпочтительнытемпературы от 7 до 42 °С при оптимуме 30—40 °С. Однако в при-роде встречаются формы, способные размножаться в зоне более низ-ких (минимум 3 °С) или более высоких (максимум 57 °С) темпера-тур. Молочнокислые бактерии не образуют спор, поэтому при по-вышении температуры выше указанного предела быстро погибают.

Многие молочнокислые бактерии растут в диапазоне рН 5,5—8,8, однако лучше размножаются при нейтральной реакции среды.В результате жизнедеятельности они значительно подкисляют пита-тельную среду, поэтому приспособились к существованию в зонедовольно высокой кислотности среды. Палочковидные формы вы-носят более низкие значения реакции среды, чем кокковидные. Этокислотолюбивые организмы, оптимум для них обычно составляетрН 5,5— 5,8 и менее, как правило, они растут при рН 5, некоторыепри рН 2,9-3,2.

Кратко остановимся на характерных особенностях, свойственных от-дельным представителям молочнокислых бактерий (по данным Е. И. Квас-никова, О. А. Нестеренко).

К о к к о в ы е формы молочнокислых бактерий, осуществляющихгомоферментативное брожение, представлены семейством Streptococcaceae,родами Streptococcus и Pediococcus.

Бактерии рода Streptococcus имеют круглые или слегка овальные клет-ки диаметром 0,5—1 мкм, расположенные одиночно, парами или в цепоч-ках. Глюкозу эти микроорганизмы сбраживают с образованием в основномправовращающей молочной кислоты. Они широко распространены в при-роде — на растениях, в почве, навозе, молоке и других субстратах, использу-ются в ряде пищевых производств. К данному роду относят виды S. lactis,S. lactis var. diacetilactis, S. cremoris, S. thermophilus.

S. lactis — молочнокислый стрептококк, имеет клетки овальной фор-мы, расположенные в коротких цепочках или соединенные попарно. Кромемоносахаридов, сбраживает лактозу и мальтозу. Оптимальная температурадля развития 30—35 °С.

S. cremoris — сливочный стрептококк, отличается от молочнокислоготем, что его клетки располагаются в длинных цепочках. Температурныйоптимум для вида составляет 25—30 °С. В процессе брожения образуетповышенное количество летучих кислот. S. cremoris, как и S. lactis, использу-

171

ют при производстве кисломолочных продуктов, кислосливочного маслаи сыров.

S. lactis var. diacetilactis образует при брожении молока и молочныхпродуктов повышенное количество летучих кислот и ароматические вещест-ва, основное из последних — диацетил. Микроорганизм обладает способно-стью сбраживать лимонную кислоту. Температурный оптимум для него 25—30 °С. Данный стрептококк улучшает вкус и аромат молочных продуктов,поэтому его используют вместе со S. lactis и S. cremoris в заквасках для кис-ломолочных продуктов, кислосливочного масла и сыров.

S. thermophilus может развиваться при повышенной температуре (око-ло 50 °С). Сходен со S. cremoris. Сбраживает сахарозу. Применяется вместес болгарской палочкой {Lactobacillus bulgaricus) для приготовления южныхпростокваш. Играет важную роль в производстве некоторых сыров (швей-царский).

Представители рода Pediococcus — грамположительные неспорообра-зующие неподвижные кокки, располагающиеся кучками, тетрадами, парамиили единично. Осуществляют гомоферментное молочнокислое брожениес образованием DL-молочной кислоты. Оптимальное для видов рода значе-ние рН 5. Бактерии предпочитают анаэробные условия. Обитают в бродя-щих растительных материалах — квашеных овощах, силосе, а также в сыре,молоке, в пищеварительном тракте животных и т. д. Среди видов рода наи-более интересны P. damnosus, P. acidi-lactici, P. dextrinicus, P. halophilus.

П а л о ч к о в и д н ы е бактерии, осуществляющие молочнокислое бро-жение, относятся к сем. Lactobacillaceae, роду Lactobacillus. Характеризуютсязначительным разнообразием формы от короткой коккообразной до длин-ной нитевидной. Располагаются единично, парами или цепочками.

Бактерии этого рода обнаруживают в молочных, зерновых и мясныхпродуктах, пиве, вине, соленьях и маринадах, в воде и сточных водах, а так-же в ротовой полости и кишечном тракте человека и животных. Сбражива-ют сахара с образованием главным образом молочной кислоты. Для Lactoba-cillus оптимум рН 5,5—5,8, но они могут развиваться при рН 5 и ниже.

Среди гомоферментативных молочнокислых палочек можно выде-лить две группы — Thermobacterium и Streptobacterium. П е р в а я группапредставлена организмами, которые, как правило, растут при 45 °С и выше,обычно не развиваются при 20 °С и никогда не растут при 15 °С. При бро-жении с их участием образуются D-, L- или DL-молочная кислоты. В обра-зовании D(—)-молочной кислоты принимают участие L. delbrueckii, L. leich-mannii, L. lactis и L. bulgaricus; DL-молочной кислоты — L. helveticus и L. aci-dophilus (рис. 37).

По биохимическим особенностям перечисленные виды очень близкимежду собой. L. bulgaricus обычно выделяют из южных кисломолочных про-дуктов, L. helveticus — из сыров (швейцарского, советского), L. acidophilus —из кишечника человека. Молоко, сквашенное при участии ацидофильнойпалочки, служит хорошим лечебным средством при желудочно-кишечныхзаболеваниях.

Представители второй группы гомоферментативных молочно-кислых бактерий при развитии в молоке образуют короткие цепочки. Этогруппа менее активных молочнокислых палочек. Они хорошо развиваютсяпри 15—38 °С, оптимум для них составляет 30 °С. В молоке, молочных про-дуктах и на растениях обычно обнаруживают несколько видов бактерий вто-рой группы: L. casei, L. xylosus, как правило, участвуют в образовании Ц+)-молочной кислоты, L. plantarum, L. curvatus образуют DL-молочную кислоту.

172

Рис. 37. Форма и расположение клеток у трех родов молочнокислых бактерий:А — Lactobacillus; Б — Streptococcus; В — Pediococcus, x2180 (по: Р. Стейниер)

L. casei играет важную роль в созревании сыров. L. plantarum принимаетучастие в молочнокислом брожении при квашении овощей и силосовании.

Гетероферментативное молочнокислое брожение осуществляют предста-вители родов Leuconostoc, Lactobacillus (подрод Betabacterium), Bifidobacterium.

Бактерии рода Leuconostoc имеют вид сферических или чаще чечеви-цеобразных клеток. Клетки располагаются единично, парами или в корот-ких цепочках, кучкообразных скоплений не обнаружено. Грамположитель-ные. Спор не образуют. Глюкозу сбраживают с образованием D(-) молоч-ной кислоты, этилового спирта и СО2. Факультативные анаэробы, оптимумтемпературы для них составляет 20—30 °С. На средах с сахарозой у этих ор-ганизмов появляется толстая наружная оболочка из слизи или декстранов.

Виды рода обнаруживаются главным образом на растительных мате-риалах (иногда в молоке). Сбраживают моно- и дисахариды, не могут пи-таться более сложными углеводами. Существует ряд видов рода Leuconostoc,различающихся по морфологическим и физиологическим признакам.

L. mesenteroides и L. dextranicum принимают активное участие в сбражи-вании углеводов при квашении капусты и силосовании. L. dextranicum и L. cre-moris сбраживают лимонную кислоту с образованием диацетила, поэтому онимогут быть компонентами заквасок, применяемых в масло- и сыроделии.

Г е т е р о ф е р м е н т а т и в н ые л а к т о б а ц и л л ы (бета-бактерии) —Lactobacillus fermentum, L. brevis, L. cellobiosus —и другие сбраживают глюко-зy с образованием DL-молочной кислоты, СО2, уксусной кислоты и этило-вого спирта. Обычно они встречаются на растениях, обнаружены в хлебныхзаквасках. Это небольшие палочки, имеющие температурный максимумоколо 45 °С.

К роду Bifidobacterium относятся бактерии, имеющие неподвижные,прямые или разветвленные палочки, клетки раздвоенной V-формы, булаво-видной или лопатовидной формы. Не образуют спор, грамположительные.Глюкозу сбраживают главным образом до уксусной и L+)-молочной кис-лот. Строгие анаэробы, не переносят присутствия СО2; оптимум температу-ры для них составляет 36—38 °С. Известно более 20 видов бифидобактерий;типичный представитель рода — В. bifidum.

Б и ф и д о б а к т е р и и — обитатели кишечника человека, животных,насекомых и т. п. Установлено, что представители рода Bifidobacterium co-

173

ставляют от 50 до 90% микробного содержимого фекалий человека. Способ-ность молочнокислых бактерий синтезировать органические антибиотики(низин, диплококцин, лактолин, бревин и др.) и продуцировать органиче-ские кислоты позволяет предположить, что эти организмы — антагонистыгнилостной и болезнетворной кишечной микрофлоры человека и животных.

Молочнокислые бактерии имеют огромное практическое зна-чение. Их широко используют при изготовлении кисломолочных,квашеных продуктов, сыров, кислосливочного масла и т. п. Молоч-нокислые бактерии, встречающиеся обычно в молоке, вызывают егосквашивание. В различных климатических зонах земного шара вмолоке обитают неодинаковые виды молочнокислых бактерий. Мо-локо в северной зоне обычно содержит Streptococcus lactis, в южной —палочковидные бактерии L. bulgaricus и др. В связи с этим кислоемолоко разных зон неодинаково по вкусовым качествам. В каждойстране существуют свои национальные кисломолочные продукты.

В производственных условиях кисломолочные продукты гото-вят, заражая пастеризованное молоко соответствующими чистымикультурами бактерий. В этих целях используют молочнокислыйстрептококк (S. lactis), болгарскую палочку (L. bulgaricus), ацидо-фильную палочку (L. acidophilus) и др.

Ряд молочнокислых продуктов готовят, используя закваску,содержащую симбиотические комплексы микроорганизмов. Например,для приготовления кефира в молоко вносят так называемые кефир-ные зерна, внешне напоминающие миниатюрные головки цветнойкапусты. Они содержат Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus lactis, дрож-жи Saccharomyces kefiri, сбраживающие лактозу. Продуктами броже-ния служат молочная кислота и спирт.

Смешанное брожение лежит также в основе приготовлениякумыса из кобыльего молока. В данном случае молочнокислое бро-жение осуществляют термофильные молочнокислые палочки, близ-кие к Lactobacillus bulgaricus, и дрожжи рода Torula, сбраживающиелактозу. Сбраживаемое молоко периодически взбалтывают, в ре-зультате чего казеиновый сгусток мелко дробится. Йогурт готовятвнесением в пастеризованное гомогенизированное молоко чистыхкультур Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus, а биойо-гурт получают сквашиванием молока культурами Lactobacillus acido-philus и Streptococcus thermophilus.

Деятельность молочнокислых бактерий лежит в основе изго-товления сыров. Процесс сыроделия представляет собой коагуля-цию казеина молока под влиянием сычужного фермента, выделяе-мого из желудка жвачных животных. Получившиеся сгустки отделя-ют от сыворотки, прессуют, выдерживают в растворе соли, а затемоставляют лежать до созревания. Во время созревания в сырноймассе идут сложные процессы, при которых значительная часть ка-зеина под действием ферментов молочнокислых бактерий переходит

174

в аминокислоты. Для изготовления некоторых сыров используюттакже пропионовокислые бактерии, плесневые грибы и т. д. Дляулучшения качества сыров нередко применяют закваски молочно-кислых бактерий.

Лактобациллы — Lactobacillus plantarum и L. coryneformis — ис-пользуют в хлебопечении, лактобациллы и стрептококки — при из-готовлении сырокопченых колбас. Молочнокислые бактерии вызы-вают брожение, продуктом которого служит лактат, они снижаютрН среды, тем самым предохраняя от порчи колбасы, которые потехнологии не подвергаются варке (салями, сервелат и др.). Кваше-ние овощей и силосование кормов сводятся главным образом к мо-лочнокислому брожению субстратов.

9.3. Пропионовокислое брожение

Пропионовокислое брожение осуществляют бактерии семейства Рrо-pionibacteriaceae рода Propionibacterium. Различают несколько видовпропионовокислых бактерий, из которых широко известны Propioni-bacterium freudenreichii и Propionibacterium acidi-propionici.

Бактерии рода Propionibacterium представляют собой грампо-ложительные неподвижные палочки, обычно полиморфные, естьбулавовидной формы с одним закругленным концом, другим — ко-нусообразным. Возможны удлиненные, кокковидные, раздвоенные,разветвленные. Располагаются клетки поодиночке, парами, цепоч-ками, группами и т. д. Спор не образуют. Пропионовокислые бакте-рии относятся к анаэробам, но они могут развиваться в условияхнизкого парциального давления кислорода. Источниками энергиидля них служат углеводы, органические кислоты, спирты и др.

Продуктами брожения углеводов при участии пропионово-кислых бактерий могут быть различные комбинации пропионата иацетата, меньшие количества изовалериата, формиата, сукцинатаили лактата и СО2:

ЗС6Н12О6 = 4СН3СН2СООН + 2СН3СООН + 2СО2 + 2Н2О

Пропионовокислые бактерии способны сбраживать лактат,образовавшийся в результате брожения под действием других бакте-рий, превращая его в пропионат и ацетат:

ЗСНзСНОНСООН = 2СН3СН2СООН + СН3СООН + Н2О + СО2

Сбраживание углеводов пропионовокислыми бактериямипроисходит по пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса до стадии об-разования пирувата. Затем в зависимости от условий пируват можетокисляться до ацетата и СО 2, восстанавливаться в лактат, карбокси-лироваться в оксалоацетат, который через малат и фумарат восста-навливается до сукцината. Пропионат может образовываться вос-становлением пирувата или лактата либо декарбоксилированием

175

сукцината. Все перечисленные процессы достаточно сложны, состо-ят из большого числа реакций, катализуемых многими ферментами.

Для роста пропионовокислых бактерий необходима среда с бел-ками и аминокислотами, но они могут развиваться и на простых ис-точниках азота (например, аммонийных солях) в присутствии вита-минов (пантотеновая кислота, тиамин и биотин). Оптимальная тем-пература роста для бактерий 30—37 °С, рН 7.

Большие количества пропионовокислых бактерий обнаружи-вают в рубце и пищеварительном тракте жвачных животных. В руб-це присутствуют бактерии, гидролизующие целлюлозу с образова-нием глюкозы. Последняя затем превращается в лактат и другие ве-щества. Пропионовокислые бактерии сбраживают глюкозу и лактатв пропионат и ацетат, которые всасываются в кровеносную системуживотного.

Пропионовокислые бактерии используют в производстве твер-дых сычужных сыров. По окончании молочнокислого брожения лакто-зы в созревающем сыре наступает стадия пропионовокислого броже-ния, сопровождающаяся сбраживанием лактата в ацетат и пропионат,придающие сырам острый вкус. Выделяющийся при этом диоксидуглерода обусловливает появление «рисунка» сыра, т. е. глазков.

Кроме того, бактерий данного рода используют для получениявитамина В12, образующегося в результате их жизнедеятельности взначительно больших количествах, чем у других микроорганизмов.На основе бактерий рубца, среди которых есть Propionibacterium ac-nes, получен препарат «Пропиовит». Он стимулирует развитие по-лезной микрофлоры кишечника животных, сокращает их потери отзаболеваемости и гибели, увеличивает привесы животных и птиц.

9.4. Процессы брожения, вызываемые бактериямирода Clostridium и энтеробактериями

Анаэробные бактерии рода Clostridium были открыты Л. Пастером в1861 г. Ученый обнаружил, что некоторые представители данногорода сбраживают углеводы с образованием масляной кислоты. Сей-час среди представителей Clostridium насчитывается более 80 видовбактерий. Они имеют палочковидные клетки, обычно подвижны, пе-редвигаются при помощи перитрихальных жгутиков. У видов родаобразуются споры, имеющие овальную или сферическую форму; онитерморезистентны. Как правило, споры раздувают клетку (рис. 38).Грамположительные. Облигатные анаэробы.

Род включает психрофильные, мезофильные и термофильныевиды. Температурный оптимум для роста большинства мезофиль-ных видов лежит в диапазоне 30—40 °С. Для термофильных видовтемпературный оптимум составляет 60—75 °С. Оптимальная реак-ция среды для клостридий — нейтральная или слабощелочная. Хе-

176

Рис. 38. Спорообразующие клетки рода Clostridium(по: В. Т. Емиев, В. И. Дуда, Ш. И. Шелли)

моорганогетеротрофы. Клостридии сбраживают сахара, многоатом-ные спирты, аминокислоты, органические кислоты, пурины и пи-римидины, другие органические соединения. Ряд видов способенк фиксации молекулярного азота атмосферы. Места обитания кло-стридий — почва, водоемы, а также пищеварительный тракт челове-ка и животных.

Все виды рода объединены в группы в зависимости от способ-ности сбраживать те или иные органические соединения.

Первая группа — сахаролитические виды Clostridium, сбра-живающие растворимые углеводы, крахмал или пектин с образова-нием бутирата, ацетата, СО2 и Н2. Брожение при участии некоторыхмикроорганизмов группы приводит к образованию из Сахаров до-полнительных нейтральных соединений (бутанола, пропанола, аце-тона, небольших количеств этанола). В группу входят бактерии, вы-зывающие маслянокислое и ацетонобутиловое брожения: С. butyri-сит, С. pasteurianum, С. tyrobutyricum, С. butylicum, С. acetobutylicumи др. Возможно, к ней можно отнести и ряд видов Clostridium — вы-сокоспециализированных агентов анаэробного разрушения целлюло-зы, причем главные конечные продукты брожения — этанол, ацетати сукцинат, СО2 и Н2.

177

Вторая группа — протеолитические виды Clostridium, сбра-живающие аминокислоты. Обладают сильными протеолитически-ми свойствами и способны к интенсивному гидролизу белков с по-следующим сбраживанием аминокислот. Рост микроорганизмовв средах с белком сопровождается образованием аммиака, СО2, Н2,жирных кислот и большого количества летучих соединений с не-приятным запахом. К группе относятся виды: С. sporogenes, С. рег-fringens, С. histolyticum, С. botulinum и др. Многие представителирода Clostridium, сбраживающие аминокислоты, способны такжек сбраживанию углеводов.

Третья группа — виды Clostridium, сбраживающие азотсо-держащие циклические соединения — пурины и пиримидины. Пури-ны (гуанин, гипоксантин, ксантин и др.) под влиянием С. acidi-uriciи С. cylindrosporum превращаются в аммиак, ацетат и СО2. С. uracili-сит и С. oroticum сбраживают пиримидины, при этом урацил распа-дается до В-аланина, СО2 и NH3, а оротовая кислота — до уксуснойкислоты, СО2 и NH3.

Четвертая группа включает всего один вид — С. kluyveri,сбраживающий смесь этанола с ацетатом до бутирата и капроновойкислоты, а также небольшого количества водорода.

Остановимся более подробно на двух типах брожения, осу-ществляемого сахаролитическими видами Clostridium, — масляно-кислом и ацетонобутиловом.

Маслянокислое брожение. Типичный представитель масля-нокислых бактерий — Clostridium butyricum. Это крупная палочка(1—2 х 10 мкм). Молодые клетки подвижны, на более поздних ста-диях развития они теряют жгутики, приобретают веретенообразнуюформу и накапливают запасное питательное вещество — полисаха-рид гранулезу. При образовании спор клетки приобретают веретено-видную форму, иногда форму барабанной палочки.

Источником углерода для маслянокислых бактерий могут слу-жить моно- и дисахариды, некоторые полисахариды (декстрин,крахмал), лактат и пируват, маннит, глицерин и др. В сложных бел-ковых средах при отсутствии сбраживаемого углевода маслянокис-лые бактерии растут плохо или не растут вовсе. Источником азотадля них служат разнообразные вещества: аминокислоты, аммиачныесоединения и даже молекулярный азот.

Маслянокислое брожение начинается с трансформации Саха-ров в пируват по пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса. Конечныепродукты из пирувата образуются в цепи последовательных реак-ций, катализуемых несколькими ферментными системами. Остано-вимся на кратком описании данного процесса.

Пируват превращается в ацетил-СоА, СО2 и Н2 при участииферментной системы: пируват + ферредоксиноксидоредуктаза. Изацетил-КоА через ацетилфосфат синтезируется ацетат. Синтез бути-

178

рата начинается с конденсации двух молекул ацетил-КоА, возникшихв результате декарбоксилирования пирувата, что приводит к образо-ванию ацетоацетил-КоА. Последний восстанавливается в В-оксибу-тирил-КоА. С отщеплением от молекулыВ-оксибутирил-КоА моле-кулы воды возникает кротонил-КоА, ферментативно восстанавли-вающийся в бутирил-КоА. Наконец, после гидролиза бутирил-КоАи переноса КоА на ацетат образуется бутират.

Превращение ацетил-КоА в ацетилфосфат, а затем в ацетатсопровождается синтезом АТФ. Таким образом, в процессе суб-стратного фосфорилирования при маслянокислом брожении синте-зируется третья молекула АТФ (две другие образовались в процессегликолитического расщепления глюкозы). Суммарное уравнениемаслянокислого брожения:

4С6Н12О6 = ЗСН3СН2СН2СООН + 2СН3СООН + 8СО2 + 8Н2

Среди маслянокислых бактерий есть мезофильные и термо-фильные формы. Кроме того, род Clostridium включает и пато-генные, и сапротрофные виды. К сапротрофным бактериям относятС. pasteurianum, С. butyricum, С. felsineum; к патогенным — С. botuli-num, С. perfringens и др. Все они широко распространены в почвахи других естественных субстратах.

Маслянокислое брожение — не всегда желательный процесс.Например, при его развитии в заквашиваемых кормах белковаячасть корма разлагается, а накопившаяся масляная кислота придаетпродукту неприятный запах. Вместе с тем для некоторых промыш-ленных целей требуется чистая масляная кислота. Ее получают назaводах, специально сбраживая подготовленные среды чистой куль-турой маслянокислых бактерий. Образовавшуюся кислоту отделяюти очищают химическим методом.

Ацетонобутиловое брожение. Возбудитель ацетонобутилово-го брожения — С. acetobutylicum, он широко распространен в поч-ках, имеет палочковидные клетки (0,6—0,9 х 2,4—4,7 мкм) с пери-трихальным жгутикованием. Характерно образование овальныхспор, которые располагаются в клетке субтерминально. Бактериисбраживают моно-, ди- и полисахариды, а также глицерин, маннит,глюконат, пируват и ряд других соединений, фиксируют молекуляр-

ный азот. Оптимальная температура для их роста 37—38 °С, опти-мальное значение рН среды — 5,1—6,9. Ацетонобутиловые бактерииспособны разлагать белки.

Сбраживание углеводов при помощи данных бактерий проис-ходит по пути Эмбдена—Мейергофа—Парнаса. Образовавшийся в ре-зультате декарбоксилирования пирувата ацетил-КоА восстанавлива-

ется в этанол, идет на синтез ацетата или конденсируется в ацето-ацетил-КоА. Последний декарбоксилируется, что приводит к обра-зованию ацетона, или восстанавливается в бутирил-КоА, который

179

может трансформироваться в бутират или восстанавливаться черезбутиральдегид до бутанола. Суммарная схема ацетонобутиловогоброжения:

С6Н12О6 > СН3СН2СН2СН2ОН + СН3СОСН3 + СН3СН2ОН ++ CH3CHOHCH3 + Н2 + СО2

Основные конечные продукты брожения, как видно, — бута-нол, этанол, ацетон, 2-пропанол, а также ацетат и бутират. Однакохарактер конечных продуктов определяется как видовой принадлеж-ностью используемого для брожения микроорганизма, так и усло-виями, в которых идет процесс. Установлено, что ацетонобутиловоеброжение имеет двухфазный характер. В течение первой фазы на-блюдается активный рост бактерий, в среде идет накопление пре-имущественно органических кислот. Во второй фазе брожения сни-жается значение рН среды, рост бактерий замедляется, преобладаетсинтез нейтральных продуктов — ацетона, бутанола и этанола.

Двухфазность ацетонобутилового брожения связана с рН сре-ды. Если кислотность среды в результате накопления органическихкислот возрастает до рН 4,5 и более, происходит интенсивное обра-зование нейтральных продуктов, что предупреждает дальнейшееподкисление среды, неблагоприятное для бактерий.

Ацетонобутиловые бактерии значительно более требовательнык среде, чем маслянокислые. Эти микроорганизмы нуждаются в го-товых аминокислотах и витаминах (биотин и п-аминобензойнаякислота).

Описанный вид брожения широко используют в промышлен-ном производстве ацетона и бутанола из кукурузной муки и другогокрахмалистого сырья. Ацетон применяют для производства искусст-венного шелка и кожи, фотографических пленок, искусственногоцемента и других продуктов, бутанол — при производстве лаков. Га-зы, образующиеся при ацетонобутиловом брожении, идут на синтезметанола.

Смешанное брожение. Некоторые бактерии, главным обра-зом представители кишечной микрофлоры, относящиеся к семействуEnterobacteriaceae, называемые энтеробактериями, могут осуществ-лять смешанное кислое и бутандиоловое брожение, при котором об-разуются ряд органических кислот, спирты, СО 2 и Н2. Энтеробакте-рии — факультативные анаэробы, они представляют собой грамот-рицательные подвижные, неспорообразующие палочки.

К энтеробактериям относятся:• Escherichia coli (кишечная палочка) — обитает в кишечнике

человека и животных; бактерия может существовать в почвеи воде, обнаружение ее в питьевой воде, молоке или другомсубстрате служит показателем их загрязнения фекалиями;

180

• Salmonella — представители кишечной микрофлоры, пато-генные микроорганизмы, возбудители кишечных инфекцийи пищевых отравлений, обитают в почве и воде;

• Shigella — возбудители кишечных инфекций;• Yersinia — возбудители чумы человека и животных;• Enterobacter, Serratia и Proteus, представители которых в ос-

новном обитают в почве и воде, а также• фитопатогенный род Erwinia.Превращение углеводов у энтеробактерий идет по пути Эмб-

дена—Мейергофа—Парнаса. Основные продукты брожения — аце-тат, сукцинат, лактат, этанол, глицерол, ацетон, 2,3-бутандиол, СО 2

и Н 2 . Продукты брожения, вызываемого представителями энтеро-бактерий, различаются в качественном и количественном отноше-нии. Виды родов Escherichia, Salmonella и Shigella сбраживают сахарадо лактата, ацетата, сукцината и муравьиной кислоты. Кроме того,образуются СО2, Н2 и этанол. Представители родов Enterobacter, Ser-ratia и Erwinia продуцируют меньше кислот, но больше СО2, этанолаи особенно большое количество 2,3-бутандиола (2,3-бутиленгликоля).

9.5. Окисление отдельных органических веществ

Окисление углеводородов. Углеводороды относят к группехимически стойких органических веществ, которые, однако, могутразлагать многие микроорганизмы. Возможность усвоения микро-организмами парафинов доказана русским ученым В. О. Таусоном.Установлено, что разрушать углеводороды в природе могут предста-вители родов Arthrobacter, Methylomonas, Methylococcus, Pseudomonas,Flavobacterium, Streptococcus, Nocardia, Mycobacterium, а также дрожжирода Candida и ряд мицелиальных грибов. Окисляясь, углеводородыне только обеспечивают микроорганизмы энергией, но и служат ма-териалом для синтеза структурных компонентов клетки.

Среди алифатических углеводородов, подвергающихся микро-биологическому воздействию, наибольший интерес представляютгазообразные углеводороды. Большинство микроорганизмов, разви-вающихся на углеводородах данной группы, принадлежат к родамMethylomonas, Hyphomicrobium, Pseudomonas, Mycobacterium, Nocardiaи др. К облигатным окислителям метана относят представителей се-мейства Methylomonadaceae, родов Methylomonas, Methylobacterium,Methylococcus, Methylosinus и Methylocystis. Перечисленные виды при-надлежат к группе метилотрофных микроорганизмов. Они окисляютметан до метилового спирта.

Известны бактерии, использующие такие газообразные угле-водороды, как этан, пропан, бутан. Эти микроорганизмы предложе-но применять для разведки месторождений нефти и газа, а такжедля борьбы со скоплением метана в шахтах.

181

Известно большое число микроорганизмов, способных разви-ваться на алканах, имеющих от одного до 34 атомов углерода. Опи-саны виды, обитающие на циклических (нафтеновых) углеводоро-дах. Хорошо изучены бактерии, усваивающие моноциклические(бензол, толуол, ксилол) и полициклические (нафталин, фенантрен,антрацен) ароматические углеводороды. Это представители родовArthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, дрожжи и др.

Окисление углеводородов с участием микроорганизмов обыч-но происходит при помощи адаптивных ферментов. Конечные про-дукты окисления углеводородов — диоксид углерода и вода, однакообнаруживаются и промежуточные продукты — спирты, органиче-ские кислоты, эфиры и другие соединения. Следовательно, микро-организмы способны использовать углеводороды разных классовпростого и сложного строения. Считают, что практически все угле-водороды, входящие в состав нефти, могут разлагаться в результатежизнедеятельности микроорганизмов.

Ряд бактерий, усваивающих углеводороды, обладает способ-ностью связывать молекулярный азот атмосферы. Микроорганизмы,усваивающие углеводороды, широко распространены в почвах. В по-следнее время этой группе микроорганизмов уделяется большое вни-мание в связи с возможностью использования их для очищения почви водоемов от загрязнений нефтью и продуктами ее переработки.

Окисление жиров и жирных кислот. Жиры и жирные кисло-ты также подвергаются трансформации под влиянием микроорга-низмов. Первая стадия расщепления жира — гидролиз, осуществ-ляемый при действии фермента липазы. Сущность процесса можетбыть показана на примере тристеарина:

С3Н5(С18Н35О2)3 + ЗН2О > С3Н5(ОН)3 + ЗС18Н36О2

Тристеарин Глицерин Стеариновая кислота

Так же происходит разрушение жиров и другого химическогосостава. Образующиеся в результате гидролиза глицерин и жирныекислоты претерпевают дальнейшие превращения вплоть до полногоокисления. Высокомолекулярные жирные кислоты труднораствори-мы и окисляются очень медленно.

Жиры, как и другие составные части растительных тканей,расщепляются с участием микроорганизмов почвы. Разрушителямижиров служат многие аэробные и анаэробные бактерии и грибы.

Наиболее энергично воздействует на жиры Pseudomonas fluo-rescens — бесспоровая подвижная палочка, образующая на питатель-ной среде зеленоватый пигмент. В разложении жира также участвуютPseudomonas pyacyanea, Serratia marcescens, представители родов Ba-cillus {В. mycoides, В. mesentericus), Clostridium (С. perfringens, С. sporo-genes и др.) и многие другие микроорганизмы. Перечисленные видыне только разлагают жир на глицерин и жирные кислоты, но и

182

окисляют последние до СО2 и Н2О. В разложении жира и жирныхкислот принимают участие мицелиальные грибы родов Aspergillus,Penicillium и др.

Окисление этилового спирта до уксусной кислоты. Этиловыйспирт окисляется до уксусной кислоты под влиянием уксуснокис-лых бактерий родов Gluconobacter и Acetobacter. Это грамотрицатель-ные хемоорганогетеротрофные, не образующие спор, палочковид-ные организмы, подвижные или неподвижные.

Уксуснокислые бактерии указанных родов различаются междусобой по характеру жгутикования. У представителей рода Glucono-bacter клетки двигаются при помощи трех—восьми полярных жгути-ков, редко одного, есть и неподвижные формы. Для бактерий родаAcetobacter характерно перитрихальное жтутикование, но также естьи неподвижные виды.

Уксуснокислые бактерии — строгие аэробы, поэтому они раз-виваются только на поверхности среды. Им присуще и образованиепленок — одни виды организмов образуют тонкие пленки, состоя-щие из одного слоя клеток, у других пленки более толстые, иногданапоминающие папиросную бумагу. Отдельные виды имеют слизис-тые, толстые пленки. Уксуснокислые бактерии отличаются высокойустойчивостью к кислотам (могут расти в среде с начальным рН 4,при оптимуме рН 5—6). Виды данной группы микроорганизмов об-наруживают на поверхности растений (цветков, плодов), на разла-гающихся растительных остатках и т. д.

Характерная особенность уксуснокислых бактерий — способ-ность превращать этиловый спирт в уксусную кислоту:

СН3СН2ОН + О2 > CH3COOH + Н2О

Эти организмы используют для производства пищевого уксусаиз вина и спирта. Два рода уксуснокислых бактерий различают постепени окисления органических субстратов. Так, бактерии рода Ace-tobacter {A. peroxydans) способствуют накоплению уксусной кислотыкак промежуточного продукта и дальнейшему ее окислению до СО2

и Н2О (бактерии еще называют переокислителями). Виды рода Glu-conobacter (G. oxydans) вызывают образование уксусной кислоты какконечного продукта реакции, обычно не подвергающегося после-дующему окислению (бактерии называют недоокислителями). Спо-собность видов рода Acetobacter окислять уксусную кислоту до СО2

объясняется наличием в их обмене веществ цикла трикарбоно-вых кислот. Уксуснокислые бактерии способны окислять не толькоэтиловый, но и другие спирты, в том числе алифатические много-атомные.

Кроме указанных окислительных процессов, уксуснокислыебактерии могут вызывать окисление сорбита до сорбозы, маннитадо фруктозы, глюкозы до глюконовой кислоты, глюконовой кисло-

183

ты до кетоглюконовых кислот. Перечисленные превращения осу-ществляются по пентозофосфатному пути представителями родаGluconobacter. Особый интерес представляет окисление уксусно-кислыми бактериями D-сорбита до L-сорбозы. Последняя требуетсяв больших количествах для синтеза витамина С.

Интересно отметить, что представитель рода Acetobacter —A. xylinum при росте на среде с глюкозой или другими источникамиуглерода способен формировать внеклеточную слизистую пленку,состоящую из чистой целлюлозы. Целлюлозные фибриллы пред-ставляют собой рыхлую массу, окружающую клетки. В культуре этоторганизм образует пленку толщиной 1 см и более, состоящую изцеллюлозы и бактериальных клеток.

Окисление углеводов до лимонной и других органическихкислот. Углеводы могут окисляться до лимонной кислоты и другихорганических кислот. При рассмотрении процессов дыхания и бро-жения было отмечено, что некоторые микроорганизмы не полно-стью окисляют те или иные органические соединения. В этом слу-чае происходит накопление продуктов неполного окисления — ок-салата, цитрата, сукцината, фумарата, малата, аконитата, глюконатаи других кислот. Подобные процессы часто вызывают грибы. Так,виды родов Rhizopus и Мисоr вызывают окисление углеводов глав-ным образом до малата, в небольших количествах до сукцината, фу-марата, малата, ацетата и муравьиной кислоты, а также этанола; ро-дов Aspergillus и Penicillium — до глюконата, оксалата и цитрата.

Микробиологический синтез цитрата, глюконата, а-кетоглу-тарата, сукцината, фумарата, малата и ряда других органическихкислот обычно осуществляется при интенсивной аэрации. Перечис-ленные кислоты служат промежуточными продуктами метаболизмасоединений углерода, в том числе цикла трикарбоновых кислот.

Большое практическое значение имеет микробиологическоеполучение цитрата из углеводов с использованием гриба Aspergillusniger, превращающего почти 60% глюкозы в лимонную кислоту.Возможность такого процесса была установлена С. П. Костычевыми В. С. Буткевичем. Сейчас разработан и промышленный способмикробиологического получения лимонной кислоты, необходимойв медицине, фармацевтической, пищевой и химической промыш-ленности, а также при дублении кож, в печатном деле и т. д.

В процессе окисления глюкозы наряду с цитратом всегда об-разуется глюконат, причем выход последнего зависит от штаммагриба и от рН среды. Попутно выделяются оксалат и сукцинат.

В России, США и Японии налажено производство итаконо-вой кислоты на основе деятельности Aspergillus terreus. Итаконоваякислота — продукт превращения углеводов при участии и другогогриба рода Aspergillus — A. itaconicus. Итаконовую кислоту применя-

184

ют в производстве синтетических смол, синтетических волокон, ин-сектицидов, красителей и других веществ.

В последнее время разработан способ получения цитрата изуглеводородов (н-парафинов) с помощью дрожжей рода Candida.Указанные дрожжи используют также для получения изоцитрата,а-кетоглутарата, фумарата, малата и сукцината.

9.6. Разложение целлюлозы и других органическихвеществ микроорганизмами

В состав целлюлозы входит более 50% всего органического углеродабиосферы, это наиболее распространенный полисахарид раститель-ного мира, высшие растения на 40—70% состоят из целлюлозы.В связи с большим количеством синтезируемой в природе целлюло-зы микроорганизмы, ее разлагающие, играют очень важную рольв процессе минерализации органического вещества и круговоротеуглерода.

Разнообразие микрофлоры, способной разлагать целлюлозу впочве, позволяет трансформировать это вещество в различных усло-виях аэрации, в кислой или щелочной среде при низких или высо-ких влажности и температуре. Для большинства микроорганизмов,разлагающих целлюлозу, характерна высокая специфичность по от-ношению к этому веществу. Разложение целлюлозы осуществляютаэробные микроорганизмы (бактерии и грибы) и анаэробные мезо-фильные и термофильные бактерии.

Аэробное разложение целлюлозы. Группа аэробных целлю-лозоразлагающих микроорганизмов наиболее богато представлена впочве. В 1918 г. X. Б. Хутчинсон и Дж. Клейтон выделили из почвыцеллюлозоразлагающую бактерию, имеющую вид длинной верете-нообразной палочки с острыми концами. Микроорганизму было да-но название Spirochaeta cytophaga. Сейчас эту бактерию относят к се-мейству Cytophagaceae, роду Cytophaga. Впоследствии были описаныдругие виды цитофаг. В настоящее время среди видов этого рода из-вестны формы, разлагающие хитин (рис. 39).

Бактерии рода Cytophaga очень требовательны к условиям сре-ды, обычно они в большом количестве встречаются в навозе и поч-вах, удобренных навозом. То же свойственно и представителям родаSporocytophaga, разлагающим целлюлозу. Последние отличаются отвидов рода Cytophaga способностью образовывать микроцисты.

В расщеплении целлюлозы принимают участие миксобактериипорядка Myxobacteriales, семейств Мухососсасеае (род Myxococcus),Archangiaceae (род Archangium), Sorangiaceae (роды Sorangium и Poly-angium), широко распространенные в почвах разных климатическихзон.

185

Рис. 39. Разложение фильтровальной бумаги в местах роста бактерий рода Cytophaga —слева; целлюлозное волокно, покрытое бактериями, — справа (по: С. Н. Виноградский)

В почвах встречаются представители рода Cellulomonas. Этоаэробные грамположительные подвижные палочковидные бактериинеправильной формы; с возрастом они иногда превращаются в кок-ки. Бактерии данного рода участвуют в разложении целлюлозы ваэробных условиях, однако способны и к анаэробному развитию.Встречаются эти бактерии в почвах, богатых минеральными форма-ми азота.

Могут усваивать целлюлозу единичные виды Pseudomonas(P. fluorescens var. cellulosae) и некоторых других бактерий. Актино-мицеты и грибы, обитающие в относительно бедных, кислых поч-вах, в аэробных условиях медленно разрушают целлюлозу. К актино-мицетам, разлагающим целлюлозу, относятся представители родовStreptomyces {Streptomyces cellulosae), Streptosporangium, Micromonospora(Micromonospora chalcea); к грибам — представители родов Fusarium,Chaetomium, а также отдельные виды — Trichoderma viride, Aspergillus

fumigatus, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Myrothecium verrucaria.В разрушении целлюлозы участвуют и хитридиомицеты, среди кото-рых много паразитов.

Анаэробное разложение целлюлозы. Большинство предста-вителей анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, найденныхв природе, относят к семейству Васillасеае, роду Clostridium. Эти ви-ды обитают в почвах, компосте, навозе, речном иле и сточных во-дах. Клостридии устойчивы к кислотности и распространены нетолько в нейтральных, но и кислых почвах. Типичный представи-тель рода, участвующий в разложении целлюлозы при температуре

186

30—40 °С, — Clostridium omelianskii. Впервые вид выделен известныммикробиологом В. Л. Омелянским в 1902 г. Этот микроорганизмимеет палочковидную форму (4—8 х 0,3—0,5 мкм), подвижен. Длянего характерны толстые споры, поэтому спорообразующая клеткасильно раздувается и становится похожей на барабанную палочку.Разлагать целлюлозу может и другой мезофильный вид — С. cellobio-pаrит.

Среди анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, встре-чающихся в почве, навозе и компостах, есть и термофилы. Они ак-тивно сбраживают целлюлозу. Так, оптимальная температура дляразвития С. thermocellum около 60 °С, биологический максимум при-ближается к 70 °С; при 40, 45 °С эта бактерия развивается слабо.К термофильным целлюлозоразлагающим анаэробам относится ивид Thermoanaerobacter ethanolicus, выделенный из горячих источни-ков. Мезофильные и термофильные анаэробные бактерии хорошоиспользуют целлюлозу, но на обычных средах, содержащих простыесахара, они развиваются слабо, плохо переносят даже незначитель-но повышенные концентрации Сахаров.

В рубце жвачных животных обитают специфичные облигат-ные анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии. Они вызываютразложение целлюлозы кормов до глюкозы, которая затем сбражи-вается с образованием органических кислот (уксусной, пропионо-вой, масляной, молочной, муравьиной, янтарной и др.), спиртов игазов (СО2 и Н2). Разложение целлюлозы в рубце животныхосуществляется при участии кокковидных и палочковидных бакте-рий: Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus, Bacteroides succino-genes, Butyrivibrio fibrisolvens, Ruminobacter parvum. Бактерии рубцаочень важны для нормального питания жвачных животных.

Кратко остановимся на биохимической стороне процесса рас-пада целлюлозы. Это линейный гомополисахарид, состоящий изсоединенных β-l,4-гликoзидными связями глюкозных остатков.Молекулярная масса полисахарида — до 500 000. В молекуле целлю-лозы может содержаться до 14 000 молекул β-D-глюкозы. Целлюлоз-ные волокна представляют собой пучки микрофибрилл и мицеллы(кристаллиты) — весьма плотно упакованные цепочки макромоле-кул, чередующиеся с некристаллическими или паракристаллически-ми участками. Последние в первую очередь подвергаются воздейст-вию ферментов микроорганизмов.

Разложение целлюлозы с помощью микроорганизмов прохо-дит в несколько этапов. Сначала идет ферментный гидролиз поли-мера. Ферментная система, осуществляющая разложение целлюлозыдо глюкозы, носит название целлюлазного комплекса. В его составвходят: эндо- β-1,4-глюканаза (1,4- β-D-глюкан-4-глюкогидролаза),экзо-1,4- β-глюканаза (целлобиогидролаза), экзо-1,4- β-глюкозидаза(1,4-D-глюкан-глюкогидролаза), целлобиаза ( β-глюкозидаза).

187

Процесс расщепления целлюлозы протекает следующим обра-зом: при действии на целлюлозу фермента эндоглюконазы образу-ются олигосахара различной степени полимеризации, а также цел-лобиоза. Затем под влиянием эндоглюканазы и целлобиогидролазыолигосахара гидролизуются до целлобиозы. Целлобиаза катализи-рует расщепление целлобиозы на две молекулы глюкозы. Все фер-менты целлюлазного комплекса бактерий, за исключением целлоби-азы, внеклеточные. При аэробном разложении целлюлозы из обра-зовавшейся глюкозы в основном получается два продукта — СО2 иН2О. Могут накапливаться и небольшие количества органическихкислот.

В последние годы у ряда анаэробных целлюлозоразлагающихбактерий были обнаружены на поверхности клеток высокомолеку-лярные мультисубъединичные протуберантные структуры, ответст-венные за разложение целлюлозы, получившие название целлюло-сом. Это связанный с поверхностью клетки комплекс, содержащийнабор целлюлолитических ферментов, а также белки, не имеющиеферментной активности. Входящие в комплекс ферменты представ-лены эндоглюканазами, а также ферментами, играющими основнуюроль в разложении целлюлозы. Комплекс обеспечивает прикрепле-ние клеток к целлюлозе и ее высокоэффективный гидролиз.

При анаэробном распаде целлюлозы первоначальный продуктее гидролиза — глюкоза в дальнейшем подвергается сбраживанию, врезультате чего возникает много органических веществ, состав кото-рых различается у отдельных культур микроорганизмов:

Мезофилы:Clostridium omelianskii Этанол, уксусная, молочная

и муравьиная кислоты, СО2, Н2

С. dissolvens Этанол, уксусная, молочнаяи масляная кислоты, СО2, Н2

С. cellobioparum Этанол, уксусная, муравьинаяи молочная кислоты, СО2, Н2

Термофилы:

С. thermocellum Этанол, уксусная, молочная,муравьиная кислоты, СО2, Н2

Thermoanaerobacter ethanolicus Этанол

Раньше считали, что при брожении целлюлозы образуется ме-тан СН4. Однако позднее было показано, что метан выделяется нев результате деятельности бактерий, использующих полисахариды,а вследствие жизнедеятельности вторичного бактериального насе-ления — микробного сообщества, утилизирующего продукты разло-жения целлюлозы. В конце этой пищевой цепи находятся метаноге-ны (архебактерии), продуктом жизнедеятельности которых являетсяметан.

188

Имеющиеся в растениях моно- и дисахариды, а также низко-молекулярные полисахариды (крахмал, инулин, камеди и т. п.) лег-ко разрушаются различными микроорганизмами.

Разложение гемицеллюлозы. Гемицеллюлозы наряду с лиг-нином и пектинами входят в состав межклеточного вещества расти-тельных тканей, в значительных количествах содержатся в древеси-не, соломе, кукурузных початках и т. д. Как и целлюлоза, они при-сутствуют в клеточной стенке. Кроме растений, гемицеллюлозыобнаружены у грибов и дрожжей, входят в состав внеклеточных по-лисахаридов.

Гемицеллюлозы — гетерополисахариды, состоящие из пентоз(ксилозы, арабинозы) или гексоз (глюкозы, маннозы, галактозы),что отражено в их названиях: пентозаны (ксилан или арабан), ман-наны, галактаны и т. д. Ксилан — полимер ксилозы — по содержа-нию в растениях занимает второе место после целлюлозы. Солома илуб содержат до 30% ксилана, древесина хвойных — 7—12, листвен-ных пород — 20—25%. Молекулы ксилана состоят из остатков β-D-ксилозы, соединенных 1,4-гликозидными связями. Многие геми-целлюлозы содержат также уроновые кислоты.

Перечисленные вещества активно разлагаются грибами,аэробными и анаэробными бактериями. В этих процессах участвуетзначительно больше видов микроорганизмов, чем в разложениицеллюлозы. Многие из них не очень специфичны и кроме полиса-харидов способны усваивать органические кислоты и многие прос-тые сахара.

Микробное население, участвующее в разложении гемицел-люлоз растений, очень разнообразно. Это связано с неодинаковымхимическим составом указанных полисахаридов у разных растений,что оказывает влияние и на характер конечных продуктов распада.К микроорганизмам, обладающим гемицеллюлозоразлагающимисвойствами, относят бактерии родов Clostridium, Bacillus, Cytophaga,Sporocytophaga (например, Sporocytophaga myxococcoides), Vibrio, Strep-tomyces; грибы родов Aspergillus, Rhizopus, Forties, Polyporus и др. Геми-целлюлозы в кислых почвах обычно разлагают грибы, в нейтральныхи щелочных — бациллы, Sporocytophaga и ряд других бактерий.

Большая молекулярная масса гемицеллюлоз не позволяет их мо-лекулам проникать через цитоплазматическую мембрану бактериаль-ной клетки. Молекулы должны быть превращены в простые соедине-ния сахара, и только тогда микроорганизмы смогут их использовать.

Ферменты, катализующие расщепление гемицеллюлоз, носятназвание гемицеллюлаз (ксиланаз). Многие микроорганизмы, обла-дающие способностью к синтезу целлюлазного комплекса, имеюти ксиланазу.

Первое время, после того как растительные остатки попадаютв почву, гемицеллюлозная фракция полисахаридов разлагается созначительной скоростью, затем процесс замедляется. Это, вероятно,

189

результат химической гетерогенности гемицеллюлозных фракций:одни разлагаются медленнее, другие — быстрее. Скорость превра-щения гемицеллюлоз микроорганизмами почвы зависит и от усло-вий среды — температуры, влажности, рН среды и т. д.

Разложение лигнина. Растения, особенно древесные, содер-жат большое количество лигнина во вторичных слоях клеточнойоболочки и как основной компонент в составе межклеточного ве-щества и вторичных слоях клеточной стенки. В молодых растенияхколичество лигнина относительно невелико, но с возрастом его со-держание в тканях увеличивается. Молодые травы содержат от 3 до6% лигнина (на сухое вещество), древесина разных деревьев — от 18до 30%. Вероятно, это соединение никогда не встречается в свобод-ном виде, обычно оно связано с полисахаридами.

Лигнин, содержащийся в растениях разных видов, родов и се-мейств растительного царства, химически неоднороден. Даже в од-ном растении в зависимости от фазы развития химический составлигнина может меняться.

Молекулярная масса лигнина 1000—10 000, он нерастворим вводе и в большинстве органических растворителей. Молекула лиг-нина содержит только три элемента — углерод, водород и кислород,однако это весьма сложное соединение, состоящее из большогочисла полимеризованных мономерных блоков, которые представля-ют собой производные фенилпропана. Главный мономер лигнина —конифериловый спирт, он составляет скелет лигнина хвойных по-род. Лигнин лиственных пород состоит из кониферилового и сина-пового спиртов, лигнин злаковых растений имеет еще и кумаровыйспирт.

Лигнин устойчив к воздействию микроорганизмов, разлагаетсязначительно медленнее, чем целлюлоза и гемицеллюлоза. В аэроб-ном разложении лигнина могут принимать участие многие предста-вители класса Basidiomycetes. Так, при умеренной температуре лиг-нин усваивают многие высшие грибы родов Clavaria, Armillariella,Fomes, Polystictus, Polyporus и Ustilina. Активны по отношению к лиг-нину Fusarium lactis, F. nivala, Trichoderma lignorum, Alternaria tenuis,Stremphylium botryosum.

В почве есть аэробные бактерии рода Pseudomonas, участвую-щие в термофильном разложении лигнина. Бактерии рода Clostridi-um разлагают это соединение в анаэробных условиях. Считают, чтолигнин может трансформироваться и актиномицетами.

Лигнин деполимеризуется до простых ароматических веществ,таких, как ванилин и другие метоксилированные ароматическиеструктуры. Ферментная система микроорганизмов, воздействую-щих на лигнин, внеклеточная и представлена лигниназами — спе-цифичными пероксидазами. В связи с тем что лигнин разрушается

190

относительно медленно, он накапливается в почве, и продукты раз-ложения служат основой при образовании гумусовых веществ.

Разложение пектиновых веществ. Межклеточные веществарастительных тканей — пектины — найдены в так называемых сре-динных пластинках, расположенных между отдельными клеткамитканей растений. Первичные и вторичные клеточные стенки такжесодержат полисахариды пектинового типа. Пектиновые вещества —сложные полисахариды, полигалактурониды, это неразветвленныеполимеры, состоящие из остатков D-галактуроновых кислот, соеди-ненных 1,4-гликозидными связями.

Существуют три типа пектиновых веществ: протопектин —водонерастворимая составная часть клеточной стенки; пектин — во-дорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащей метил-эфирные связи; пектиновая кислота — водорастворимый полимергалактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей. Пек-тиновая кислота образована длинными цепочками галактуроновыхкислот, способных после обработки кальциевыми солями к форми-рованию твердого пектинового геля.

Бактерии и грибы воздействуют на пектин, протопектин и пек-тиновую кислоту в аэробных и анаэробных условиях. В почве обна-ружено большое число микроорганизмов, разлагающих пектиновыевещества (до 1 млн клеток на 1 г почвы). Высокой пектинолитиче-ской активностью обладают представители семейства Ваcillасеае —аэробные бактерии рода Bacillus (В. macerans, В. polymyxa) и ана-эробные рода Clostridium (С. pectinovorum, С. felsineum, С. aurantibu-tyricum, С. pectinolyticum, С. соralliпит, С. flavum и др.), а также мно-гие грибы. Пектины разлагаются и под влиянием фитопатогенныхгрибов (Botrytis cinerea, Fusarium oxysporum f. lycopersici) и бактерийErwinia carotovora), использующих эту свою способность для про-никновения в ткани растений.

Микроорганизмы синтезируют следующие экзоферменты (эс-теразы и деполимеразы), катализующие распад пектиновых веществ:

• протопектиназу, участвующую в разложении протопектинас образованием растворимого пектина;

• пектинэстеразу, гидролизующую метилэфирную связь пек-тина с образованием пектиновой кислоты и метиловогоспирта;

• пектиназу (полигалактуроназу), разрушающую связи междуотдельными составляющими галактуроновой кислоты, пек-тина или пектиновой кислоты с образованием небольшихцепочек и в конечном счете свободной D-галактуроновойкислоты.

При гидролизе пектиновой кислоты пектиназой на первыхэтапах аккумулируются только небольшие количества свободнойD-галактуроновой кислоты. Обычно при участии ферментов разла-

191

гаются ди-, три-, тетра- и пентагалактуроновые кислоты. В после-дующих этапах гидролиза длинные молекулы распадаются под влия-нием каталитической деятельности пектиназы и накапливаютсясвободная D-галактуроновая кислота и другие соединения.

Распад пектиновой кислоты может быть выражен следующейсхемой:

Продукты распада пектиновой кислоты (галактоза, арабинозаи др.) подвергаются окислению или сбраживанию при воздействииразнообразных микроорганизмов. При анаэробиозе это маслянокис-лые бактерии, относящиеся к роду Clostridium (С. pectinovorum,С. felsineum и др., рис. 40). Продуктами распада С. pectinovorum слу-жат масляная и уксусная кислоты, а также газы Н2 и СО2, а в куль-туре С. felsineum кроме указанных веществ образуется и небольшоеколичество ацетона и бутанола.

Разложение пектиновых веществ наблюдается при мочке лу-боволокнистых растений — льна, конопли, кенафа, джута, канатни-ка и др. Целлюлозные волокна указанных растений склеены с окру-жающими их тканями пектином. Для отделения волокон необходи-мо разложение пектина, для чего используют пектинолитическоедействие ферментов анаэробных бактерий.

При водной мочке после погружения в воду стебли льна набу-хают. При этом экстрагируются водорастворимые вещества (сахара,глюкозиды, таннины, растворимые соединения азота и пигменты) иначинают развиваться бактерии. Сначала размножаются аэробныеформы, так как вода содержит кислород и питательные вещества,способствующие их развитию. Дрожжи и плесневые грибы развива-

ются на поверхности среды. По-глощение аэробными микроорга-низмами из жидкости кислородаобусловливает создание в средеанаэробных условий. Начинают раз-виваться факультативно анаэроб-ные бесспоровые бактерии, близ-кие к Escherichia coli. Постепеннов среде накапливаются органиче-ские кислоты (в том числе молоч-ная) и выделяются газы СО2 и Н2.

Отделение волокон происхо-дит во время основной стадии бро-жения, когда анаэробные бактерии

192

тиna С. pectinovorum начинают расщеплять пектин. Накопление ор-ганических кислот приводит к прекращению деятельности С. pecti-novorum. Последнего сменяет более кислотоустойчивый микроорга-низм С. felsineum. В результате воздействия ферментов микроорга-низмов двух указанных видов на пектиновые вещества паренхимнойткани от коры и древесины отделяются пучки волокон.

На льнозаводах тепловую мочку льноволокна выполняют вособых чанах — мочилах при 32—38 °С в течение трех—пяти суток.Для ускорения мочки и увеличения выхода длинного волокна пред-ложен препарат пектолитин, содержащий споры активного пектин-разлагающего микроорганизма — С. felsineum. Внесение пектолити-на в мочильную жидкость приводит к ускорению процесса в сред-нем на 27%, повышается и выход длинного волокна, его качество.В производство льняного волокна внедряют также препараты пекто-литических ферментов.

Применяют и аэробную мочку льна и других лубоволокнис-тых культур. В этом случае пектиновые вещества разрушаютсяаэробными микроорганизмами. Предварительно пектиновые веще-ства гидролизуются до галактуроновых кислот, галактозы, арабино-чы, ксилозы, уксусной кислоты и метанола, а затем начинаетсяокисление (бактериями, дрожжами, грибами) возникших соедине-ний до СО2 и Н2О.

Существует несколько способов аэробной мочки льна. Рас-стил, или росяная мочка, — самый старый и наиболее примитивныйбиологический способ получения волокна. При этом лен в осеннеевремя года расстилают на траве. Широкий доступ воздуха, система-тичное и порой длительное отсутствие влаги, воздействие света иатмосферных осадков, суточные колебания температуры обусловли-вают длительность процесса (три—восемь недель) и преобладание внем не бактерий, а плесневых грибов. Насчитывают до 80 видовгрибов, участвующих в росяной мочке. Первое время после рассти-ла стеблей на траве наблюдается развитие бактерий, а затем преоб-ладают грибы — Rhizopus, Aureobasidium, Alternaria и Gonatobotrys.Развитие перечисленных представителей грибов указывает на опти-мальную степень мочки льносоломы. Видовой состав микрофлорыпри мочке определяется географическими и почвенно-климатиче-скими условиями. При мочке расстилом существует опасность, чтомногие грибы (например, Cladosporium herbarum, Trichoderma lig-norum), появляющиеся на льносоломе после Rhizopus, Alternaria идругих, разрушат целлюлозу, т. е. волокно. Особенно часто это про-исходит при перележивании разостланной соломы.

В благоприятных атмосферных условиях (теплая и влажнаяпогода), сочетающихся с тщательным уходом за соломой (защита отспутывания, переворачивание рядков, своевременная уборка состлища), расстил дает вполне удовлетворительное по качеству и вы-ходу волокно.

7 Микробиология 193

Контрольные вопросы и задания

1. Какие микроорганизмы служат возбудителями молочнокислого брожения?2. В чем сущность пропионовокислого брожения? 3. Чем отличается окисле-ние углеводов при участии микроорганизмов от различного типа брожений?

Глава 10 Превращение микроорганизмамисоединений азота

От азотного питания растений во многом зависит величинаурожая сельскохозяйственных культур. Большинству растений не-доступен газообразный азот, в огромном количестве находящийсяв воздухе, а из разнообразных азотных соединений, встречающихсяв почве, они могут усваивать только минеральные. Поэтому стольважен вопрос о превращениях соединений азота в почве под воздей-ствием микроорганизмов.

Превращения азота и содержащих этот элемент соединений впочве довольно сложны, но в них можно выделить основные на-правления, определяющие круговорот азота в природе:

194

Некоторую часть атмосферного азота связывают свободножи-вущие или находящиеся в симбиозе с растениями микроорганизмы.Данный процесс обогащает азотом и почву, и растения. Органиче-ские азотсодержащие соединения в тканях растений и животных,попадая в почву, подвергаются минерализации до аммонийных со-единений. Часть растительных остатков трансформируется в темно-

окрашенное, содержащее азот вещество, — гумус.Аммонийная форма азота подвергается в почве окислению

нитрифицирующими бактериями с образованием солей азотнойкислоты. При определенных условиях нитраты могут восстанавли-ваться до молекулярного азота и улетучиваются из почвы. Значи-тельное количество азотсодержащих соединений микроорганизмыассимилируют, а азот в органических формах практически недосту-пен растениям.

Приведенные примеры показывают, что микроорганизмыспособны вызывать как мобилизационные процессы и накапливатьдоступные для растений минеральные азотсодержащие вещества,гак и диаметрально противоположные им — иммобилизационные,обедняющие почву ценными для растений соединениями.

10.1. Минерализация азотаСреди органических соединений, составляющих клетку, первое мес-то по количеству занимают белки — на их долю приходится не ме-нее 50% сухой массы клетки. Значительная часть белков попадаетв почву с остатками отмерших растений, животных и микроорга-низмов. При разложении белков и других азотсодержащих соедине-ний в почве при участии микроорганизмов азот освобождается в ви-де аммиака. Указанный процесс называют аммонификацией, или ми-нерализацией азота.

Белки подвергаются разложению как аэробными, так и анаэ-робными бактериями, а также актиномицетами и грибами. Осо-бенно активны представители семейства Pseudomonadaceae, родаPseudomonas (P. fluorescens, P. aeruginosa), семейства ВасШасеае, родаBacillus (В. mycoides, В. cereus, В. subtilis) и рода Clostridium (С. spo-rogenes, С. putrificus) (рис. 41), семейства Enterobacteriaceae, рода Pro-teus (P. vulgaris) и др.

В состав белков обычно входит 20 ос-аминокислот. Аминокис-юты в полимерной цепи белка располагаются так, что конец одной

аминокислоты связан с началом другой пептидной связью. Такиеполимерные молекулы, называемые полипептидными цепями, со-держат до сотен аминокислотных звеньев. Белковая молекула вклю-чает одну или несколько полипептидных цепей. По составу белкиподразделяют на простые и сложные. При гидролизе простых бел-

195

Рис. 41. Аммонифицирующие бактерии:А — Bacillus sp.; Б — Bacillus cereus; В — Clostridium sp. (по: С. Робиноу)

ков образуются только аминокислоты, сложных — как аминокисло-ты, так и другие органические и неорганические продукты. Небел-ковая (не содержащая аминокислот) часть молекулы сложного белка —это его простетическая группа. В зависимости от ее состава слож-ные белки называют нуклеопротеидами, липопротеидами, металло-протеидами и гликопротеидами.

Молекулы белков и большинства пептидов велики и не могутпроходить через цитоплазматическую мембрану микроорганизмов.Поэтому они расщепляются экзоферментами. Протеолитическиеферменты, или протеазы, выделяемые клетками микроорганизмов вокружающую среду, осуществляют гидролиз ряда пептидных связейв молекулах белков. Образующиеся при этом частицы белковой мо-лекулы (полипептиды и олигопептиды) поступают внутрь клетокмикроорганизмов, где разрушаются внутриклеточными протеолити-

196

ческими ферментами — пептидазами до свободных аминокислот.Последние используются для синтеза белков клетки или подверга-ются дальнейшему расщеплению.

Внутриклеточное или внеклеточное расщепление аминокис-лот может идти следующими четырьмя путями:

Аминокислоты минерализуются с различной скоростью. Не-которые из них (треонин, метионин) более устойчивы, другие (ар-гинин, триптофан), наоборот, разлагаются легко. После дезами-нирования углеродный остаток подвергается воздействию микробовк аэробных или анаэробных условиях до образования СО, и различ-ных органических соединений. Если в среде есть амиды, то перво-начально они разлагаются до аминокислот и только затем уже могутбыть трансформированы тем или иным путем. Например, аспарагинпод действием фермента аспарагиназы превращается в аспарагино-вую кислоту:

При аэробном распаде белка основными конечными продук-тами процесса бывают СО2, аммиак, сульфаты и вода. В анаэробныхусловиях при распаде белка образуются аммиак, амины, СО2, орга-нические кислоты (жирные и ароматические — бензойная, ферули-новая и др.), меркаптаны, а также вещества с неприятным запахом —индол, скатол и сероводород.

При анаэробном разрушении белков могут образовыватьсятоксичные соединения, в частности первичные амины (диамины)или птомаины. К числу последних относят кадаверин, который по-лучается из лизина:

Накапливающиеся в анаэробных условиях в почве продуктыразложения белков фитотоксичны, поэтому они нередко угнетающедействуют на растения и снижают урожайность.

При разрушении сложных белков сначала освобождаются ос-новные составляющие — белок и связанная с ним простатическая

197

группа. В дальнейшем эти соединения (каждое самостоятельно) под-вергаются более глубокой трансформации.

Разложение нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты вхо-дят в состав нуклеопротеидов. Последних особенно много в клеточ-ных ядрах. Нуклеиновые кислоты — РНК и ДНК — органическиевещества большой молекулярной массы, представляющие собой по-лимеры. При их гидролизе освобождаются пуриновые и пиримиди-новые соединения, сахар и фосфорная кислота. Сахар в РНК пред-ставлен рибозой, в ДНК — дезоксирибозой. Пурины — аденин и гу-анин найдены как в молекулах РНК, так и в молекулах ДНК. Изпиримидинов — цитозин обнаружен в РНК и ДНК, урацил только вРНК, а тимин — только в ДНК.

Длинные молекулы нуклеиновых кислот при разложении де-полимеризуются. Сначала отщепляются небольшие фрагменты, ко-торые затем распадаются на отдельные мононуклеотиды. Процессрасщепления идет при участии ферментов рибонуклеазы и дезокси-рибонуклеазы, синтезируемых некоторыми видами грибов, актино-мицетами и рядом бактерий. На следующем этапе от мононуклеоти-дов под воздействием нуклеотидаз отщепляется фосфорная кислота,затем — сахар, пуриновые и пиримидиновые основания.

В зависимости от типа обмена веществ микроорганизмов сахарв дальнейшем может окисляться кислородом до СО2 и Н2О или под-вергаться брожению с образованием органических кислот и спир-тов. Азотсодержащие основания разлагаются до мочевины и амино-кислот и в конце концов до аммиака и органических кислот.

Разложение мочевины. К азотсодержащим органическим со-единениям, часто встречающимся в природе, относятся мочевина,мочевая и гиппуровая кислоты. Мочевина присутствует в моче че-ловека и животных, ее могут синтезировать почвенные грибы. Так,до 13% сухой массы плодовых тел шампиньонов составляет мочеви-на. Это же соединение образуется при гидролитическом распаде ар-гинина под действием фермента аргиназы:

На земном шаре за год организмы синтезируют до 30 млн тмочевины, что составляет существенные ресурсы азота: мочевинасодержит 46% этого элемента и используется как удобрение. Поддействием микроорганизмов, содержащих фермент уреазу, мочевина •в несколько этапов превращается в аммиак и диоксид углерода:

CO(NH2)2 + 2Н2О -----> (NH 4 ) 2 CO 3

Мочевина

198

Образующаяся на первом этапе углеаммиачная соль малоус-ойчива и быстро разлагается:

(NH4)2CO3 = 2NH3 + СО2 + Н2О

Многие бактерии и грибы, синтезирующие уреазу, могут ис-пользовать мочевину как источник азота для синтеза белков. Обычнобактерии, разлагающие мочевину, называют уробактериями. Эти орга-низмы могут развиваться при высокой щелочности среды (рН 9—10),что позволяет им вызывать распад значительного количества моче-вины до аммиака. Из специфических уробактерий наиболее важны:Micrococcus urea из семейства Micrococcaceae, Bacillus pasteurii из се-мейства Bacillaceae, а также Sporosarcina urea.

Физиологический смысл распада мочевины, по-видимому,сводится к переводу аминной формы азота в более легкоусвояемуюаммиачную.

Разложение мочевой и гиппуровой кислот. Мочевая и гиппу-ровая кислоты также играют важную роль в белковом обмене мле-копитающих, пресмыкающихся, насекомых и птиц. В экскрементахзмей содержится до 90% мочевой кислоты, а в помете птиц — 25%.В моче млекопитающих содержание мочевой кислоты незначитель-но. Мочевая и гиппуровая кислоты быстро распадаются под влия-нием гидролитических ферментов ряда микроорганизмов:

Разложение мочевой кислоты в местах скопления пометаптиц (гуано) в условиях засушливого климата приводит к накоп-лению нитратов. Образующийся в таких местах в массе аммиак под-вергается окислению нитрифицирующими бактериями. В связис низкой влажностью нитраты из гуано не вымываются, а накапли-ваются. Все это обусловило возникновение богатых залежей нитра-тов в Чили, Перу, Южной Африке и на островах Карибского моря.Гуано содержит 9% азота, 13% фосфорной кислоты, калий, каль-ций, различные микроэлементы, поэтому используется как удобре-ние в сельском хозяйстве.

Разложение цианамида кальция. Цианамид кальция (CaCN2)используют как азотное удобрение, которое растения самостоя-

тельно не ассимилируют, но в почве оно быстро превращается в ам-миак. Разложение цианамида кальция проходит в три этапа. Первыйротекает самопроизвольно под влиянием почвенной влаги до обра-ования цианамида. Ряд почвенных катионов (Са, Mn, Fe и т. д.)

199

вызывает превращение цианамида в мочевину. Далее гидролиз мо-чевины происходит под влиянием уробактерий:

CaCN 2 + 2Н2О > H 2 CN 2 + Са(ОН)2

H 2 CN 2 + Н2О > CO(NH 2 ) 2

CO(NH 2 ) 2 + Н2О > 2NH 3 + СО2

Разложение хитина. Разложение хитина осуществляют мно-гие почвенные микроорганизмы, он постоянно присутствует в поч-ве. Это азотсодержащий полисахарид, полимер ацетилглюкозамина.Хитин содержится в наружном скелете беспозвоночных животных,в панцирных покровах насекомых, в клеточной стенке многих гри-бов, в частности базидиомицетов и аскомицетов.

Способностью разлагать хитин обладают около 50 видов бак-терий родов Pseudomonas, Flavobacterium, Bacillus, Cytophaga, Strepto-myces, Nocardia и Micromonospora. Из грибов активно воздействуютна это вещество мукоровые грибы и аспергиллы (Aspergillus fumiga-tus), а также Mortierella. Особенно легко разлагается хитин актино-мицетами. Известны и миксобактерии, усваивающие хитин, напри-мер скользящая бактерия Chitinophaga pinensis.

Под действием синтезируемого микроорганизмами ферментахитиназы хитин вначале разлагается на хитобиозу и хитотриозу, по-путно образуется небольшое количество N-ацетилглюкозамина.Затем хитобиоза и хитотриоза расщепляются в присутствии хитоби-азы до уксусной кислоты, глюкозы и аммиака.

10.2. НитрификацияАммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении ор-ганических веществ, довольно быстро окисляется до азотистой, а за-тем азотной кислоты. Такой процесс называют нитрификацией.

До середины XIX в., точнее, до работ Л. Пастера явление об-разования нитратов объясняли как химическую реакцию окисленияаммиака атмосферным кислородом, причем предполагалось, что поч-ва в этом процессе играет роль катализатора. Л. Пастер предположил,что образование нитратов — микробиологический процесс. Первыеэкспериментальные доказательства его гипотезы были полученыТ. Шлезингом и А. Мюнцем в 1879 г. Исследователи пропускалисточные воды через длинную колонку с песком и СаСО3. При фильт-рации аммиак постепенно исчезал и появлялись нитраты. Нагреваниеколонки или внесение антисептиков прекращало окисление аммиака.

Однако выделить культуры возбудителей нитрификации неудалось ни упомянутым исследователям, ни микробиологам, продол-жавшим изучение нитрификации. Лишь в 1890—1892 гг. С. Н. Вино-градский, применив особую методику, изолировал чистые культурынитрификаторов. Ученый предположил, что нитрифицирующие бак-

200

терии не растут на обычных питательных средах, содержащих орга-нические вещества, это объяснило неудачи его предшественников.

Действительно, нитрификаторы оказались хемолитоавтотро-фами, т. е. бактериями, использующими энергию окисления амми-ака или азотистой кислоты для синтеза органических веществ изСО2 (хемосинтез). Поэтому их клетки очень чувствительны к при-сутствию в среде органических соединений. Нитрифицирующиебактерии удалось выделить на минеральных питательных средах.

С. Н. Виноградский установил, что существуют две группы ни-трификаторов: одна осуществляет окисление аммиака до азотистойкислоты (NH+

4 > NO-

2) — первая фаза н и т р и ф и к а ц и и , дру-гая — окисление азотистой кислоты до азотной (NO-

2 > NO-

3) —вторая фаза н и т р и ф и к а ц и и .

Представителей обеих групп относят к семейству Nitrobacte-riaceae. Это одноклеточные грамотрицательные бактерии. Среди ни-трифицирующих бактерий есть палочковидные клетки, эллиптиче-ские, сферические, извитые и дольчатые, плеоморфные. Размерыклеток колеблются от 0,3 до 1 мкм в ширину и от 1 до 3 мкм в дли-ну. Существуют подвижные и неподвижные формы с полярным,субполярным и перитрихальным жгутикованием.

Размножаются бактерии-нитрификаторы в основном делением,зa исключением Nitrobacter, для которого характерно почкование. По-чти у всех нитрификаторов хорошо развита система внутрицитоплаз-матических мембран, значительно различающихся по форме и распо-ложению в клетках отдельных видов. Мембраны цитоплазмы подоб-ны мембранам фотосинтезирующих пурпурных бактерий.

Бактерии первой фазы нитрификации представлены ро-дами: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitroso-vibrio. Наиболее детально к настоящему времени изучен Nitrosomonaseuropaea (рис. 42, А). Он представляет собой короткие овальные па-лочки размером 0,8—1 х 1—2 мкм. В жидкой культуре клетки Ni-

trosomonas проходят ряд стадий развития. Две основные из них пред-ставлены подвижной формой и неподвижными зооглеями. Подвиж-ная форма обладает субполярным жгутиком или пучком жгутиков.

Описаны представители и других родов бактерий, вызываю-щих первую фазу нитрификации.

Вторую фазу нитрификации осуществляют представителиродов Nitrobacter, Nitrospira и Nitrococcus. Наибольшее число ис-следований проведено с Nitrobacter winogradskyi (рис. 42, Б), однакоописаны и другие виды (например, Nitrobacter agilis). Клетки нитро-бактepa имеют удлиненную, клиновидную или грушевидную фор-

му, более узкий конец часто загнут в клювик, размеры клеток —0,6—0,8 х 1—2 мкм. При почковании дочерняя клетка обычно под-вижна, так как имеет один полярный жгутик. Известно чередованиев цикле развития подвижной и неподвижной стадий.

201

Рис. 42. Нитрифицирующие бактерии:А — Nitrosomonas europaea; Б — Nitrobacter winogradskyi

Описаны и другие виды бактерий, вызывающие вторую фазунитрификации.

Нитрифицирующие бактерии культивируют на простых мине-ральных средах, содержащих аммиак или нитриты (окисляемые суб-страты) и диоксид углерода (основной источник углерода). Источникомазота для этих организмов служат аммиак, гидроксиламин и нитриты.

Нитрифицирующие бактерии развиваются при рН 6,0—8,6, оптимум реакции среды составляет рН 7,5—8,0. При значенияхниже рН 6 и выше рН 9,2 бактерии не развиваются. Оптимальнаятемпература для развития нитрификаторов 25—30 °С. Изучение от-ношения различных штаммов Nitrosomonas europaea к температурепоказало, что некоторые из них имеют оптимум развития при 26 °Сили около 40 °С, другие способны довольно быстро расти при 4 °С.

Нитрификаторы — облигатные аэробы1. Используя кислородвоздуха, они окисляют аммиак до азотистой кислоты (первая фазанитрификации):

NH+

4 + 3/2О2 > NO2

- + Н2О + 2H+

1 В последние годы обнаружена способность бактерий к анаэробномуокислению аммиака. Этот процесс, получивший название «анаммокс» (Ап-аттох), играет важную роль при очистке сточных иод. Осуществляющие егобактерии относятся к группе планктомицетов. (Прим. ред.)

202

а затем азотистую кислоту до азотной (вторая фаза нитрификации):

NO2

- + 1/2О2 > NO3

-

Следовательно, аммиак — продукт жизнедеятельности ам-монифицирующих бактерий — использует для получения энергииNitrosomonas, а нитриты, образующиеся в процессе жизнедеятель-ности последних, служат источником энергии для Nitrobacter.

Согласно современным представлениям, процесс нитрифи-кации осуществляется на цитоплазматической и внутрицитоплазма-тических мембранах и проходит в несколько этапов. Первым про-дуктом окисления аммиака становится гидроксиламин, затем пре-вращающийся в нитроксил (NOH) или пероксонитрит (ONOOH),последний, в свою очередь, преобразуется в дальнейшем в нитрит,а нитрит в нитрат. Весь процесс нитрификации иллюстрирует сле-дующая схема:

Нитроксил, как и гидроксиламин, по-видимому, может диме-ризоваться в гипонитрит или превращаться в закись азота N2O —побочный продукт нитрификации. Кроме первой реакции (образо-вания гидроксиламина из аммония), все последующие превращениясопровождаются синтезом макроэргических связей в виде АТФ.

Нитрификаторы осуществляют фиксацию СО2 через восста-новительный пентозофосфатный цикл (цикл Кальвина). В результа-те последующих реакций образуются не только углеводы, но и дру-гие важные для бактерий соединения — белки, нуклеиновые кисло-ты, жиры и т. д.

Долгое время нитрифицирующих бактерий относили к облигат-ным хемолитоавтотрофам. Позднее были получены данные о спо-собности этих бактерий использовать некоторые органические ве-щества. Так, отмечено стимулирующее действие на рост Nitrobacterнитрита, дрожжевого автолизата, пиридоксина, глутаминовой кис-лоты и серина. Предполагают, что некоторые нитрифицирующиебактерии обладают способностью переключаться с автотрофного нагетеротрофное питание. Однако нитрификаторы не растут на обыч-ных питательных средах, так как большое количество легкоусвояе-мых органических веществ, содержащихся в таких средах, задержи-вает их развитие. Однако в природе такие бактерии хорошо развива-ются в черноземах, навозе, компостах, т. е. в местах, где содержитсямного органического вещества.

203

Указанное противоречие оказывается несущественным, еслисравнивать количество легкоокисляемого углерода в почве с темиконцентрациями органического вещества, которые нитрификаторыдолжны выдерживать в культурах. Так, органическое вещество почвпредставлено главным образом гуминовыми веществами, на кото-рые приходится в черноземе 71—91% общего углерода, а легко усво-яемые водорастворимые органические вещества составляют не бо-лее 0,1% общего углерода. Следовательно, нитрификаторы не встре-чают в почве больших количеств легкоусвояемого органическоговещества.

Накопление нитратов происходит с неодинаковой интенсив-ностью на разных почвах. Чем богаче почва, тем больше соедине-ний азотной кислоты она может накапливать. Существует метод оп-ределения доступного растениям азота в почве по показаниям еенитрификационной способности. Следовательно, интенсивностьнитрификации можно использовать для характеристики агрономи-ческих свойств почвы.

Вместе с тем при нитрификации происходит лишь перевододного питательного для растений вещества — аммиака в другуюформу — азотную кислоту. Нитраты, однако, обладают некоторыминежелательными свойствами. В то время как ион аммония поглоща-ется почвой, соли азотной кислоты легко вымываются из нее. Кро-ме того, нитраты восстанавливаются в результате денитрификациидо N2, что также обедняет азотный запас почвы. Все перечисленноесущественно снижает коэффициент использования нитратов расте-ниями.

В растительном организме соли азотной кислоты перед вклю-чением в синтез должны быть восстановлены, на что тратится энер-гия. Аммоний же используется непосредственно. В связи с этимученые поставили вопрос о возможности искусственного сниженияинтенсивности нитрификации при помощи специфических ингиби-торов, подавляющих активность бактерий-нитрификаторов и без-вредных для других организмов. Уже предложены многочисленныепромышленные препараты ингибиторов нитрификации (2-хлор-6-(трихлорметил)-пиридин, нитропирин и др.), синтезированные напиридиновой основе. Ингибиторы нитрификации подавляют толькопервую фазу нитрификации и не действуют на вторую, а также нагетеротрофную нитрификацию. При применении ингибиторов ни-трификации (нитропирин) эффективность азотных удобрений по-вышается с 50 до 80%.

Гетеротрофная нитрификация. Способны осуществлять ни-трификацию и некоторые гетеротрофные микроорганизмы. К нимотносятся бактерии из родов Pseudomonas, Arthrobacter, Corynebacteri-ит, Nocardia и отдельные виды грибов из родов Fusarium, Aspergillus,Penicillium, Cladosporium. Установлено, что Arthrobacter sp. в присут-

204

ствии органических субстратов вызывает окисление аммиака с обра-зованием гидроксиламина, а затем нитрита и нитрата. Некоторыебактерии вызывают нитрификацию таких азотсодержащих органи-ческих веществ, как амиды, амины, гидроксамовые кислоты, нитро-соединения (алифатические и ароматические), оксимы и др. Однакосчитают, что гетеротрофная нитрификация не служит источникомэнергии для перечисленных организмов.

Гетеротрофная нитрификация встречается в естественных ус-ловиях (почвах, водоемах и других субстратах). Она может приобре-тать главенствующее значение, особенно в атипичных условиях (на-пример, при высоком содержании органических С- и N-соединенийв щелочной почве и т. п.). Гетеротрофные микроорганизмы не толь-ко способствуют окислению азота в таких условиях, но и вызываютобразование и накопление токсичных веществ, соединений канце-рогенного и мутагенного, а также химиотерапевтического действия.В связи с тем что некоторые из перечисленных соединений вредныдля человека и животных даже в относительно низких концентраци-ях, тщательно изучают возможность их образования в природе.

10.3. Иммобилизация азота

При определенных условиях имеющиеся в почве минеральные фор-мы азота переходят в недоступные для растений соединения. Одиниз таких процессов возникает вследствие бурного развития микро-организмов, которые потребляют азот и переводят его в белок цито-плазмы. Подобный процесс называют иммобилизацией азота.

Биологически закрепленный азот не теряется из почвы. Послеотмирания микроорганизмов белковые вещества минерализуютсяи превращаются в аммиак.

Иммобилизация азота наблюдается, например, при внесениив почву значительной массы соломы или соломистых удобрений. В ре-зультате иммобилизации использование азота растениями заметноснижается, что приводит к уменьшению урожая. Таким образом, им-мобилизация представляет собой процесс, обратный минерализации.

Установлено, что превращение азотсодержащих соединенийпо пути минерализации или, наоборот, иммобилизации полностьюопределяется соотношением азота и углерода в органическом вещест-ве, вносимом в почву. Если субстрат имеет узкое соотношение С : N,то при его разложении накапливается аммиак, поскольку микроор-ганизмам не хватает углеродсодержащих соединений для ассимиля-ции азота. Так, соотношение С : N сушеной крови животных равно4,2 : 1, поэтому при ее распаде в почве образуется много аммиака.При внесении в почву массы, богатой углеводами и бедной азотом,происходит потребление минерального азота. Например, в соломезерновых культур соотношение С : N приближается к 100 : 1. По-

205

этому вследствие внесения соломы в почву наблюдается «биологи-ческое закрепление» минерального азота.

Скорость и размеры ассимилируемого микробами азота связа-ны и с типом угдеродсодержащего соединения. Так, глюкоза, легкоиспользуемая микроорганизмами, может вызвать значительно болеебыстрое закрепление азота, чем целлюлоза или тем более лигнин.В общем можно считать, что органические соединения с соотноше-нием С : N, близким к 20—25 : 1 и менее, способствуют накопле-нию минеральных форм азота в почве, а вещества с более широкимсоотношением этих элементов вызывают иммобилизацию азотныхзапасов.

Экспериментальные данные показывают, что в среднем накаждые 100 г разложенного органического вещества (50 г С) микро-организмы потребляют 2 г азота (С : N = 25). Следовательно, еслисодержание азота в органическом веществе разлагающихся расти-тельных остатков составляет менее 2%, он будет полностью иммобили-зован клетками микробов, а при большем его количестве (С : N < 25)станет накапливаться аммоний.

Зная условия иммобилизации неорганического азота, можносделать важные агротехнические выводы. Так, удобрять почву, пред-назначенную под зерновые культуры, растительными остатками,бедными азотом, опытный агроном не станет, так как это ухудшаетазотное питание растений. Соломистые удобрения он будет вноситьв почву лишь с добавлением соответствующих доз азотных удобрений.

В осеннее время года иммобилизация полезна, так как нитра-ты и аммиак связываются и не теряются в результате выщелачива-ния зимой. Весной азот, входящий в состав микробной клетки, час-тично минерализуется и превращается в аммиак и нитраты, которыезатем используют растения. Интересно, что бобовые растения, ко-торые существуют в симбиозе с бактериями, фиксирующими атмос-ферный азот, не испытывают депрессии от внесения соломистыхудобрений. Наоборот, последние увеличивают их урожай и способ-ствуют лучшему азотонакоплению.

10.4. Денитрификация

В почве совершается ряд процессов, в результате которых окислен-ные формы азота (нитраты, нитриты) восстанавливаются до оксидовазота или молекулярного азота. Это приводит к существенным поте-рям из почвы ценных для растений соединений. Восстановлениенитратов и нитритов до газообразных азотных соединений происхо-дит в результате прямой и косвенной денитрификации. Под прямойденитрификацией подразумевают биологическое восстановление ни-тратов, а под косвенной — химическое их восстановление.

206

Микроорганизмы обладают способностью восстанавливатьнитраты в процессах как биосинтеза, так и катаболизма. Восстанов-ление нитратов, осуществляемое при биосинтезе и приводящее кобразованию азотсодержащих клеточных компонентов, носит назва-ние ассимиляционной нитратредукции. Такой процесс способны вы-полнять растения и многие микроорганизмы. В процессе диссими-ляционной нитратредукции, или денитрификации, нитраты использу-ются как окислители органических веществ вместо молекулярногокислорода, что обеспечивает микроорганизмы необходимой энерги-ей. При этом происходит восстановление нитратов до таких конеч-ных газообразных продуктов, как NO, N2O или N2 (в зависимостиот вида микроорганизма и условий среды).

Денитрификация осуществляется микроорганизмами в ана-эробных условиях и ингибируется кислородом воздуха. Нитраты в ана-эробных условиях выполняют роль акцепторов электронов, которыепоступают от окисляемых соединений — органических или неоргани-ческих. В тех случаях, когда донорами электронов служат органиче-ские соединения, денитрификацию осуществляют хемоорганогетерот-рофы, а если неорганические — хемолитоавтотрофы. В процессе денит-рификации участвуют ферменты, содержащие молибден (FeS-белки —нитратредуктаза А и нитритредуктаза), локализованные на клеточ-ных мембранах. Начальный этап восстановления нитратов при де-нитрификации катализуется ферментом нитратредуктазой А. Синтезданного фермента в клетках бактерий в присутствии нитрата идеттолько в анаэробных условиях. В аэробных условиях нитратредукта-за А не образуется.

Денитрификацию в системе энергетического метаболизма на-зывают также анаэробным, или нитратным, дыханием. При нитрат-ном дыхании хемоорганогетеротрофов органические вещества пол-иостью окисляются до СО2 и Н2О, азот нитратов теряется в газооб-разной форме:

С6Н12О6 + 4NO3 > 6СО2 + 6Н2О + 2N2

Энергетические возможности процесса окисления органи-ческих субстратов с участием нитратов вполне сопоставимы с энер-

207

гетическими возможностями процесса аэробного дыхания, т. е.с участием свободного кислорода (см. с. 146). Большинство органи-ческих субстратов, использующихся в аэробном окислении, можетбыть потреблено при отсутствии О2, если в среде имеются нитраты.Существование денитрификаторов в анаэробных условиях обеспе-чивают не только нитраты, но и нитриты.

Способностью к нитратному дыханию обладает большое чис-ло родов бактерий. Первый этап процесса — восстановление нитра-тов в нитриты — идет при участии разнообразных микроорганиз-мов, как прокариот, так и эукариот (водоросли, грибы и дрожжи).Полное восстановление нитратов до газообразных продуктов (N0,N2O, N2) могут осуществлять только прокариоты.

В наибольшей степени способность к полному восстановле-нию нитратов распространена у представителей родов Pseudomonas(P. fluorescens, P. stutzeri, P. aeruginosa) и Bacillus (В. licheniformis и др.).

К хемолитоавтотрофным бактериям-денитрификаторам отно-сят Thiobacillus denitrificans, Thiomicrospira denitrificans, Paracoccus deni-trificans. Сероокисляющие Thiobacillus denitrificans и Thiomicrospiradenitrificans способны размножаться в анаэробных условиях, исполь-зуя в качестве источника энергии и восстановителя элементарнуюсеру или тиосульфат. Нитрат восстанавливается до газообразногоазота:

В обмене веществ Paracoccus denitrificans нитраты выступаютокислителями водорода (Н2), восстанавливаясь при этом полностьюдо N2.

Денитрифицирующие бактерии — факультативно анаэробныеорганизмы, способные восстанавливать нитраты только в анаэроб-ных условиях. В присутствии свободного кислорода эти бактериипереходят на аэробное дыхание (обладают полной дыхательной сис-темой), а нитраты потребляют лишь как источник азота (ассимиля-ционная нитратредукция). Некоторые денитрификаторы способныи к процессу азотфиксации (см. ниже).

В результате микробиологической денитрификации в атмос-феру ежегодно поступает из почв и водоемов 270—330 млн т азота.Особенно существенен этот процесс в переувлажненных почвах,а также в тех случаях, когда минеральные азотные удобрения вносятв форме нитратов совместно с навозом или другими органическимиудобрениями.

Азот почвы может теряться и в результате различных химиче-ских реакций (косвенная денитрификация). Так, в кислых почвахпри реакции среды ниже рН 5,5 не исключается следующая химиче-ская реакция с потерей N0:

208

Молекулярный азот образуется химическим путем при реак-ции между азотистой кислотой и аминокислотами или солями ам-мония, протекающей при такой же кислотности:

Контрольные вопросы и задания1. Каково значение свободноживущих и симбиотических азотфиксирующихмикроорганизмов? 2. На какие этапы можно подразделить процесс минера-лизации азота микроорганизмами? 3. Какие микроорганизмы участвуютв разложении хитина? 4. В чем сущность процесса нитрификации? 5. При-ведите примеры процессов, при которых азот переходит в соединения, не-доступные для растений.

Глава 11 Фиксация молекулярного азотаатмосферы микроорганизмами

Основная масса азота на Земле находится в газообразном со-стоянии и составляет свыше 3/4 атмосферы (78,09% по объему, или75,6% по массе). Практически запас азота нашей планеты неисчер-паем — 3,8.1015т N2. Азот — довольно инертный элемент, поэтомуредко встречается в связанном состоянии. Это один из основныхбиофильных элементов, необходимый компонент главных полиме-ров живых клеток — структурных белков, белков-ферментов, АТФ,нуклеиновых кислот. Никакой другой элемент так не лимитируетресурсы питательных веществ в агросистемах, как азот. Он можетстать доступным для живых организмов только в связанной форме,т. е. в результате азотфиксации.

Азотфиксация — биологический процесс, и единственнымиорганизмами, способными его осуществлять, являются прокариоты(эубактерии и архебактерии). Эти микроорганизмы частью само-стоятельно, а частью в симбиозе с высшими растениями превраща-ют молекулярный азот (N2) в органические соединения и интегри-руют его (непосредственно или через растение) в белок, которыйв конце концов попадает в почву.

Небиологические процессы фиксации азота (грозовые разря-ды, воздействие УФ-лучей, работа электрического оборудованияи двигателей внутреннего сгорания) в количественном отношениивесьма несущественны, так как все вместе дают не более 0,5% свя-занного азота. Даже вклад заводов азотных удобрений, производя-щих синтетический аммиак по методу Габера—Боша, составляет

209

лишь 5%. Следовательно, свыше 90% всей фиксации молекулярногоазота атмосферы осуществляется в результате метаболической ак-тивности микроорганизмов.

Согласно последним оценкам, микроорганизмы на земномшаре ежегодно фиксируют 175—190 млн т молекулярного азотав наземных экосистемах, из которых 99—110 млн т — на почвахсельскохозяйственных угодий. Ежегодное производство минераль-ных удобрений в мире достигло 60—70 млн т; кроме того, в составеорганических удобрений на поля вносится около 15 млн т азота.

Если учесть, что коэффициент использования азота мине-ральных удобрений не превышает 50%, а органических — 15—30%,то сельскохозяйственные растения из этих источников получаюттолько 35—40 млн т азота в год. В то же время ежегодный выносазота из почвы с сельскохозяйственной продукцией определяетсяпочти в 110 млн т. Таким образом, основная часть азота в урожаесельскохозяйственных культур (от 60 до 90%) имеет микробиологи-ческое происхождение, т. е. представлена азотом, фиксированнымбактериями, и азотом минерализуемого органического веществапочвы, который в основной своей массе также микробного проис-хождения.

Азот, который поступает в растение и включается в составбелков, нуклеиновых кислот и других компонентов клеток в результа-те связывания микроорганизмами, носит название «биологиче-ский», а сами микроорганизмы, фиксирующие молекулярный азотатмосферы, — азотфиксаторами, или диазотрофами, т. е. исполь-зующими как N2, так и связанные формы азота.

По способности вступать во взаимодействие с растениямимикроорганизмы, осуществляющие фиксацию молекулярного азота,подразделяют на две группы — несимбиотические и симбиотические.В первой группе выделяют подгруппу свободноживущих азотфикса-торов, непосредственно не связанных с корнями высших растений,и подгруппу ассоциативных фиксаторов азота, обитающих в фитоп-лане — ризосфере (ризоплане) и филлосфере (филлоплане), т. е. наповерхности подземных и надземных органов растений, и находя-щихся с ними в синтрофных взаимоотношениях. К группе симбиоти-ческих азотфиксаторов относят микроорганизмы, развивающиесяв образованных на корнях или листьях клубеньках (или узелках)и находящиеся в симбиотических взаимоотношениях с растениями.

11.1. Азотфиксация свободноживущимимикроорганизмами

Род Clostridium. Первым из свободноживущих азотфиксаторовбыл открытый С. Н. Виноградским в 1893 г. Clostridium pasteurianum.Это анаэробная бактерия, вызывающая маслянокислое брожение, име-

210

от палочковидные клетки длиной 1,5—8 мкм и шириной 0,8—1,3 мкм.Молодые клетки несут перитрихально расположенные жгутики, в ста-рых образуются споры. При спорообразовании клетки утолщаются по-середине или на конце. В присутствии кислорода воздуха С. pasteuri-аnum может развиваться только при наличии в среде аэробных бакте-рий, поглощающих кислород; организм малочувствителен к реакциисреды и встречается как в кислых (рН 4,5—5,5), так и в щелочных(рН 8—9) почвах.

Источником азотного питания для бактерий рода Clostridiumмогут служить соли аммония, азотной кислоты и многие содержащиеазот органические соединения. При отсутствии указанных соедине-ний бактерии усваивают молекулярный азот. Источником углеродадля С. pasteurianum может быть широкий набор углеродсодержащихсоединений — моносахариды, дисахариды, некоторые полисахариды(декстрин, крахмал) и органические кислоты. Развиваясь на пита-тельных средах, содержащих углеводы, С. pasteurianum разлагает ихс образованием масляной и уксусной кислот, диоксида углерода иводорода. Освобождающаяся при сбраживании углеводов энергиячастично идет на усвоение молекулярного азота атмосферы.

С. pasteurianum обычно считался слабоактивным фиксаторомазота. Пределом его активности было связывание 1—3 мг азота на1 г сброженного сахара. Однако, используя питательные среды, наи-более отвечающие физиологическим потребностям С. pasteurianum,его активность удалось повысить до 10—12 мг азота на 1 г сброжен-ного сахара, в некоторых случаях и более.

Способность фиксировать азот атмосферы свойственна и дру-гим видам рода Clostridium (С. butyricum, С. acetobutylicum, С. pectino-vorum, С. felsineum и т. д.).

Род Azotobacter. Голландский микробиолог М. Бейеринкв 1901 г. открыл аэробную бактерию, также усваивающую молекуляр-ный азот — Azotobacter chroococcum (сем. Azotobacteriaceae). Молодыеклетки азотобактера представляют собой палочки размером 2—3 х 4—6 мкм. Позже они превращаются в крупные кокки диаметром до4 мкм. Кокковидные клетки обычно покрыты капсулой и содержатразные включения (жир, крахмал, поли-В-гидроксимасляную кисло-ту и др.).

У кокковидных клеток некоторых видов азотобактера появля-ется толстая оболочка, и они превращаются в цисты. На одних пи-тательных средах палочки быстро приобретают кокковидную форму,на других — лишь по истечении длительного времени. Палочковид-ные клетки азотобактера имеют жгутики и обладают подвижностью(рис. 43). При переходе палочек в кокки жгутики обычно теряются.

Из описанных видов азотобактера наиболее изучены: A. chroo-coccum, A. beijerinckii, A. vinelandii и A. paspali. Перечисленные видыразличают по размерам и форме клетки, а также по некоторым дру-

211

Рис. 4 3 . Клетки бактерий рода Azotobacter: делящиеся клетки со жгутикамиA. agilis (A) и A. macrocytogenes(Б); В— кокковидные, окруженные слизистой капсулой,клетки A. vinelandii (по: Енсен)

гим признакам, в частности пигментации колоний. Так, колонииA. chroococcum имеют бурый, почти черный цвет, A. vinelandii выде-ляют желтый пигмент с зеленой флуоресценцией, A. paspali такжепродуцируют желтый пигмент. В почвах чаще всего встречается Azo-tobacter chroococcum.

Все виды азотобактера являются аэробами. Источником азотадля них могут служить соли аммония, нитриты, нитраты и амино-кислоты. В отсутствие связанных форм азота азотобактер фиксируетмолекулярный азот. Небольшие дозы азотсодержащих соединенийне приводят к депрессии фиксации азота, а иногда даже стимули-руют ее. Увеличение количества связанного азота в среде полностьюподавляет усвоение молекулярного азота. Энергия усвоения азотау отдельных культур азотобактера колеблется в широком диапазоне.Активные культуры связывают 15—20 мг азота на 1 г потребленногоорганического вещества.

Азотобактер способен использовать большой набор органиче-ских соединений — моно- и дисахариды, некоторые полисахариды(декстрин, крахмал), многие спирты, органические кислоты, в томчисле ароматические. Вообще азотобактер проявляет высокую по-требность в органических веществах, поэтому в больших количест-вах встречается в хорошо удобренных почвах.

Для роста бактерии нуждаются в элементах минерального пи-тания, особенно в фосфоре и кальции. Потребность азотобактерав данных элементах столь значительна, что его используют как био-логический индикатор на наличие фосфора и кальция в почве. Дляэнергичной азотфиксации микроорганизмам требуются микроэле-менты, из них наиболее важен молибден, который входит в составферментов, катализующих процесс усвоения азота.

212

Отмеченные физиологические особенности характеризуютэкологию данного организма. Азотобактер обитает в высокоплодо-родных, достаточно влажных почвах с нейтральной или близкойк ней реакцией среды. При недостаточной влажности большинствоклеток отмирает. В черноземных, каштановых и сероземных почвах,благоприятных для рассматриваемого микроорганизма, его обнару-живают в значительных количествах только весной. При летнем ис-сушении почвы остаются единичные клетки. В зоне подзолистыхи дерново-подзолистых почв азотобактер можно найти в огородныхи пойменных почвах, богатых органическими соединениями, с оп-тимальным рН 6,8—7,2.

Другие свободноживущие азотфиксирующие микроорга-низмы. К семейству Azotobacteriaceae относят и азотфиксирующихбактерий рода Azomonas — A. agilis, A. insignis и A. macrocytogenes. Пер-вые два вида обитают в водоемах, третий — в почвах. Виды Azomonasблизки к азотобактеру, отличаются от него рядом морфологическихи физиологических особенностей. Для A. agilis характерны относи-тельно крупные, овальные клетки с перитрихальным жгутикованием,для A. insignis также крупные, но более округлые клетки, с полярны-ми или лофотрихальными жгутиками, для A. macrocytogenes — клеткиразмером 8—10 мкм с одним полярным жгутиком. Образуют коло-нии с розоватым пигментом, который флуоресцирует в ультрафи-олетовых лучах.

Представители рода Azomonas — аэробы. В отличие от азото-бактера они могут расти и фиксировать азот при рН 4,6—6,9 и даже4,3. Источник углерода для этих бактерий — углеводы, спирты, ор-ганические кислоты. Достаточно эффективно виды Azomonas связы-вают азот атмосферы (до 15—18 мг N2 на 1 г использованного саха-ра). Распространены в тропических почвах.

К этому же семейству относятся и бактерии рода Beijerinckia,близкие по свойствам к азотобактеру. От азотобактера они отлича-ются значительной кислотоустойчивостью, кальцифобностью и не-которыми другими свойствами. Они могут расти и фиксировать азотдаже в среде с рН 3,9. Аэробы.

Впервые бактерии рода Beijerinckia выделены из кислых тро-пических почв (рН 4,5—5,2) Малайзии, Бангладеш и Бирмы. Опи-сан ряд видов бактерий данного рода — В. indica, В. mobilis, В. flu-minensis, В. derxii.

Клетки Beijerinckia могут быть палочковидной, овальной иликруглой формы. У одних видов клетки подвижны, у других — непо-движны. Иногда наблюдается образование капсул. Цисты и эндо-споры отсутствуют.

Большинство культур бактерий рода Beijerinckia формируютна безазотистой среде с глюкозой выпуклые, блестящие, нередкоскладчатые слизистые колонии вязкой консистенции. При старении

213

колонии окрашиваются в красноватый или темно-коричневый цвет.В отличие от азотобактера виды Beijerinckia не усваивают ароматиче-ские соединения и хуже ассимилируют органические кислоты. Приразвитии на среде с углеводами накапливаются кислые продукты(уксусная и другие органические кислоты).

Бактерии рода Beijerinckia менее требовательны по сравнениюс азотобактером к концентрации фосфорных соединений в среде.Даже небольшие дозы соединений кальция тормозят рост предста-вителей данного рода. Они значительно менее, чем азотобактер,чувствительны к повышенной концентрации солей железа и алюми-ния, нуждаются в молибдене, но также довольствуются меньшимиего дозами. Эти свободноживущие азотфиксаторы фиксируют 18—20 мг азота на 1 г использованного сахара.

Бактерии рода Beijerinckia широко распространены в кислыхпочвах субтропической и тропической зон. Реже встречаются в поч-вах зоны умеренного климата. В окультуренных кислых почвах со-держится больше клеток Beijerinckia, чем в целинных. Целинные лу-говые почвы богаче бактериями рода Beijerinckia, чем лесные.

К свободноживущим фиксаторам молекулярного азота семей-ства Azotobacteriaceae относятся также виды рода Derxia, выделенныеиз почв Индии с рН 6,5. Это медленно растущие на безазотистыхсредах палочковидные бактерии со слизистыми капсулами, обла-дающие на определенной стадии развития жгутиками. Колонии мо-гут быть пленочными или слизистыми, при старении приобретаютжелтовато-коричневый цвет. Derxia используют различные источни-ки углерода — моно-, ди-, полисахариды, спирты, органическиекислоты, в среде без азота фиксируют 12—15 мг N2 на 1 г использо-ванного сахара.

Представитель данного рода — Derxia gummosa — развиваетсяв почвах с рН 4,5—6,5, однако лучше растет при рН 5,1—5,5. Видыданного рода распространены в почвах тропической зоны — Индии,Индонезии, тропической Африки, Южной Америки.

До половины XX в. считали, что связывать молекулярныйазот могут лишь отдельные специализированные виды микроорга-низмов, относящиеся в основном к родам Clostridium и Azotobacter.Однако положение существенно изменилось, когда для выявленияазотфиксаторов вместо метода Кьельдаля стали использовать изо-тропный метод (15N2), а также ацетиленовый метод (реакция восста-новления ацетилена в этилен), выявляющий у бактерий нитрогеназу —ферментный комплекс, обеспечивающий фиксацию молекулярногоазота. Последний метод более чем в 105 раз чувствительнее методаКьельдаля и в 103 раз — метода изотопных индикаторов (15N2).

В результате применения новых методов было установлено,что функция фиксации молекулярного азота присуща и многимдругим микроорганизмам: фототрофным бактериям, цианобактери-

214

ям, хемолитоавтотрофным бактериям, метилотрофным, сульфатвос-станавливающим, метаногенам и др. Известно уже более ста видовмикроорганизмов, обладающих способностью к фиксации азота ат-мосферы.

В воде рисовых полей, в различных водоемах распространеныазотфиксирующие анаэробные фототрофные пурпурные серобакте-рии (Chromatium, Thiocapsa, Thiocystis и др.), пурпурные несерные бак-терии (Rhodospirillum, Rhodopseudomonas и др.) и зеленые серобакте-рии (Chlorobium, Pelodictyon и др.).

Аэробные цианобактерии, обладающие гетероцистами (клеткис толстой клеточной стенкой), способны фиксировать N2. Срединих преобладают представители родов Nostoc, Anabaena, Calothrix,Cylindrospermum, Tolypothrix, Scytonema и др. В почвах обнаруженоболее 130 видов гетероцистных форм цианобактерии. Наиболее ши-роко распространены в почвах представители рода Nostoc.

Усвоение молекулярного азота у цианобактерии происходит вгетероцистах, т. е. в клетках, куда ограничен доступ кислорода. Од-нако ферментный аппарат, связывающий N2, обнаружен и в вегета-тивных клетках. Это дало основание для поиска негетероцистныхазотфиксирующих форм. В последнее время они найдены — этопредставители родов Synechocystis, Synechococcus, Chroococcidiopsis,Oscillatoria, Lyngbya, Microcoleus, которые, не обладая гетероцистами,могут связывать N2.

Цианобактерии распространены во всех почвенно-климатиче-ских зонах, однако лучше развиваются в почвах с нейтральной реак-цией среды. Поэтому численность и видовой состав описываемыхазотфиксаторов значительно возрастают в нейтральных почвах юж-ной зоны. Отдельные виды приурочены к определенным местамобитания. Многие цианобактерии живут в симбиозе с другими рас-тительными организмами, например с грибами, образуя лишайни-ки. Адаптируясь к местным условиям, эти бактерии приобрели спо-собность фиксировать азот при температуре, близкой к 0 °С; иногдаазотфиксация происходит даже при —5 °С, оптимальная температу-ра для процесса 15—20 °С.

Некоторые цианобактерии способны фиксировать азот в сим-биозе с высшими растениями. Так, у водного папоротника Azolla,который растет на поверхности затопленных рисовых полей, в по-лостях листьев обитает Anabaena azollae. Накопление азота в почвев результате симбиоза Anabaena с Azolla может достигать 300 кг/гав год. Подобного рода симбиоз обнаружен между печеночниками(Blasia pusilla, Anthoceros punctatus, Peltigera sp.) и Nostoc. В нижнейчасти ствола, в специальных железах у мест отхождения листовыхчерешков тропического кустарника Gunnera macrophylla обитаютсимбиотические азотфиксирующие цианобактерии Nostoc puncti-

forme. Данный вид имеет гетероцисты и синтезирует нитрогеназу.

215

Наибольшее значение фототрофные анаэробные бактерии и ци-анобактерии имеют главным образом в переувлажненных и затоп-ленных почвах (болота, рисовники и т. д.), где они могут связыватьдо 20—50 кг/га азота в год.

В затопляемых почвах рисовых полей при разложении расти-тельных остатков образуются газообразные соединения — Н2, СН4,СО2, которые могут служить источниками энергии для некоторыхазотфиксирующих бактерий. Например, Corynebacterium autotrophi-сит окисляет водород и ассимилирует СО2, т. е. способна к хемоли-тоавтотрофии и одновременно к фиксации азота атмосферы.

Способность к азотфиксации имеется и у метилотрофных бак-терий родов Methylomonas, Methylobacterium и Methylococcus, которыев аэробных условиях могут жить, окисляя только метан или метило-вый спирт. Известны анаэробные сульфатвосстанавливающие бакте-рии-азотфиксаторы, относящиеся к родам Desulfotomaculum и Desul-fovibrio. Такие бактерии широко распространены в водоемах и почвах,где в анаэробных условиях идет микробное разложение растительных иживотных остатков. Выделены, описаны и многие другие свободно-живущие азотфиксирующие бактерии.

Суммарная деятельность свободноживущих бактерий в при-родных субстратах, в частности в почвах, приводит к накоплениюазота. Так, в пахотные почвы зоны умеренного климата за счет сво-бодноживущих азотфиксаторов ежегодно поступает от 26 до 86 кг/гаазота в год, в почвы тропической зоны — до 100 и более. Считают,что в среднем в пахотных почвах России свободноживущие азот-фиксаторы связывают до 20 кг/га азота в год.

11.2. Ассоциативная азотфиксацияВ 1974—1976 гг. бразильский ученый И. Доберейнер впервые обнару-жила спиралевидные грамотрицательные аэробные (микроаэро-фильные) бактерии — азоспириллы, развивающиеся в ризосфере иризоплане тропических травянистых растений, обладающие способ-ностью к азотфиксации и вступающие в ассоциативные взаимоот-ношения с растениями. Изучение таких бактерий позволило выде-лить среди них несколько видов: Azospirillum lipoferum, A. brasilense,A. amazonense, A. halopraeferans.

Рост и развитие ассоциативных бактерий связаны с поступле-нием к ним от растений легкодоступных источников углерода иэнергии в виде корневых выделений (cахаров, органических кислоти других органических веществ), а также корневого отпада и опада.Последующие наблюдения выявили, что бактерии рода Azospirillumвстречаются в ризоплане различных растений и в более севернойзоне, хотя доминируют в зоне южных почв.

В ризосфере небобовых растений достаточно широко распро-странены и азотфиксирующие бактерии родов Enterobacter, K/ebsiella

216

, Escherichia, Erwinia и Citrobacter (семейства Enterobacteriaceae).Бактерии перечисленных родов представляют собой грамотрица-тельные палочки, подвижные (за исключением представителей родаKlebsiella), факультативные анаэробы. Они выносят довольно низкоезначение реакции среды и в большом количестве обнаруживаютсяпод лесными насаждениями, произрастающими на подзолистыхпочвах. В зоне умеренного климата такие бактерии обитают подтравянистыми небобовыми растениями.

Изучение микробного населения корневой системы овощныхкультур показало, что азотфиксация в ризоплане данных растенийосуществляется главным образом факультативно анаэробными бак-териями, среди которых доминируют энтеробактерии, главным об-разом представители рода Klebsiella. Активным азотфиксатором ока-зался вид Klebsiella planticola. Обнаружены азотфиксирующие видырода Bacillus: В. polymyxa, В. macerans, В. azotofixans (последний вы-явлен на корнях злаков в тропиках).

В ризосфере на корнях кукурузы, сорго и риса обнаружен но-вый вибриоидный организм — Herbaspirillum seropedicae, способныйк фиксации азота в условиях ассоциативного симбиоза. На корняхзлаковых и других небобовых растений распространены представи-тели рода Pseudomonas, среди которых имеется ряд азотфиксаторов.Например, ассоциативный азотфиксатор P. paucimobilis часто встре-чается под рисом.

Ассоциативная азотфиксация протекает практически во всехпочвах в прикорневом пространстве или на корнях различных небо-бовых растений. Достаточно высокий уровень азотфиксации обна-ружен в ризосфере тропических растений — сорго, кукурузы, сахар-ного тростника, паспалум и др. В почвах зоны умеренного климатаазотфиксация выявлена в ризосфере разнообразных небобовых рас-тений — зерновых, корне- и клубнеплодных, овощных культур, па-стбищных и дикорастущих злаков, растений влажных и суходольныхлугов, лесных трав.

При таком практически повсеместном распространении ас-социативной азотфиксации эффективность ее, определяемая де-ятельностью диазотрофных бактерий, далеко не одинакова под раз-ной растительностью. Так, в хорошо окультуренных почвах под ри-сом азотфиксация достигает особенно высокого уровня и протекаетв среднем со скоростью 45—80 кг/га азота в год, а иногда даже до330 кг/га азота в месяц. В то же время под пшеницей и под кукуру-зой, культивируемыми на красноземных почвах, фиксируется соот-ветственно около 20 и 10 кг/га азота в год.

Активность ассоциативной азотфиксации определяется коли-чеством органических веществ — корневых выделений и корневогоспада, поступающих в прикорневую зону небобовых растений. Счи-тают, что высокая активность азотфиксации в ризосфере тропиче-

217

ских растений (сахарного тростника, паспалума, маиса и др.) обус-ловлена их способностью использовать при фотосинтезе путь черездикарбоновые кислоты (С-4 путь). Этим растениям необходимо ин-тенсивное освещение, максимальная скорость фотосинтеза у нихсущественно выше, чем у растений, использующих цикл Кальвина(С-3 путь), т. е. овса, пшеницы, ячменя и др. Полагают, что по-скольку растения С-4 типа расходуют мало углеводов при фотоды-хании, то большее количество последних может быть использованодля роста корней и увеличения корневой экссудации. Перечислен-ные особенности положительно сказываются на уровне ассоциатив-ной азотфиксации. Интересно отметить, что ассоциативные бакте-рии Azospirillum lipoferum преимущественно развиваются в ризопланерастений с С-4 типом фотосинтеза, a Azospirillum brasilense — в ри-зоплане растений с С-3 типом фотосинтеза.

Уровень азотфиксации, которая протекает в почве без расте-ний (поля под паром, междурядья и т. п.) и осуществляется благода-ря деятельности свободноживущих диазотрофов, существенно ниже,чем в почве под растениями. Так, в дерново-подзолистых почвахазотфиксация под посевами злаковых растений составляет около40 кг/га азота за вегетационный период, под картофелем — 30 кг, научастках, не занятых растениями (пар, междурядья), — только 10—13 кг/га. Обычно свободноживущие в почве бактерии, связывающиеазот, используют как источник углерода и энергии пожнивные рас-тительные остатки, а ассоциативные диазотрофы — органическиевещества, выделяемые растениями в прикорневую зону в виде кор-невых экссудатов и корневого опада.

Количество фиксированного свободноживущими и ассо-циативными бактериями молекулярного азота в дерново-подзолис-той почве под сельскохозяйственными культурами может достигатьв среднем не менее 30—40 кг/га азота в год. Причем основная частьазота (около 70%) фиксируется в процессе ассоциативной азотфик-сации, которая поэтому играет большую роль в азотном питаниинебобовых растений.

Ассоциативная азотфиксация может также осуществляться вфиллосфере или филлоплане, т. е. на поверхности растений (листь-ев, стеблей). Здесь обитают так называемые эпифитные бактерии,среди которых широко распространены азотфиксаторы. Доминиру-ют бактерии семейства Enterobactenaceae, преимущественно рода Ег-winia (Erwinia herbicola). Эти бактерии развиваются и фиксируютазот, используя выделения органических и минеральных соедине-ний, главным образом углеводов и органических кислот при экзоос-мосе, а также летучие органические вещества (альдегиды и пр.).

Количество азота, фиксированного ассоциативными бакте-риями в филлосфере растений, зависит как от вида растения, так иот ряда внешних факторов (температуры, влажности, солнечной ра-

218

диации и др.). Например, в филлосфере березы продуктивность ас-социативной фиксации составляет около 9 кг/га, а в филлосферетимофеевки — около 13 кг/га азота за вегетационный период.

Считают, что ассоциативная азотфиксация происходит в фи-топлане всех небобовых растений, хотя ее эффективность различнаи определяется главным образом генотипом растений.

11.3. Симбиотическая азотфиксация

Характеристика клубеньковых бактерий. Симбиотические азот-фиксирующие микроорганизмы выделены М. Бейеринком в 1888 г.из корневых клубеньков (бородавчатых наростов) бобовых расте-ний (рис. 44). Микроорганизмы назвали клубеньковыми бактериями,и было установлено, что они вызывают образование клубеньков,в которых осуществляется фиксация азота атмосферы. Бактериив клубеньках питаются органическими соединениями, синтезиро-ванными растением, а растение получает из клубеньков связанныесоединения азота. Так, между бактериями и растениями устанавли-ваются симбиотические взаимоотношения. Клубеньковые бактерии,заражающие корни различных видов бобовых растений, несколькоотличаются друг от друга, однако их рассматривают как группы род-ственных организмов.

Клубеньковые бактерии представляют собой грамотрицатель-ные, от коротких до среднего размера палочки (0,5—0,9 мкм ши-риной, 1—3 мкм длиной), подвижные, монотрихи с полярнымили субполярным расположением жгутиков или перитрихи, аэробы(рис. 45). Молодые клетки окрашиваются анилиновыми красителя-ми равномерно, за исключением ряда видов, для которых характер-но наличие к клетках метахроматических (полифосфатных) гранул.Старые клетки содержат одну или несколько гранул поли-В-гидро-ксимасляной кислоты. Спор не образуют.

Рис. 44. Клубеньки на корнях соевых бобов (А) и клевера лугового (Б)(по: Ф. Манжино)

219

Рис. 45. Клубеньковые бактерии: клетки в сканирующем (А) и световом (Б)микроскопе; бактероиды (В)

На питательных средах клубеньковые бактерии разных видовбобовых растений растут с неодинаковой скоростью. Например,клубеньковые бактерии клевера, гороха, фасоли и люцерны растутбыстро, бактерии сои, люпина, арахиса и вигны — медленно. Этодало основание быстрорастущие формы отнести к роду Rhizobium,медленнорастущие — к роду Bradyrhizobium. На твердых средах клу-

220

беньковые бактерии обычно образуют бесцветные прозрачные сли-зистые колонии, в ряде случаев колонии имеют шероховатую по-верхность.

Источником азота для клубеньковых бактерий служат различ-ные соединения — соли аммония и азотной кислоты, многие ами-нокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания и т. д. Обычноклубеньковые бактерии фиксируют азот в симбиозе с растением.Однако на специальных питательных средах при отсутствии кисло-рода чистые культуры Rhizobium также способны усваивать некото-рое количество молекулярного азота.

Клубеньковые бактерии используют разнообразные углеводы,в том числе и некоторые полисахариды (декстрин, гликоген). Приусвоении углеводов в процессе жизнедеятельности некоторых видовобразуются кислоты. Бактерии потребляют многие органическиекислоты и многоатомные спирты. Фосфор клубеньковые бактерииусваивают из минеральных и органических соединений; калий,кальций и другие элементы получают из неорганических веществ.Клубеньковым бактериям нужны также соединения железа, некото-рые микроэлементы (молибден и др.).

Лучше развиваются эти бактерии в питательной среде с вита-минами группы В. Ряд витаминов (тиамин, В12, рибофлавин) и рос-товые вещества (гетероауксин, гиббереллины, цитокинины и т. д.)микроорганизмы синтезируют сами.

Для большинства культур клубеньковых бактерий оптималь-ное значение рН среды находится в пределах рН 6,5—7,5, а при рН4,5—5 и рН 8 их рост приостанавливается. Однако встречаютсякультуры, относительно устойчивые к кислой среде и образующиеклубеньки в почвах с рН 5. Оптимальная температура для большин-ства культур около 24—26 °С, при температуре ниже 5 °С и выше37 °С рост прекращается.

Видовая специфичность клубеньковых бактерий. Клубенько-вые бактерии формируют симбиотические ассоциации с бобовымирастениями семейства Leguminosae, в котором выделяют три подсе-мейства — Mimosoideae, Papillonoideae и Caesalpinoideae. До 90% ви-дов первого и второго подсемейств и 23% видов третьего способнывступать в симбиоз с клубеньковыми бактериями. Клубеньковыебактерии характеризуются видовой специфичностью (избирательно-стью) по отношению к растению-хозяину. Определенный вид бакте-рий обычно образует клубеньки только на одном или несколькихвидах бобовых растений. Так, Rhizobium leguminosarum инфицируетгорох, вику, кормовые бобы и чечевицу; Rhizobium phaseoli —фасоль; Bradyrhizobium japonicum — сою; Bradyrhizobium lupini — лю-пин; Bradyrhizobium vigna — вигну, маш и арахис и т. д.

В 80—90-х гг. XX столетия из клубеньков, образующихся настеблях тропических бобовых растений, выделены новые формы

221

клубеньковых бактерий. Так, из стеблевых клубеньков Sesbania ros-trata — влаголюбивого бобового растения, живущего в ЦентральнойАфрике, изолирована клубеньковая бактерия, названная Azorhizobi-ит caulinodans, а из стеблевых клубеньков тропических бобовых рас-тений — Aeschynomene indica и Aeschynomene scarba впервые выделе-ны клубеньковые бактерии, содержащие в клетках бактериохлоро-филл а и обладающие способностью к фотосинтезу. Они былиназваны Photorhizobium thompsonianum. Эти бактерии образуют клу-беньки не только на стеблях, но и на корнях; однако в стеблевыхклубеньках связывание азота обычно идет более активно, чем в кор-невых.

Иногда наблюдается не только видовая, но и сортовая специ-фичность клубеньковых бактерий. У клубеньковых бактерий клеве-ра, люцерны, эспарцета и гороха сортовая специфичность выраженаслабо, а у бактерий сои, люпина и кормовых бобов она проявляетсядовольно активно. Иногда видовая специфичность клубеньковыхбактерий нарушается, и они дают перекрестное заражение, т. е. за-ражают разные, не очень близкие виды бобовых растений. В такихслучаях бобовое растение слабо фиксирует азот атмосферы.

Пока вопрос специфичности клубеньковых бактерий выясненнедостаточно. Однако экспериментальные данные позволяют пред-ставить процесс взаимного узнавания бактерий и растений. Извест-но, что клубеньковые бактерии существуют в почве как сапротро-фы, развиваясь за счет органических соединений. Взаимодействиеклубеньковых бактерий с корневой системой бобового растения на-чинается с привлечения (аттракции) клеток бактерий его корневы-ми выделениями. Подвижные бактерии, способные к хемотаксису,быстрее заражают растения, чем неподвижные.

Обычно заражение растения происходит только через моло-дые корневые волоски. При первом контакте бактерий с корневымволоском определяется, подходят ли партнеры друг к другу. Бобовыерастения содержат лектины — белки или гликопротеины, лишенныеферментативной активности, но способные к специфичному связы-ванию полисахаридов. Лектины достаточно широко распространеныв природе и, как считают, выполняют функцию распознавания.Синтезируемые бобовым растением лектины находятся на наруж-ной поверхности корневых волосков. Наружный слизистый слойклеточной стенки клубеньковых бактерий имеет видоспецифичныеполисахаридные цепи. В результате взаимодействия лектинов кор-невого волоска с поверхностными полисахаридами клубеньковыхбактерий определяется, будет ли корневой волосок инфицированбактериями или нет.

Таким образом, лектины определяют хозяйскую специфич-ность, реагируя с капсульными полисахаридами на поверхности клу-беньковых бактерий. В качестве примера следует привести данные

222

о значении лектинов сои для формирования ее симбиоза с Bradyrhi-zobium japonicum. В опытах лектины сои связывались с клетками 22из 25 испытанных штаммов клубеньковых бактерий данного вида ине связывались ни с одним из 23 штаммов клубеньковых бактерийдругого вида. Значение лектинов для взаимодействия растения с клу-беньковыми бактериями установлено для многих штаммов — Rhizo-biит leguminosarum, R. trifolii, Bradyrhizobium japonicum.

Взаимодействие бактерий с растением-хозяином. Внедрениеклубеньковых бактерий в корень бобового растения-хозяина можетосуществляться двумя путями: через верхушку корневого воло-ска или около его конца. У некоторых бобовых растений, напримерарахиса, бактерии проникают через «расщелины» в основаниях бо-ковых ответвлений корня. При таком инфицировании растение мо-жет быть заражено большинством видов клубеньковых бактерий,и можно говорить о низкой специфичности данного бобового расте-ния. Бобовые растения, инфицируемые через корневые волоски,проявляют обычно высокую специфичность в отношении вида клу-беньковой бактерии-симбионта.

Известно, что стенка клетки корневого волоска имеет дваслоя — первичный (альфа-слой) и вторичный (бета-слой). Первич-ный слой состоит в основном из пектиновых веществ, гемицеллю-лоз и небольшого количества целлюлозных волокон. Целлюлозныеволокна альфа-слоя образуют на верхушке корневого волоска разре-женную сетку. Плотность целлюлозных волокон во втором слое (бе-та-слое) значительно выше, поэтому он прочнее первичного слоя.Обычно бета-слой не доходит до верхушки молодого корневого во-лоска. Однако когда рост волоска бывает закончен, его верхушкатакже покрывается двойным слоем целлюлозы. Следовательно, клу-беньковым бактериям значительно легче проникать в бобовое рас-тение через зону роста только еще формирующихся корневых во-лосков.

П е р в ы й п р и з н а к и н ф и ц и р о в а н и я р а с т е н и я —своеобразное изменение формы корневых волосков, которые изги-баются в виде ручки зонтика. Степень искривления волоска зависитот вида бобового растения, активности заражающего штамма, а так-же места проникновения бактерий. Искривление корневого воло-ска, по-видимому, объясняется тем, что прикрепившиеся к корне-вому волоску бактерии останавливают отложение плотного бе-та-слоя лишь в месте своего прикрепления, а образование этогослоя на противоположной стороне волоска продолжается. В резуль-тате корневой волосок сильно закручивается и бактерии оказывают-ся внутри завитка.

Обычно в месте проникновения бактерий наблюдается раз-рыхление клеточной стенки корневого волоска, что, возможно, обус-ловлено действием гидролитических ферментов бактерий. В корне-

223

Рис. 46. Схема образования клубенькана корне бобового растения: 1 — инфи-цированный корневой волосок; 2 — ин-фекционная нить; 3 — делящиеся клеткирастения; 4 — эндодерма; 5 — централь-ный цилиндр корня; 6 — ксилема(по: Г. Торнтон)

вом волоске клубеньковые бакте-рии образуют так называемуюинфекционную нить. Последняяпредставляет собой гифообразнуюслизистую массу, в которую по-гружены размножающиеся клеткиклубеньковых бактерий. Нить пе-редвигается к основанию волоскаи клеткам эпидермиса. Такойпуть, равный 100—200 мкм, онапроходит за одни-двое суток, т. е.со скоростью 5—8 мкм/ч. Затемнить из корневого волоска про-никает через клетки коры в па-ренхиму.

После внедрения в расти-тельные клетки инфекционнаянить покрывается целлюлознойоболочкой, которая формируетсяиз целлюлозной оболочки клетки,вероятно, для изоляции клубень-ковых бактерий. Клубеньковыебактерии могут размножаться

только в тетраплоидных клетках коры и частично эпидермиса кор-ня. Когда на пути инфекционной нити встречаются тетраплоидныеклетки, часть бактерий переходит из нити в цитоплазму и начинаеттам размножаться. После инфицирования клубеньковыми бактерия-ми растительная клетка, а также соседние незараженные начинаютактивно делиться. Усиленное размножение инфицированных клетоки находящихся под их стимулирующим влиянием (при участии рос-тового вещества) соседних незараженных клеток приводит к форми-рованию ткани клубенька (рис. 46). Обычно инфекция распростра-няется через тетраплоидные клетки, а кора и проводящие сосудыклубенька образуются из диплоидных клеток.

Бактероиды. Клетки клубеньковых бактерий, перешедшиев цитоплазму растительных клеток, растут, делятся, а затем транс-формируются в своеобразные образования — бактероиды. Этим за-канчивается процесс инфицирования — приблизительно черезтри-четыре недели после заражения. Бактероиды в 3—5 раз большепо размерам, чем обычные клетки, причем их форма меняется в за-висимости от вида бобового растения от шаровидной и грушевид-ной до вильчатой и ветвистой (рис. 47). Бактероиды не делятся, онисоставляют до 50% массы клубенька.

Клубеньковые бактерии в клетках растения располагаются в ва-куолях, окруженных перибактероидной мембраной — производным

224

плазмалеммы растительной клет-ки. Бактероиды содержат большеполи-B-гидроксимасляной кислоты,гликогена и полифосфатов, чемобычные клетки клубеньковых бак-терий, но меньше ДНК. Фактиче-ски бактероиды становятся своегорода азотфиксирующими органел-лами клеток бобового растения-хозяина. Поэтому их называютазотосомами. Таким образом, рас-смотренный симбиоз является вну-триклеточным.

Ткань клубенька, заполнен-ная бактероидами, обычно приоб-ретает красноватую окраску благо-даря пигменту леггемоглобину, род- Рис. 47. Клетки клубеньковой ткани,ственному гемоглобину. Обычно наполненные бактероидами клубень-такая окраска характерна для клу- ковых бактерий (по: Ф. Бергерсен)беньков, активно фиксирующих азот. Леггемоглобин выявляют ужена второй день после образования клубенька, а фиксацию азота —на четвертый день.

Леггемоглобин — один из важнейших продуктов симбиоза; в егообразовании участвуют оба партнера — растение и бактерии: просте-тическая группа (протогем) синтезируется бактериями, а белковыйкомпонент (апогемоглобин) образуется при участии растения. Легге-моглобин непосредственно не участвует в фиксации молекулярногоазота, так как бактероиды могут связывать азот и без этого пигмента.Однако леггемоглобин обладает высоким сродством к кислороду,что облегчает его диффузию через клетку растений к бактероиду.Благодаря такой особенности леггемоглобина бактероиды получаюткислород в количестве, достаточном для их роста и получения энер-гии. В то же время в клубеньке не возникает слишком высокого пар-циального давления кислорода, которое могло бы оказывать ингиби-рующее влияние на фиксацию азота бактероидами.

Клубеньки, образованные активными и неактивными клу-беньковыми бактериями, различают по ряду признаков. Клубеньки,образовавшиеся при инфицировании н е а к т и в н ы м и клубенько-выми бактериями, содержат мало леггемоглобина и имеют зеленова-тый цвет. Клубеньки, образованные а к т и в н ы м и штаммами, ок-рашены в розовый цвет. Кроме того, клубеньки неодинаково рас-пределены по корневой системе растений. Активные расыклубеньковых бактерий образуют многочисленные клубеньки наглавном корне, а на боковых их бывает мало.

По мере старения и дегенерации клубеньки отмирают. Опре-деленную роль в этом процессе играет опробковение клеток сосу-

8 Микробиология225

дистой системы, задерживающее обмен питательными веществамимежду растением-хозяином и клубеньком. В клетках клубеньков по-являются вакуоли, ядро перестает окрашиваться, а бактероиды рас-творяются (лизируются). Лизис бактероидов по окончании актив-ной жизни клубеньков обычно совпадает с некрозом клубеньков,наступающим после цветения растения-хозяина. Бактерии, сохра-нившиеся в неразвившихся инфекционных нитях, выходят в почву,где могут довольно долго (от одного года до 20 лет) существоватьв отсутствие растения-хозяина.

У однолетних растений клубеньки также однолетние, у мно-голетних клубеньки могут функционировать в течение ряда лет.К концу сезона бактероидная ткань клубеньков многолетних расте-ний разрушается, но клубеньки не отмирают и на следующий годвновь начинают функционировать.

Количество клубеньков на корнях бобовых растений всегдаболее или менее ограниченно. Клубеньки содержат больше азота,чем остальные части растения. Это служит доказательством того,что именно в клубеньках протекает процесс усвоения азота. Причемфиксация азота атмосферы осуществляется только в бактероидах, иоколо 90% связанного азота переходит из них в виде ионов аммонияв цитоплазму корня бобового растения. Передача связанного азотаиз тканей клубенька в наземную часть растения происходит в пери-од, когда бактероиды жизнеспособны. Определенное количество ус-военного растениями азота выделяется корнями в почву с продукта-ми корневых выделений, например с аминокислотами (аспарагино-вой кислотой).

Условия формирования азотфиксирующей ассоциации. Эф-фективность азотфиксации симбиотической ассоциации бобовоерастение — клубеньковые бактерии определяется наличием у клубень-ковых бактерий целого комплекса симбиотических приз-наков:

• вирулентности — способности клубеньковых бактерий вхо-дить в контакт с корневой системой бобовых растений, про-никать в ткани корня, размножаться в них и индуцироватьобразование клубеньков;

• азотфиксирующей активности — способности связывать мо-лекулярный азот атмосферы при помощи специальной фер-ментативной системы и превращать его в ионы аммония;

• эффективности — способности увеличивать урожай и содер-жание белка у бобового растения-хозяина за счет передачирастению фиксированного азота и синтезированных биоло-гически активных веществ;

• конкурентоспособности — способности внесенного в почвуопределенного штамма клубеньковых бактерий образовы-вать клубеньки в присутствии других штаммов того же вида;

226

• специфичности — способности вступать в эффективный сим-биоз со строго определенным набором сортов и видов бобо-вых растений.

Перечисленные признаки генетически обусловлены и детер-минированы в определенных генах. Так, способность к симбиозуу клубеньковых бактерий обычно детерминирована плазмиднымигенами: hos-гены обусловливают узнавание хозяина; nod-гены опре-деляют способность образовывать клубеньки; nif-гены — способ-ность к связыванию молекулярного азота. Плазмиды, в которых ло-кализованы указанные гены, называют sym-плазмидами (от англ.symbiosis inducing). У разных видов, а в ряде случаев и штаммов клу-беньковых бактерий, число и размеры плазмид сильно варьируют.Так, отдельные штаммы бактерий могут иметь до семи плазмид мо-лекулярной массой от 80 до 4000 МД.

Формирование симбиоза бобовых растений с клубеньковымибактериями обеспечивается согласованным взаимодействием гено-мов растений и бактерий. Процесс возникновения и функциониро-вания симбиотического сообщества сопровождается изменениемэкспрессии некоторых растительных и бактериальных генов. Рядрастительных генов, необходимых для возникновения симбиоза иосуществления азотфиксации, определены в генетических экспери-ментах.

Взаимодействие бактерий и растений базируется на существо-вании специальных генетических структур, связанных общими регу-лирующими механизмами. У бобового растения гены контролируютспособность к формированию симбиотических взаимоотношений иместо инфицирования. Например, штамм клубеньковых бактерийкоровьего гороха заражает растение через корневые волоски, а штаммлюпина — через «расщелины» в эпидермисе коры в местах отхожде-ния боковых корешков. Геном бобового растения оказывает влия-ние на дифференцировку и морфологию бактероидов, количествоклеток бактероидов, которые локализованы в одной вакуоли. Счита-ют, что между бобовым растением и бактериями возможен прямойобмен генами.

Проявлением экспрессии генов служит возникновение в рас-тении специфичных белков в ответ на инфицирование его клубень-ковыми бактериями. Идентифицировано уже около 40 растительныхбелков — нодулинов, появляющихся лишь в клубеньках. Гены ноду-линов обеспечивают бобовым растениям уникальную возможность

удовлетворять потребности в азоте за счет его фиксации из воздуха.Можно считать установленным, что эффективность симбиотическо-го сообщества бобовые растения — клубеньковые бактерии опреде-ляется в большей степени генотипом растения-хозяина, чем геноти-пом бактерий-симбионтов.

227

Рис. 48. Растения клевера, зараженныеклубеньковыми бактериями: слева —растения, зараженные, активнымштаммом; справа — растения, заражен-ные неактивным штаммом

Эффективность функциони-рования симбиотического аппа-рата также во многом зависит отспособности бактерий активнофиксировать молекулярный азотв симбиозе с растением. В почвемогут присутствовать штаммы клу-беньковых бактерий активные, не-активные и переходные между ни-ми. Заражение бобовых растенийактивными штаммами клубенько-вых бактерий способствует актив-ной фиксации азота. Неактивныйштамм дает образование клубень-ков, но фиксации азота в них непроисходит (рис. 48). Активностьклубеньковых бактерий меняетсяи в зависимости от внешних усло-вий. Особенно легко бактерии те-ряют активность при неблагопри-ятных почвенных условиях.

Исследования показывают,что неактивные штаммы клубень-ковых бактерий в почвах если и не

преобладают, то встречаются очень часто. Возможно, уменьшениеактивности клубеньковых бактерий вызывается комплексом небла-гоприятных свойств почв: повышенной кислотностью, недостаткоморганических веществ и т. д.

Обычно почвы содержат в достаточно большом количествеклубеньковые бактерии тех видов бобовых растений, которых многов составе дикой флоры данной местности или которые длительноевремя там культивируются. Если в данной местности не произраста-ет определенный вид бобовых или родственные ему по инокуляци-онной способности виды, то и свойственные им клубеньковые бак-терии в почвах отсутствуют. Поэтому для обеспечения эффективногосимбиоза семена бобовых перед посевом заражают высокоактивны-ми штаммами клубеньковых бактерий, специфичных для данногорастения.

На количество клубеньковых бактерий в почве влияют еесвойства и состояние. Например, в нейтральных почвах (черноземахи др.) бактерии размножаются лучше, чем в кислых, здесь чащевстречаются активные формы. Окультуривание почв, особенно свнесением органических удобрений, улучшает условия для размно-жения клубеньковых бактерий.

228

11.4. Бактерии-симбионты небобовых растенийУ многих небобовых растений, как древесных и кустарниковых, таки травянистых, также существуют корневые клубеньки, способныесвязывать молекулярный азот. Фиксация азота в таких случаях, каки у бобовых, основана на симбиозе с прокариотами. У древесной икустарниковой растительности клубеньки чаще всего образуютсяазотфиксирующими актиномицетами, у травянистой — бактериями.В большинстве случаев симбионтами деревьев и кустарников служатактиномицеты рода Frankia (рис. 49). Это аэробные организмыс септированным мицелием, образующим спорангии.

Известны 17 родов древесных и кустарниковых покрытосе-менных растений, образующих с Frankia клубеньки. Они относятсяк порядкам Casuarinales, Coriariales, Fagales, Cucurbitales, Myricales,Rhamnales и Resales. Среди растений, которые весьма эффективносвязывают азот, казуарина (Casuarina), ольха (Alnus), облепиха (Hip-pophae), менее эффективны в этом отношении восковница (Myrica),куропаточья трава (Dryas), лох (Elaeagnus) и шефердия (Shepherdia).

Корневые клубеньки древесных растений довольно крупные,обычно они формируются на боковых корнях. Клубеньки бываютдвух типов — коралловые (густые сплетения корней, разветвленныхнаподобие кораллов) и с прорастающими через дольки клубенькакорнями (рыхлый пучок утолщенных корней), направленными

Рис. 49. Влияние заражения актиномицетами рода Frankia на рост ольхи:А, В — растения, инфицированные Frankia; Б — незараженное растение(по: С. О. Суэтин)

229

вверх. Первый тип клубеньков наблюдается у ольхи и облепихи,второй — у казуарины. Установлено, что азотфиксирующие актино-мицеты обладают определенной специфичностью к растениям. На-пример, одна группа Frankia заражает ольху, восковник и «сладкий»папоротник (компония), другая — лох, облепиху и шефердию.

Актиномицеты-симбионты способны инфицировать толькопаренхимные клетки коры корня. Как и при заражении бобовых,микроорганизм проникает в корни из почвы через корневые воло-ски, которые в результате скручиваются. В месте инфицированиястенки корневого волоска утолщаются и гифы, проникшие внутрьклетки, покрываются толстым чехлом. По мере продвижения гифпо корневым волоскам чехол утоньшается, и вокруг гиф формирует-ся капсула, которая, как считают, образуется как растением, так иактиномицетом.

Из корневого волоска гифы проникают в эпидермис и корукорня, вызывая деление и гипертрофию инфицированных клеток.Как правило, клубки гиф заполняют центр клеток растения, у кле-точных стенок происходит расширение и деление концов гиф,в последнем случае формируются специфичные структуры, так на-зываемые везикулы (рис. 50). В клубеньках образуется вещество, по-добное леггемоглобину бобовых растений. В конце вегетации вези-кулы деградируют, но в клетках растений сохраняются гифы, зара-

Рис. 50. Везикулы, образованные мицелием Frankia в клубеньках ольхи(по: И. Гарднер)

230

жающие весной новые ткани. Обычно при симбиозе с небобовымирастениями энергия азотфиксации актиномицетами рода Frankiaбольше, чем у клубеньковых бактерий бобовых растений.

Клубеньки обнаружены у большой группы травянистых расте-ний — злаковых, осоковых, лютиковых и др. В клубеньках этих рас-тений выявлены микробные ассоциации, состоящие из двух-трехвидов микроорганизмов, которые представлены грамположительны-ми и грамотрицательными бактериями. Установлено, что в клубень-ках осуществляется азотфиксация, однако роль отдельных бактерийв нем пока не определена.

В последнее время из клубеньков на растениях, не относя-щихся к бобовым, — тропическом кустарнике Trema orientalis(семейство крапивных) и близком к нему Parasponia parviflora — вы-делены бактерии, близкие к клубеньковым бактериям бобовых. Ука-занные бактерии способны заражать бобовые растения и образовы-вать клубеньки. Их относят к роду Rhizobium. Из клубеньков налистьях тропических кустарников Pavetta и Psychotria выделеныазотфиксирующие бактерии, отнесенные к роду Klebsiella {Klebsiellarubacearum). Листовые клубеньки также обогащают растение азотом.Поэтому в Индии, Шри-Ланке и других странах листья Pavetta ис-пользуют как зеленое удобрение.

Азотфиксирующие симбионты обогащают почву азотом в сле-дующей степени: однолетние бобовые (фасоль, соя, вика, бобы, го-рох, чечевица) накапливают 40—110 кг/га азота в год), многолетние(клевер, люцерна) — 150—220, тропическое бобовое — Sesbania ros-trata — от 324 (сухой сезон) до 458 (влажный сезон), небобовые рас-тения — 150—300 кг/га азота в год.

11.5. Биохимия азотфиксацииМолекула азота характеризуется очень прочной тройной связью, кото-рая обусловливает инертные свойства газа. Так, азот с трудом вступаетв химическую связь с другими элементами и веществами. Используе-мый в производстве азотных минеральных удобрений метод Габера—Боша, заключающийся в синтезе аммиака из молекулярного азота иводорода на катализаторах, требует высоких температуры и давления.В то же время микробиологическое связывание молекулярного азотаосуществляется при обычных температуре и давлении.

Фиксация азота атмосферы представляет собой восстанови-тельный процесс, и первым его продуктом, который можно вы-явить, служит аммиак. Процесс восстановления азота представляетсобой ряд ферментативных реакций, осуществляемых ферментнымкомплексом нитрогеназой. Активный центр нитрогеназы содержитдва компонента: первый состоит из белка, в состав которого входятмолибден, железо и сера, или Mo-Fe-белка, второй — из белка, со-держащего железо и серу, или Fe-S-белка. Выявлена также ванадий-

231

содержащая нитрогеназа, однако уровень активности ее на 30% ни-же, чем у молибденсодержащей нитрогеназы. В природных субстра-тах при нехватке молибдена последний может замещаться ванадием.

Впервые нитрогеназа была обнаружена в клетках анаэробногоазотфиксатора Clostridium pasteurianum, затем у аэробных свободножи-вущих бактерий, клубеньковых бактерий и других связывающих азотмикроорганизмов. Нитрогеназа и катализуемый ею процесс фиксацииазота характеризуются чрезвычайно высокой чувствительностью к мо-лекулярному кислороду. Последний служит энергичным акцепторомводорода и подавляет образование восстановленных продуктов азота.

У свободноживущих азотфиксаторов существуют особые меха-низмы, защищающие нитрогеназу от кислорода. Как уже отмечалось,у клубеньковых бактерий функцию защиты нитрогеназы от высокогопарциального давления кислорода выполняет леггемоглобин, обла-дающий высоким сродством к кислороду. Леггемоглобин цитоплазмыклеток клубенька, в которых локализованы бактероиды, препятствуетсвободному доступу кислорода, обеспечивая дозированное его пос-тупление, что необходимо бактероидам для роста и получения энер-гии, и в то же время не сказывается отрицательно на фиксации азота.

Считают, что процесс связывания молекулярного азота начина-ется с поступления азота, растворенного в воде, в азотфиксирующийцентр, где в активации молекулы азота участвуют два атома молиб-дена (рис. 51). В результате взаимодействия с азотом молибден вос-станавливается, принимая электроны, которые поступают в активныйцентр через Fe-S-белок и Mo-Fe-белок. Такой перенос электроновсвязан с гидролизом АТФ, т. е. идет с затратой энергии. В транспортеэлектронов к нитрогеназе принимает участие железосодержащийводорастворимый белок-фермент ферредоксин, а в активации водо-рода воды и переносе протонов — фермент гидрогеназа.

Рис. 51. Схема взаимосвязи процессов, лежащих в основе фиксациимолекулярного азота (по: В. Л. Кретович)

232

Восстановленный ферредоксин, служащий донором электро-нов, образуется у свободноживущих азотфиксаторов рода Clostridiumпри так называемом фосфорокластическом расщеплении пирувата собразованием ацетилфосфата, а у пурпурных зеленых серобактерийи цианобактерий — в процессе фотосинтеза.

Главный источник АТФ у аэробных азотфиксаторов — окис-лительное фосфорилирование, у анаэробных — фосфорокластиче-ская реакция, у фототрофных фиксаторов азота — фотофосфорили-рование. Для клубеньковых бактерий источником энергии для про-цесса фиксации азота служат продукты фотосинтеза, поступающиеиз листьев растений. Они трансформируются и запасаются в бакте-роидах главным образом в виде поли-В-гидроксимасляной кислоты,при использовании которой происходит образование АТФ.

Восстановление одной молекулы азота до двух молекул NH3 требуетзатраты энергии в виде 12 молекул АТФ:

N2 + 6Н+ + бе- + 12АТФ > 2NH3 + 12АДФ + 12ФН

Как видно, процесс фиксации молекулярного азота связан с затратамибольшого количества энергии. Например, Clostridium pasteurianum для связы-вания 1 мг N2 в процессе брожения перерабатывает 500 мг сахара. Источни-ками протонов, электронов и АТФ служат процессы брожения (у анаэроб-ных азотфиксаторов), дыхания (у аэробных азотфиксаторов) и фотосинтеза(у цианобактерий, пурпурных и зеленых серных бактерий).

Восстановление молекулярного азота до аммиака осуществ-ляется в т р и последовательные стадии. Вначале N2 превращаетсяв диимид (HN=NH), затем в гидразин <H2N—NH2) и, наконец, в NH3:

Установлено, что нитрогеназа может восстанавливать не толь-ко молекулярный азот (N=N), но и ацетилен (НС=СН), азид, за-кись азота, цианид, нитриты, изонитрилы и протоны. На восстанов-лении ацетилена основан метод, который используют для выявле-ния нитрогеназы. Ацетилен восстанавливается только до этилена,который достаточно легко определить методом газовой хроматогра-фии. Все до настоящего времени изученные азотфиксирующие бак-терии и симбиотические ассоциации обладают способностью восста-навливать ацетилен в этилен. Нитрогеназная система при участииАТФ катализует также восстановление протонов, сопряженно обра-зующихся в процессе азотфиксации, до молекулярного водорода.

Аммиак, образовавшийся в процессе фиксации N2, связыва-ется кетокислотами, что приводит к синтезу аминокислот. Так, из

233

2-оксоглутарата и аммиака получается глутаминовая кислота. Глу-таминовая кислота с затратой энергии в виде АТФ превращается вглутамин, а из него синтезируется важнейший метаболит — аспара-гин. Из щавелевоуксусной кислоты и аммиака образуется аспараги-новая кислота, из пирувата и NH 3 — а-аланин и т. д. В дальнейшемаминокислоты идут на синтез белков и других азотсодержащих ор-ганических соединений.

Процесс связывания молекулярного N2 бактериями подвер-жен регуляции. Так, у многих микроорганизмов синтез нитрогеназыпроисходит только тогда, когда она нужна, т. е. когда в среде отсут-ствует источник связанного азота. В присутствии ионов аммониясинтез фермента подавляется. В регуляции образования нитрогена-зы важная роль принадлежит ферменту глутаминсинтетазе. Глута-минсинтетаза и глутаматсинтаза необходимы микроорганизмам,чтобы включать ионы аммония в органические соединения в техслучаях, когда их концентрация NH+

4 низка. Благодаря высокомусродству к ионам аммония эти ферменты поддерживают концентра-цию NH+

4 в бактериальной клетке на низком уровне. Увеличениеконцентрации ионов аммония в среде, а следовательно, и внутриклетки бактерии, ингибирует глутаминсинтетазу, а в конечном итогеи синтез нитрогеназы.

Бактериальные гены, вовлеченные в процесс азотфиксации,обозначаются индексами nif и fix. Синтез нитрогеназного комплексау микроорганизмов непосредственно кодируется 17 nif-генами, ко-торые либо входят в состав хромосомы (Klebsiella, Bradyrhizobium),либо существуют в форме огромной мегаплазмиды (Rhitobium). Ос-тальные гены, участвующие в азотфиксации (кроме nif-генов), отно-сят к fix-генам. Гены nif высококонсервативны, поэтому при пе-реносе в другие виды бактерий продукты указанных генов легко«вписываются» в метаболизм нового хозяина. Следовательно, спо-собность к связыванию азота может передаваться от одной бактериик другой при прямом межклеточном контакте. Благодаря существо-ванию эффективных систем обмена генетической информацией nif-гены достаточно широко распространены в мире микроорганизмов.

В 80-х гг. XX столетия разрабатывался генно-инженерный про-ект, направленный на перенос nif-генов в высшие растения с тем,чтобы обеспечивать фиксацию азота непосредственно в растительныхтканях независимо от наличия симбиотических микроорганизмов.В рамках этого проекта была предпринята попытка передать группуnif-генов Klebsiella pneumoniae в клетки низших эукариот — дрожжей.В одном случае все 17 nif-генов были интегрированы в хромосомудрожжей, а в другом — была осуществлена трансформация дрожже-вых клеток автономной плазмидой со встроенной nif-областью.

Однако в обоих типах трансформированных клеток дрожжей —и с хромосомой, и с плазмидной локализацией nif-области — отсут-

234

ствовала как фиксация азота, так и заметная экспрессия каких быто ни было трансформированных генов. Осуществление азотфикса-ции вне клеток азотфиксирующих бактерий сопряжено с большимитрудностями, в частности, поскольку для связывания N2, помимонитрогеназы необходимы еще специфичные железо- и серосодержа-щие белки, требуется также защита этого фермента от кислорода.Однако удалось передать nif-гены от Klebsiella pneumoniae к Escheri-chia coli при конъюгации, при этом наблюдались нормальная экс-прессия nif-генов и успешная азотфиксация. Успешно проведены идругие эксперименты по переносу плазмидных nif-генов в клеткинеазотфиксирующих прокариот.

Контрольные вопросы и задания

1. Каково значение фиксации молекулярного азота для растений? 2. Приведитепримеры свободноживущих микроорганизмов, усваивающих азот. 3. В чем сутьассоциативной азотфиксации и какие микроорганизмы ее выполняют? 4. Ка-кие растения вступают в симбиотические отношения с азотфиксирующимибактериями? 5. Перечислите симбиотические признаки клубеньковых бак-терий. 6. На какие стадии можно разделить процесс восстановления моле-кулярного азота до аммиака?

Глава 12 Микробиологическиепревращения соединений серы,фосфора, железа

В биосфере постоянно происходит круговорот элементов, в ко-тором основная роль принадлежит микроорганизмам. В предыдущихглавах мы познакомились с разнообразными микробиологическимипроцессами, которые связаны с превращениями углерода, кислоро-да и азота. Ниже рассматриваются циклические превращения такихважных элементов, как сера, фосфор и железо.

12.1. Биологический цикл соединений серыСера — необходимый питательный элемент для организмов. В почвеона встречается в форме сульфатов — CaSO4 • 2Н2О, Na2SO4, K2SO4,(NH4)2SO4, сульфидов — FeS2, Na2S, ZnS и органических соедине-ний. Сера содержится в аминокислотах белков — растений, живот-ных и микроорганизмов, валовые ее запасы в почвах сравнительноневелики, и растения часто испытывают недостаток в ней.

Органические и неорганические формы серы под влиянием де-ятельности микроорганизмов подвергаются в почве различным пре-

235

Рис. 52. Биологический цикл превращения серы

вращениям. Направление трансформаций соединений серы регулиру-ется в основном факторами внешней среды. Органические соедине-ния серы могут быть разрушены и минерализованы. В определенныхусловиях восстановленные неорганические соединения серы подвер-гаются окислению микроорганизмами, а окисленные (сульфаты,сульфиты и др.), наоборот, могут быть восстановлены в H2S (рис. 52).

Окисление соединений серы. Среди активных окислителейвосстановленных неорганических соединений серы можно выделитьследующие группы микроорганизмов:

• тионовые бактерии, представленные родами Thiobacillus,Thiosphaera, Thiomicrospira, Thiodendron, а также ахребакте-рии рода Sulfolobus;

• одноклеточные и многоклеточные (нитчатые, образующиетрихомы) формы, относящиеся к родам Achromatium, Thio-bacterium, Thiospira, Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca и др.;

• фотосинтезирующие пурпурные и зеленые серные бакте-рии, а также некоторые цианобактерии;

• хемоорганогетеротрофные организмы родов Bacillus, Pseudo-monas, актиномицеты и грибы (Penicillium, Aspergillus).

Микроорганизмы первой группы обитают в почве. Нитчатыеформы встречаются главным образом в грязевых водоемах, воз-можно их развитие в затопленных почвах, содержащих восстанов-

236

ленные формы серных соединений. Фотосинтезирующие бактериипреимущественно обитают в водной среде (пруды, морские лагуны,озера и т. д.).

Наиболее широко распространены тионовые бактерии родаThiobacillus, впервые выделенные из морского ила в 1902 г. М. На-тансоном, а в 1904 г. — М. Бейеринком. Представители данного ро-да способны окислять тиосульфат, сероводород, сульфиды, тетрати-онаты и тиоцианаты. Наиболее изучены виды: Т. thiooxidans, Т. thio-parus, Т. novellus, Т. denitrificans, Т. ferrooxidans и др.

Бактерии рода Thiobacillus представляют собой неспорообра-зующие грамотрицательные палочки длиной от 1 до 4 мкм, диа-метром около 0,5 мкм. Большинство видов рода подвижны и пере-двигаются с помощью полярного жгутика. Источником углерода длясинтеза органических соединений бактерии служат СО2 и бикарбо-наты.

За исключением Т. novellus и некоторых других видов, относя-щихся к факультативным хемолитоавтотрофам и хемолитогетеро-трофам, представители рода Thiobacillus облигатные хемолитоавто-трофы, т. е. живут за счет энергии, выделяющейся при окислениинеорганических соединений серы. Ход окислительных процессов,вызываемых серными бактериями, может быть представлен следую-щими уравнениями:

H2S + 1/2О2 > S + Н2ОH2S + 2O2 >H2SO4

2S + ЗО2 + 2Н2О > 2H2SO4

5Na2S2O3 + 4О2 + Н2О > 5Na2SO4 + H2SO4 + 4S2Na2S2O3 + 1/2O2 + H2O > Na2S4O6 + 2NaOH

Тетратионаты могут подвергаться дальнейшему окислению досерной кислоты:

Na2S4O6 + SO2 + 6Н+ > Na2SO4 + 3H2SO4

Гипотетическая цепь реакций окисления элементарной серыбактериями рода Thiobacillus может быть представлена в следующемвиде:

По имеющимся данным, для окисления бактериями молеку-лярной серы необходим ее контакт с клетками, причем скорость

237

процесса зависит от площади соприкосновения элемента с бактери-альными клетками. Последнее позволяет предположить, что на кле-точной поверхности бактерий действуют ферменты, способствую-щие поступлению серы внутрь клетки, и под их влиянием серавосстанавливается до сульфидного иона, окисление которого проис-ходит в дальнейшем внутриклеточно. Sulfolobus sp. и Thiobacillus fer-rooxidans кроме окисления серы обладают также способностьюокислять двухвалентное железо Fe2+.

Тионовые бактерии — облигатные аэробы, за исключениемТ. denitrificans, который в присутствии нитрата развивается как ан-аэроб. В последнее время обнаружены сероокисляющие бактерии,способные к жизнедеятельности при рН 2—3 и температуре 70—75 °Си сохраняющие жизнеспособность при 90 °С. Это термоацидофиль-ные архебактерии, факультативные хемолитоавтотрофы рода Sulfolo-bus. Распространены они в термальных серных источниках.

Одноклеточные бесцветные серобактерии представлены Achro-matium, Thiobacterium, Macromonas, Thiospira и др. Эти организмыимеют сферическую, овальную, палочковидную или извитую форму,есть подвижные и неподвижные, грамотрицательные. К многокле-точным бесцветным (нитчатым) серным бактериям относят микро-организмы родов Beggiatoa, Thioploca, Thiothrix и др. Они окисляютсероводород до элементарной серы, которая временно откладывает-ся внутри клеток. Установлена способность бактерий указанных ро-дов окислять серу и использовать органические вещества. Способ-ность автотрофного усвоения СО2 для снабжения клеток углеродомпока не доказана.

Окисляют соединения серы также фотолитоавтотрофные пур-пурные и зеленые серные бактерии. Они обычно обитают в среде, гдеимеется H2S. Большой роли в почвах не играют.

Серу могут окислять многие хемоорганогетеротрофные мик-роорганизмы, например некоторые виды родов Bacillus, Pseudomo-nas, актиномицетов и грибов. Хемоорганогетеротрофные организмыокисляют серу в присутствии органических веществ. Такое пре-вращение представляется для них побочным процессом в главномнаправлении метаболизма. Окисление серы хемоорганогетеротроф-ными микроорганизмами идет довольно медленно и слабо.

Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы,применяют при разработке месторождений полезных ископаемых.Так, проведены исследования, которые позволили начать примене-ние окисляющих серу бактерий из рода Thiobacillus .(Т. ferrooxidans)для выщелачивания бедных сульфидных руд. Наиболее практическиосвоены методы микробиологического выщелачивания меди из ми-нералов, в которых медь соединена с серой. Обработке подвергаютотвалы бедных руд на поверхности или под землей. Аналогично бак-

238

терии рода Thiobacillus можно использовать для получения различ-ных металлов и редких элементов из минералов, содержащих серу.

Использование микробов в качестве «металлургов» экономиче-ски выгодно. Стоимость меди, полученной микробиологическим вы-щелачиванием, обходится в два с половиной раза дешевле, чемгидрометаллургическим способом. Микробиологический способ раз-работки полезных ископаемых применяют во многих странах мира.

Восстановление неорганических соединений серы. Оно осу-ществляется при разнообразных обменных процессах. Сульфаты мо-гут быть источником серы как для микро-, так и для макроорганиз-мов. Усвоение данных соединений сопровождается восстановлениемсеры в биосинтетических процессах, при так называемой ассимиля-ционной сульфатредукции. Если растворимые сульфаты закрепляют-ся в клетках микроорганизмов, процесс обозначают как иммобилиза-цию серы.

В плохо аэрированных, затопляемых почвах, с дефицитомкислорода, а также в водах лиманов, некоторых морей и других во-доемов в зоне анаэробиоза происходит микробиологическое восста-новление сульфатов в результате диссимиляционной сульфатредук-ции, или сульфатного дыхания.

Среди бактерий, вызывающих восстановление сульфатов, наи-более подробно изучены неспорообразующие — род Desulfovibrioи спорообразующие — род Desulfotomaculum.

К роду Desulfovibrio относят неспороносные грамотрицательныеизогнутые палочки, иногда S-образные или спиральные, имеющиеполярные жгутики и отличающиеся большой подвижностью. Это об-лигатные анаэробы, мезофилы (оптимальная температура 30 °С). Об-наружены в морской воде или иле, пресной воде и почве. Типичныйвид — Desulfovibrio desulfuricans. Известны также D. vulgaris и D. gigas.Среди представителей рода встречаются галофилы.

Бактерии рода Desulfotomaculum представлены грамотрица-тельными, прямыми или изогнутыми спорообразующими подвиж-ными палочками с перитрихальным расположением жгутиков. Этооблигатные анаэробы, восстанавливающие сульфаты до сульфидов.Они обнаружены в пресных водах, почвах, геотермальных областях,некоторых испорченных продуктах, в кишечнике насекомых и руб-це животных. Desulfotomaculum nigrificans может превращать сульфа-ты в сульфиды при высоких температурах (оптимум 55 °С). К родуDesulfotomaculum относят также D. orientis, представленный изогну-тыми палочками, D. ruminis и О. acetooxidans, имеющие прямые па-лочки.

Обнаружен ряд новых сульфатредуцирующих бактерий, —в частности, рода Desulfobacter с неспорообразующими палочками,родов Desulfococcus и Desulfosarcina, представленных кокковыми

239

формами, и рода Desulfonema, — имеющих нитевидную форму и пе-редвигающихся скольжением.

Сульфатредуцирующие бактерии — специализированная груп-па анаэробных микроорганизмов, использующих сульфат как ак-цептор электронов (водорода) для окисления органических соедине-ний или водрода. Большинство сульфатредуцирующих бактерийотносится к гетеротрофам, но известны и автотрофные виды.Донором электронов (водорода) для сульфатредукторов служат орга-нические соединения (кислоты, спирты), а также молекулярный во-дород; продуктом восстановления соединений серы является H2S.

Анаэробное окисление органических веществ некоторымисульфатредуцирующими бактериями (Desulfotomaculum nigrificans,D. orientis, D. ruminis, D. vulgaris, D. desulfuricans и др.) является не-полным и ведет к аккумуляции уксусной кислоты и ее солей как ко-нечного продукта:

Другие виды осуществляют полное окисление органическихвеществ, в том числе и ацетата, до СО2.

Восстановлению могут подвергаться и другие соединения се-ры, например тиосульфаты и молекулярная сера. ВосстановлениеSO3

2- и S2O3

2 - до Sx° осуществляют облигатно анаэробные бактерииClostridium thermosulfurogenes, выделенные из термального источника.Это хемоорганогетеротрофы, термофилы, они могут вызывать бро-жение с образованием этанола, молочной и уксусной кислот, Н2,осуществляют гидролиз пектина и крахмала. Восстановление ти-осульфата С. thermosulfurogenes выполняют с образованием молеку-лярной серы, которая откладывается на их клеточных стенках и вы-деляется в среду.

Молекулярную серу могут восстанавливать до H2S многиетермоацидофильные облигатно анаэробные архебактерии — Desulfu-rococcus mucosus, Pyrococcus furiosus, Thermoproteus tenax и др. Пере-численные виды обитают в кислых гидротермальных источниках.Так, для Pyrococcus furiosus оптимальная кислотность среды состав-ляет 1, температурный оптимум — 100 °С. В анаэробных условияхсеру могут восстанавливать архебактерии рода Sulfolobus, которые,как указывалось выше, в аэробных условиях серу окисляют.

Значительное количество сероводорода образуется при мине-рализации белковых соединений. Возбудителями данного процессаслужат бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Proteus, Clostridium и др.Считают, что биогенная сера, которая поступает в атмосферу в видеорганических летучих соединений, представляет главным образомпродукт жизнедеятельности бактерий, минерализующих белковыевещества.

240

Сульфатредуцирующие бактерии наносят определенныйущерб, разрушая материалы, неустойчивые к сероводороду. Указан-ные организмы разлагают нефтяные продукты, загрязняют серово-дородом промышленный газ и т. д. Деятельность сульфатредуци-рующих бактерий — одна из причин коррозии металлического обо-рудования в анаэробной зоне. Считают, что ущерб от коррозиитрубопроводов под землей наполовину может быть отнесен на счетэтих микроорганизмов.

Сероводород токсичен, поэтому при накоплении его в почверастительность быстро погибает. Если сероводород образуется в во-доеме, то растения и животные в нем также гибнут. В некоторыхозерах, лиманах и даже в открытом море на определенной глубине(в Черном море на глубине 200 м) сероводород накапливается в та-ком количестве, что полностью подавляет развитие большинстваживых существ.

В то же время бактерии, восстанавливающие сульфаты, игра-ют большую роль в геологических процессах. Они образуют H2S,участвующий в образовании серных руд. При окислении серово-дорода серными бактериями появляются залежи серы промышлен-ного значения. Сульфатредуцирующие бактерии участвуют и в обра-зовании сульфидных руд.

12.2. Превращение соединений фосфора

Превращение органических соединений фосфора. По зна-чению в питании растений фосфор занимает второе место послеазота. Он входит в состав почвы, растений и микроорганизмов в ви-де органических и неорганических соединений.

В почву соединения фосфора поступают с растительнымии животными остатками, а также с минеральными удобрениями.

Фосфор в почве может быть в следующих формах:• в составе первичных минералов — в форме фосфатов каль-

ция (апатиты, оксиапатиты, фторапатиты, фосфориты),фосфатов или оксифосфатов железа (вивианит);

• в органической форме — от 25 до 85% общего фосфорав разных почвах; органический фосфор составляет от 0,5до 2% органического вещества почвы; фосфор входит в со-став фитина и других инозитфосфатов, нуклеиновых кислоти нуклеотидов, лецитина и гумусовых соединений.

Сельскохозяйственные растения содержат от 0,05 до 0,5%фосфора. У растений, как и у животных, данный элемент находитсяв форме органических соединений (фитин, фосфолипиды, нукле-иновые кислоты и т. д.). Фосфор (неорганический ортофосфат) мо-жет также присутствовать в клеточных вакуолях в качестве внутрен-него буфера.

241

В противоположность азоту и сере, которые в растительныхтканях находятся в восстановленной форме ( = N H 2 , =SH), фосфорвходит в органические соединения в окисленной форме — в видефосфата.

В обмен микроорганизмов вовлекаются такие фосфорорганическиесоединения, как фитин, фосфолипиды, нуклеопротеиды.

Фитин — кальциймагниевая соль инозитфосфорной кислоты:

Фосфолипиды, или фосфатиды, или сложные жиры, представляютсобой эфиры глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Напри-мер, один из спиртовых гидроксилов глицерина образует эфир с фосфор-ной кислотой, которая, в свою очередь, связана с каким-либо другим со-единением. Таким соединением может быть холин (тогда фосфолипид но-сит название лецитин), или коламин (тогда фосфолипид именуют кефали-ном):

Нуклеопротеиды состоят из белков и нуклеиновых кислот. В молеку-лу последних входит ряд пуриновых и пиримидиновых оснований, пентоза(сахар) и фосфат.

Большой резерв органического фосфора в почве не может быть ис-пользован растениями без предварительного превращения его микроорга-низмами в доступную неорганическую форму.

Органические источники фосфора усваиваются микроорганизмами сразличной скоростью. Легче всего дефосфорилируются нуклеиновые кисло-ты, фитин разлагается медленно, лецитин по скорости разложения занимаетсреднее положение. В качестве примера показано разложение фитина мик-роорганизмами. Под влиянием фермента фитазы фосфат отщепляется от

242

инозитфосфорной кислоты или ее кальциймагниевой соли — фитина с об-разованием инозита и фосфорной кислоты:

Органические соединения фосфора разлагаются бактериямиродов Pseudomonas, Bacillus (В. megaterium, В. mesentericus), грибамиродов Penicillium, Aspergillus, Rhizopus, Trichothecium, некоторыми ак-тиномицетами и другими микроорганизмами. Разложение указан-ных соединений осуществляют также дрожжи (Rhodotorula, Saccharo-myces, Candida, Hansenula и др.).

Разложение органических веществ при участии микроорга-низмов сопровождается фиксацией в клетках определенного коли-чества фосфора в виде тех же органических веществ. Поэтому вне-сение в почву органических соединений, слишком бедных фосфо-ром, например соломы, может вызывать биологическое закреплениефосфатов и связанное с ним фосфорное голодание растений.

Превращение неорганических соединений фосфора. Ряд не-органических форм фосфора в почве представлен нерастворимымифосфатами кальция (апатиты, оксиапатиты, фосфориты), которые со-держатся в основном в нейтральных и щелочных почвах (в кислыхпреобладают соли железа и алюминия). Такие соединения фосфоравходят в состав минералов и недоступны или слабо доступны растени-ям. Многие микроорганизмы могут переводить нерастворимые соеди-нения фосфорной кислоты в растворимое состояние, среди них пред-ставители бактерий, актиномицетов, грибов и других групп микроор-ганизмов родов Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Mycobacterium,Penicillium, Aspergillus и т. д. Растворение фосфатов в почве происходитв результате образования диоксида углерода или различных кислот.

Появляющийся в результате дыхания или других процессовразрушения органического вещества диоксид углерода в присутст-вии воды переходит в угольную кислоту, которая более или менеебыстро растворяет нерастворимый фосфат:

Са3(РО4)2 + 2СО2 + 2Н2О > 2СаНРО4 + Са(НСО3)2

243

Мобилизация нерастворимых соединений фосфора происхо-дит также благодаря образованию микроорганизмами органическихкислот и кетокислот при неполном окислении углеводов или ихброжении. В некоторых случаях растворению фосфатов способству-ют азотная кислота, образующаяся при жизнедеятельности нитри-фицирующих бактерий, серная кислота, появляющаяся в результатедеятельности сероокисляющих бактерий.

12.3. Превращение соединений железаЖелезо в небольших количествах необходимо всем живым существам.В почве оно содержится в органическом и неорганическом виде. Рас-тительные организмы усваивают неорганические соединения железа,находящиеся в почве в растворимом виде. Существенную, если не ос-новную, роль в трансформации железа в природе, в частности в пере-воде нерастворимых его соединений в растворимые и обратно, играютмикроорганизмы. Биологический цикл железа показан на рисунке 53.

Минерализация органических соединений, содержащих же-лезо. Органические вещества, содержащие железо, могут быть пред-ставлены ферментами каталазой и пероксидазой, цитохромами,железопорфириновыми соединениями и др. Минерализацию желе-зосодержащих органических соединений осуществляют многие хе-моорганогетеротрофные организмы (бактерии, актиномицеты и гри-бы). Органическую часть молекулы, содержащей железо, усваиваеттот или иной микроорганизм, а железо освобождается и в аэробныхусловиях, как правило, осаждается в виде гидроксида. Таким обра-зом, осаждение элемента часто происходит в результате непосредст-венного воздействия микроорганизмов на органическую часть со-единения, а не на само железо.

штт Окисление восстановленных соединений железа. Многиемикроорганизмы прямо или косвенно участвуют в окислении желе-за. Их называют железобактериями. Данные организмы окисляюткомплексные органические соединения железа, а образующийся в

результате гидроксид железа откладывается наповерхности их клеток. Железобактерии пред-ставлены нитчатыми бактериями, флекси-бактериями, одноклеточными бактериями раз-личных родов, микоплазмами, цианобакте-риями.

Все железобактерии подразделяют надве большие группы: хемоорганогетеротрофыи хемолитоавтотрофы. К хемоорганогетеро-трофным железобактериям относят нитчатые,одноклеточные формы бактерий и мико-плазмы.

244

Нитчатые железобактерии разнообразны по морфологии, окис-ляют неорганические соединения железа в болотах, ручьях, железис-тых источниках, озерах, дренажных трубах и других влажных местахс образованием охристых осадков. Указанные микроорганизмы назы-вают охрообразователями. К ним относятся грамотрицательные,аэробные бактерии, имеющие слизистые чехлы, в которых накапли-вается окисное железо. У одних видов железобактерий нити непо-движны (Leptothrix), флексибактерии обладают способностью к сколь-жению (Toxothris, Spirothrix).

Род Leptothrix включает железобактерии, образующие цепочкиклеток. Их боковая поверхность выделяет гидроксид железа, из ко-торого формируется цилиндрический чехол, покрывающий всю це-почку. По мере утолщения чехла ограничивается доступ к клеткамзакисного железа, кислорода и СО2. Вследствие этого бактериаль-ные клетки покидают старые чехлы, выходят наружу и начинаютстроить новые чехлы. Из пустых чехлов образуются охристые осадкив водоемах.

Окисление Fe2 + Leptothrix осуществляет в результате действияперекиси водорода, которая образуется при окислении органиче-ских соединений и концентрируется в чехлах, поступающее туда же-лезо при участии фермента каталазы окисляется и откладываетсяв виде гидроксида. Подобной функцией обладают и некоторые сли-зистые цианобактерии.

Нитчатые бактерии обитают в воде. Их можно культивироватьна средах с органическим веществом. По-видимому, они хемоорга-ногетеротрофы. Одни нитчатые бактерии {Leptothrix ochraceae) сво-бодно плавают в воде, не прикрепляясь к субстрату, другие при-крепляются к какому-либо твердому предмету в воде. Размножаютсянитчатые формы поперечным делением с образованием специали-зированных подвижных клеток.

Одноклеточные бактерии могут окислять железо в почвах (илидругих средах) с нейтральной реакцией среды при наличии закисно-го железа и органических веществ. К таким микроорганизмам отно-сят коринеформную бактерию Arthrobacter siderocapsulatus и стебель-ковую бактерию со спирально закрученными стебельками, образую-щую звездчатые комплексы клеток в виде розеток, — Seliberiastellata.

К хемоорганогетеротрофным бактериям, аккумулирующимжелезо в почвах, относят и микоплазмы. Это мелкие бактерии безклеточной стенки, обычно они ассоциированы с прокариотнымиили эукариотными микроорганизмами и обладают способностью кпаразитизму. Микоплазмы полиморфны, они имеют кокковидныеклетки, связанные тонкими нитями, на поверхности которых откла-дываются окислы железа. Указаннная группа микроорганизмовпредставлена родами Gallionella, Siderococcus, Metallogenium.

245

Типичный представитель рода Gallionella — G. ferrugineae —имеет вибриоидные клетки со жгутиками. Клетки расположены надлинном плоском, спирально перекрученном стебельке. Одна сто-рона клетки вогнутая, другая — выпуклая. Из последней выделяетсянаружу коллоидный гидроксид железа, из которого постепенноформируется стебелек.

При делении клетки стебелек дихотомически ветвится. Изуче-ние стебельков под электронным микроскопом показало, что ониспособны к самостоятельному росту и на них возникают новые кле-точные образования. В стебельках обнаружен белок. По-видимому,стебельки — живые образования, а не мертвые части железобак-терий.

До последнего времени было не выяснено: эти бактерии —хемоорганогетеротрофы или хемолитоавтотрофы. У представителейрода Gallionella, однако, выявлена рибулозобифосфаткарбоксилаза,что свидетельствует о способности бактерий использовать энергию,освобождающуюся при окислении Fe2 + > Fe3 +, т. е. их можно от-нести к хемолитоавтотрофам.

К типичным хемолитоавтотрофным железобактериям относятоблигатно ацидофильные организмы, способные получать энергиюв результате окисления закисного железа и использовать углерод ди-оксида углерода.

Группу таких микроорганизмов представляют: тионовая бак-терия — Thiobacillus ferrooxidans, грамотрицательная бактерия с доволь-но сложным циклом развития (псевдококки — вибрионы-спирил-лы) — Leptospirillum ferrooxidans и архебактерия Sulfolobus acidocal-darius. Все перечисленные микроорганизмы развиваются в кислыхсредах (оптимум рН 2—3 и ниже). Они обитают в кислых руднич-ных водах, содержащих сульфиды разных металлов, в том числе пи-рит (FeS2), а также в пиритизированных торфяниках, железистыхисточниках.

Реакцию окисления двухвалентного железа в трехвалентноепри участии Thiobacillus ferrooxidans можно записать так:

4Fe 2 + + 4Н +

O24Fe 3 + + 2Н,О

Выявлены термофильные штаммы Sulfolobus acidocaldarius, ко-торые наряду с соединениями серы окисляют двухвалентное железо.

Установлена способность к накоплению оксидов железа у не-которых фототрофов, в частности цианобактерий. Подобную жеспособность проявляют нитчатые зеленые бактерии и отдельные во-доросли.

Хемолитоавтотрофные и ряд хемоорганогетеротрофных мик-роорганизмов, под влиянием которых происходит трансформацияжелеза в природе, принимают участие в образовании железистых от-

246

ложений. Последние обусловливают формирование осадочных же-лезистых руд в болотах, озерах и других водоемах.

Многие железобактерии окисляют не только железо, но имарганец. Например, нитчатая бактерия Leptothrix discophorus об-ладает способностью окислять Мп2+ до Мп4+. Выделен Metallogeniumsymbioticum, отнесенный к железоокисляющим микоплазмам, осу-ществляющий окисление марганца в строго аэробных условиях.В присутствии марганца указанный организм приобретает форму«паучка» с нитями, покрытыми окислами марганца и расходящими-ся из одного центра.

Восстановление окисленных соединений железа. В хорошодренированных почвах и водоемах большая часть железа и марганцавстречается в окисленном состоянии. При анаэробиозе наблюдают-ся восстановительные процессы в основном как результат активнос-ти хемоорганогетеротрофных бактерий родов Bacillus, Clostridiumи др. Окисные соединения железа и марганца восстанавливают мно-гие гетеротрофные аэробные организмы, резко смещающие окисли-тельно-восстановительный потенциал среды.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие группы микроорганизмов существуют за счет энергии, выделяю-щейся при окислении неорганических соединений серы? 2. Кратко охарак-теризуйте основные направления трансформации соединений серы в почве.3. В каких формах фосфор может находиться в почве? 4. Какие виды бакте-рий участвуют в трансформации соединений железа в почве? 5. Приведитепримеры химических реакций, осуществляемых микроорганизмами рас-сматриваемых групп.

Раздел 2

Сельскохозяйственнаямикробиология

Микроорганизмы почвыи их сообщества

Мир почвенных микроорганизмов весьма разнообразен, одна-ко в курсе микробиологии в основном рассматривают бактерии,в том числе актиномицеты, микроскопические грибы и близкиек ним организмы. Прочие группы обычно изучают в других курсах.

13.1. Методы определения численности,состава и активности почвенных микроорганизмов

Прямые методы определения численности микроорганиз-мов. При определении состава и активности почвенных микроорга-низмов прежде всего встает вопрос об общем количественном анали-зе микроорганизмов почвы. Наиболее объективный метод такогоанализа — прямое м и к р о с к о н и р о в а н и е почвы по С.Н.Ви-ноградскому. В соответствии с предложенной ученым методикойготовят почвенную суспензию и под микроскопом в определенномее объеме подсчитывают общее число микроорганизмов. При подго-товке почвенной суспензии целесообразно использовать один из ре-комендуемых способов диспергирования почвы и десорбции мик-роорганизмов из почвенных частиц: растирание почвы, обработкаповерхностно-активными веществами, ультразвукам и т. д. Далеепересчетом устанавливают, сколько микроорганизмов приходитсяна 1 г исследуемой почвы.

По Виноградскому, препараты готовят на предметном стеклеи просматривают под оптическим микроскопом. В поле зренияможно видеть палочковидные бактерии, мелкие и крупные кокки,обрывки мицелия грибов и актиномицетов и другие микроорганиз-мы. Определение числа бактериальных клеток прямым микроскопи-рованием облегчается при использовании люминесцентного микро-скопа и красителей. При этом микроорганизмы лучше видны средимелких частиц почвы. Красителями могут служить акридиновыйоранжевый, изотиоционат и др.

248

При окрашивании акридиновым оранжевым красный тон при-обретают мертвые клетки, зеленый — живые. Для окраски мицелия иустановления его длины при прямом микроскопировании пользуют-ся диацетатом флуоресцеина. Иногда прямую микроскопию приме-няют для микробиологического анализа срезов почвы, помещенныхв метилметакрилат, фильтратов почвенных суспензий (на фильтрахЗейца), окрашенных метиленовым синим или другими красителями.

Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе для подсчета микроорганизмовв почве рекомендовали пользоваться сконструированной ими ка-п и л л я р н о й камерой, глубина которой не превышает 30—40 мкм,а ширина — не более диаметра поля зрения микроскопа. Подсчитавчисло микроорганизмов в капилляре, можно также сделать пересчетна 1 г почвы.

Для прямого подсчета микроорганизмов почвы используютэлектронный микроскоп, при помощи которого наряду с обыч-ными видами можно обнаружить множество мельчайших форммикроскопических существ. Для прямого анализа микрофлоры поч-вы применяют и сканирующий электронный микроскоп, дающийобъемное изображение анализируемых объектов (рис. 54).

Прямые методы дают представление об общей численностимикроорганизмов в почве. Однако внешний облик микроорганиз-мов, как правило, не позволяет судить об их видовой принадлежнос-ти и функциях. Определить принадлежность микроскопических су-ществ, обнаруженных в почве, к разным систематическим и физио-логическим группам можно при помощи разнообразных приемов.

Косвенные методы определения численности микроорганиз-мов. Так, состав отдельных групп1 микроорганизмов (бактерии, ак-тиномицеты, грибы и т. д.) может быть уточнен посевом почвен-

1 Здесь и далее понятие «группы микроорганизмов» имеет, как пра-вило, не таксономический, а скорее, морфо-физиологический и функци-ональный — экологический смысл. Анализ подобных групп традиционноиспользовался в почвенной микробиологии, и именно в таком виде резуль-таты исследований были представлены в большинстве цитированных работ.Поэтому несколько условное понятие «групп» в учебнике сохранено, содер-жание же термина ясно из текста.

Студентам же, наверное, полезно задуматься, сколько раз за послед-ние десятилетия менялись объем и содержание ключевых терминов в мик-робиологии. Например, «бактерии» — палочковидные микроорганизмы, па-лочковидные неспорообразующие микроорганизмы (в отличие от бацилл);преимущественно одноклеточные формы (в отличие от мицеальных — акти-номицетов); прокариоты (за исключением прокариотических сйнезеленыхводорослей, впоследствии цианобактерий); все прокариоты (включая ци-анобактерии); наконец, снова лишь группа прокариот (поскольку к другойгруппе, или домену, теперь относят археи, или архебактерии). (Прим. ред.)

249

Р и с . 54. Почвенные микроорганизмы под сканирующим электронныммикроскопом: А — неспорообразующие бактерии; Б — спорообразующая бактерия;В — споры бациллы; Г— Streptomyces sp:, Д, Е — спороносцы стрептомицетов;Ж — конидиеносец Penicillium; 3 — конидии Penicillium; И — конидиеносецAspergillus (по: В. С. Гузев и др.)

250

ной с у с п е н з и и на р а з л и ч н ы е твердые п и т а т е л ь н ы есреды, где затем развиваются колонии микроорганизмов тех илииных групп. В практике обычно используют агаризованные или же-латинизированные, а иногда силикагелевые питательные среды.

После инкубации засеянных чашек в термостате подсчитыва-ют выросшие на твердой питательной среде колонии. Допуская, чтокаждая колония произошла из одного зародыша того или иногомикроорганизма, устанавливают число клеток в исходном образцепочвы.

Подобный пересчет имеет ряд условностей. Например, бак-териальные колонии могут вырасти на питательной среде не из од-ной клетки, а из группы клеток, оставшихся не разделенными впочвенной взвеси. Колонии грибов и актиномицетов вырастают какиз обрывков мицелия разной величины, так и из спор. Дифферен-цировать колонии, образованные из спор или мицелия указанныхмикроорганизмов, невозможно. Поэтому правильнее богатство почвмицелиальными микроорганизмами учитывать, измеряя длину ихмицелия при прямом микроскопировании.

Представляют значительный интерес примерные соотноше-ния числа микроорганизмов, подсчитываемых в одной и той жепочве различными методами. В таблице 3 приведены соответствую-щие данные Д. И. Никитина для дерново-подзолистых почв Под-московья.

Т а б л и ц а 3

Соотношение показателей численности микроорганизмов,определенных разными методами в дерново-подзолистых почвах

МетодЧисло микроорганизмов

в 1 г почвы

Соотношениепоказателей, полученных

разными методами

Посев на твердыепитательные среды

Прямой подсчетпод оптическиммикроскопом

То жепод электронныммикроскопом1Принято за единицу.

1—3 .106

5—20.108

20-25 . 109

150-1500

До 15 000

Как видно, прямая микроскопия дает показатели, во многораз превосходящие те, что получены методом посева. Указанное яв-ление объясняется прежде всего тем, что при прямом анализе под-

251

11

считывают живые и мертвые клетки. Число последних может бытьвелико, так как индивидуальная жизнь микроорганизмов очень ко-ротка. Однако численность мертвых клеток в почве обычно не пре-вышает 25% общего числа.

Общие показатели численности микроорганизмов, как бы ус-ловны они ни были, представляют интерес. На их основании можнопримерно вычислить массу совокупности микроорганизмов в почве.Как показывают подсчеты, эта масса составляет десятые доли про-цента массы почвы. При последовательном сравнении почв, начи-ная от более северных и кончая южными, можно отметить посте-пенное увеличение в них доли микробной массы.

Определение микробной биомассы. В последнее время дляустановления микробной массы почвы применяют косвенный ме-тод, рекомендованный Д . Д ж е н к и н с о н о м . Почву обрабатыва-ют летучим антисептическим веществом, убивающим микроорга-низмы. После дефумигации почвы определяют количество выделяе-мого диоксида углерода, который в основном образуется из отмер-ших клеток. Затем расчетным путем примерно устанавливают массуорганического вещества микроорганизмов.

Предложены и другие к о с в е н н ы е методы определения впочве массы отдельных групп микроорганизмов — для бактерий поспецифичной для прокариот мурамовой кислоте, для грибов — похитину, входящему в состав их клеток, для водорослей — по количест-ву хлорофилла и т. д. Почвенную биомассу примерно измеряют и покомпонентам микробной клетки — АТФ и ДНК и более точно био-химическим методом — по содержанию аденозина и аденина припомощи флуориметрии.

Применяется оригинальный « р е г и д р а ц и о н н ы й метод»:почву подсушивают при температуре не выше 70 °С, что нарушаетбарьер проницаемости микробных клеток, и в водную или солевуювытяжку переходит часть внутренних компонентов клетки. Кон-центрация таких компонентов может быть измерена и с использова-нием определенного коэффициента установлена биомасса микроор-ганизмов в почве.

В связи с тем, что при микроскопическом исследовании почвотдельные показатели условны, надежнее использовать одновремен-но несколько методов. По обобщенным данным Д. Г. Звягинцева,сырая масса бактерий в пахотном слое различных почв колеблетсяот 0,5 до 15 т/га, микроскопических грибов — от 5 до 20 т/га.

Учет численности отдельных физиологических групп. Прианализе почв нередко учитывают число отдельных физиологическихгрупп микроорганизмов. Это делают так называемым методомтитра, при котором твердые или жидкие избирательные (электив-ные) питательные среды для определенных групп микроорганизмовзасевают разными разведениями почвенной суспензии. После вы-

252

держивания в термостате отмечают ту степень разведения, в которойесть искомая группа микроорганизмов, и простым пересчетом опре-деляют численность представителей данной группы в почве. Так уз-нают, насколько богата почва нитрификаторами, денитрификатора-ми, целлюлозоразлагающими и другими микроорганизмами.

Метод титра используют при учете почвенных водорослей ипростейших. Для водорослей берут минеральные среды, которыепосле засева рядом разведений почвенной суспензии выдерживаютпри искусственном освещении. При учете простейших также мето-дом разведений почвенной суспензии инфицируют среды, содержа-щие микроорганизмы, которыми простейшие могут питаться.

Для характеристики типа почвы и ее состояния важны нетолько показатели численности разных групп микроорганизмов, нои анализ состояния в почве представителей отдельных родов и ви-дов. За редким исключением, физиологические группы микроорга-низмов очень разнообразны. Внешняя обстановка может резко ме-нять их видовой состав, но почти не отражается на числе физиоло-гических групп. Поэтому при анализе почвы важно установитьсостояние отдельных видов микроорганизмов.

Диагностика до вида даже обычных сапротрофов почвы не-возможна. Поэтому сейчас исследователи стремятся выявить микро-организмы, характерные для определенных почв. Список подобныхиндикаторных микроорганизмов пока невелик, но будет возрастать помере развития почвенной микробиологии. Уже сейчас определениеиндикаторных микроорганизмов помогает установить тип почвы,ее окультуренность и предсказать характер воздействия на почву аг-ротехнических и агрохимических приемов.

Наблюдение за микроорганизмами в природе. Приведен-ные методы анализа позволяют определить численность микроорга-низмов или отдельных их групп в почве, но не выявляют их состоя-ния (распределения, взаимосвязей и т. д.). Для выяснения данноговопроса существует ряд подходов. Так, в XX в. Н. Г. Холодный реко-мендовал изучать микробные пейзажи почвы при помощи «стеколобрастания». В соответствии с данным методом в почву заклады-вают предметные стекла и оставляют на определенный срок. По-верхность стекол обрастает микрофлорой, характерной для даннойпочвы. Последующий микроскопический анализ стекол позволяетполучить представление как о составе, так и о взаимоотношенияхмикроорганизмов в почве.

Новые возможности в области изучения микробных пейзажейпочвы открыл к а п и л л я р н ы й метод Б . В . П е р ф и л ь е в а иД. Р. Г а б е. Для изучения группового состава микроорганизмовпочв ими сконструирован капиллярный прибор — педоскоп, которыйможет быть использован и для работы с грунтами. Педоскоп пред-ставляет собой набор капиллярных ячеек с пятью-шестью прямо-угольными каналами. Ячейки закладывают в пазы широкого стек-

253

лянного держателя (рис. 55) и заполняют полужидкой агаризованнойсредой, содержащей в качестве органического субстрата гумусовыевещества (фульвокислоты), что создает для микроорганизмов усло-вия, близкие к почвенным. Педоскоп выдерживают в почве полто-ра-два месяца, затем просматривают под микроскопом. Описанныйметод позволяет выявить характерные для почвы микробные ассоци-ации.

Оценка биологической активности почв. При анализе почвустанавливают не только состав их микронаселения, но и суммар-ную б и о х и м и ч е с к у ю а к т и в н о с т ь . Одним из показателей та-кой активности служит нитрификационная способность почвы, ха-рактеризующая мобилизуемость азотного запаса почвы в результатедеятельности микроорганизмов.

Нитрификационную способность устанавливают по нараста-нию в почве количества нитратов после выдерживания при опреде-ленных условиях в термостате. По результатам такого анализа можносудить о потенциальной способности почвы накапливать то или иноеколичество минерального азота. Если в начале опыта в почву внестисоль аммония, то по накоплению нитратов можно получить дополни-тельное представление об активности нитрифицирующих бактерий.

При изучении почвенной биодинамики определяют интен-сивность «дыхания» почвы по в ы д е л е н и ю п о ч в о й СО2. Дан-ная проба отражает в основном интенсивность разложения в почвеорганических соединений.

Можно установить быстроту распада в почве любого химиче-ского вещества путем учета продуктов распада или убыли внесенно-го в почву соединения. Для этого используют метод «апплика-ций», при котором в почву помещают полосы бумаги или лучше

Рис. 55. Педоскоп с различными типами капиллярных ячеек(по: Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе)

254

льняной ткани, закрепленной на стекле. Периодически материал из-влекают из почвы, просматривают и фиксируют на нем зоны распа-да (рис. 56).

Аппликационный метод весьма показателен при решении не-которых агрономических задач. Например, он помогает выявить ин-тенсивность процессов в разных горизонтах пахотного слоя, устано-вить действие различных удобрений, мелиорирующих средств и т. д.

Для оценки биологической активности почвы исследуют такжеферменты, находящиеся в почве. В основном их продуцируютмикроорганизмы, поэтому между показателями активности фермен-тов почвы и определенными микробиологическими процессами на-мечается коррелятивная зависимость.

Рис. 56. Распад льняной ткани под действием микроорга-низмов в черноземе: А, Б, В — в течение одного, двух и трехмесяцев соответственно

255

Подобная связь отмечена, например, между активностью ин-вертазы и интенсивностью дыхания почвы, активностью оксидазы идинамикой нитратов. Абсолютные значения отдельных показателейактивности ферментов различаются для почв разных климатическихзон, что может быть использовано в диагностических целях.

При отмирании микроорганизмов окружающая среда еще бо-лее обогащается ферментами, которые в значительной части адсор-бируются почвенными коллоидами, что способствует стабилизациипоследних. Отмечено, что ферментные процессы в почве прекраща-ются при значительно более низкой влажности, чем деятельностьмикроорганизмов. Следовательно, биохимические процессы могутпротекать даже в относительно сухих почвах. Определение активнос-ти ферментов почвы может дать представление об их плодородии.

В зависимости от теоретических или практических задач поч-венные микробиологи пользуются различными комплексами мето-дов анализа почвы.

13.2. Структура микробных сообществ почвразных типов

Долгое время микроорганизмы вообще и почвенные в частностирассматривали как космополиты, более или менее однородно рас-пределенные по поверхности земного шара. Предполагалось, чтопочвы различаются лишь по численности, но не по составу их мик-ронаселения.

Детальное изучение специфики микрофлоры почвенных ти-пов началось в нашей стране в сороковых годах прошлого столетия.Сейчас работу по изучению микробных ценозов различных почвпроводят во многих научно-исследовательских учреждениях нашейстраны.

Численный состав микроскопических существ почв отличает-ся большой динамичностью. Даже за относительно короткие проме-жутки времени число микроорганизмов в почве может значительноменяться. Это следствие динамики температуры и влажности почвы,состояния растительного покрова и т. д. (рис. 57). Почти во всехпочвах наблюдается большая или меньшая активизация деятельнос-ти микроорганизмов весной. Очевидно, это связано с обогащениемпочв отмершей за осенне-зимний период растительностью и доста-точным увлажнением.

Кроме сезонных изменений, в численности почвенной мик-рофлоры отмечаются и кратковременные флуктуации. О причинепоследних существуют разные предположения. Некоторые исследо-ватели допускают, что число бактерий может резко снижатьсявследствие уничтожения их фагами или простейшими. Предполага-ют также накопление каких-то токсичных веществ в почве (этилена,

256

Рис. 57. Динамика численности сапротрофных бактерийв поверхностном горизонте почв: А — в северном подзоле;Б — в дерново-подзолистой; В — в серой лесной; Г — в черноземе;Д — в каштановой

окиси этилена и др.), временно подавляющих развитие определен-ных групп микроорганизмов.

Однако скорее всего флуктуации определяются неравномер-ным распределением микроорганизмов в почве. В связи с этим каж-дая взятая проба отличается по составу микробов от другой, что со-здает впечатление существенной динамики численности. Колебаниячисленности микробов не снимают вопроса о неодинаковой плот-ности заселения микроорганизмами почв различных типов. Несмот-ря на колебания, легко заметить, что в одних почвах микробовбольше, в других меньше. Если ориентироваться на средние цифры,то можно составить представление о богатстве тех или иных почвмикроорганизмами.

Микробиологические анализы дают условные показатели, нопри пользовании одной и той же методикой для изучения разныхпочв получают вполне сопоставимые результаты. Все применяю-щиеся методы (прямое микроскопирование и посев на разные пита-тельные среды) еще раз свидетельствуют о большем богатстве мик-робами южных почв по сравнению с северными.

2579 Микробиология

По мере перехода от более холодного северного климата к юж-ному микронаселение почв возрастает; во многих южных почвах имикробиологические процессы протекают более энергично.

Сапротрофная группировка микроорганизмов. Наиболееизучена сапротрофная, или зимогенная (от греч. туте — закваска),группировка микроорганизмов у различных почв, т. е. микроорга-низмы, разлагающие в основном легко доступные органические со-единения. Обычно сапротрофов учитывают методом посева на твер-дые, а иногда и в жидкие питательные среды, содержащие те илииные органические вещества. Наиболее часто используют мясо-пеп-тонный агар и крахмало-аммиачный агар, на которых хорошо выяв-ляются бактерии и, в частности, актиномицеты. Для учета микро-скопических грибов чаще используют подкисленный сусло-агар,среду Чапека и т. д.

В таблице 4 приведены усредненные данные о численности и со-отношение основных групп сапротрофных микроорганизмов в верхнихслоях различных почв (горизонт А целинных почв и пахотный слойокультуренных).

Данные таблицы не только подтверждают положение о боль-шем богатстве почв южной зоны микроорганизмами, но и позволяютвскрыть закономерность, которая не выявляется прямым микроско-пированием. Оказалось, что в почвах северной зоны спорообразую-щих бактерий и актиномицетов значительно меньше, чем в южных.Это объясняется тем, что бациллы и актиномицеты размножаютсяна более поздних этапах разложения растительных остатков. Крометого, северные почвы имеют кислую реакцию, которую плохо пере-носят актиномицеты. В южных почвах по сравнению с севернымиотносительное число грибов уменьшается при одновременном ростеих видового разнообразия. Окультуренные почвы всех зон обычнобогаче микроорганизмами, чем целинные. Вертикальная поясностьвлияет на состав почвенной микрофлоры так же, как и широтнаязональность.

Отдельные почвы существенно различаются по глубине мик-робиологического профиля. С углублением в почву количествомикроорганизмов постепенно уменьшается и меняется их состав.Снижение численности клеток с глубиной до известной степенисвязано с уменьшением количества гумуса в нижележащих слояхпочвы, но прямая корреляция отсутствует. Обычно с увеличениемглубины численность микроорганизмов снижается более резко, чемуменьшается содержание гумуса. В гумусных и нейтральных почвахмикробиологический профиль, как правило, все же более глубо-кий. По мере углубления в почву значительно меняется и характермикрофлоры. В более глубоких слоях относительно больше бацилл

258

и часто актиномицетов. Это особенно заметно в черноземах и серо-земах.

Как видно из приведенных данных, в составе зимогенноймикрофлоры богато представлены бактерии, особенно неспорообра-зующие формы. Однако количество их в разных почвах неодинако-во. Так, можно считать доказанным, что гнилостные бактерииPseudomonas fluorescens, являющиеся пионерами освоения органиче-ских растительных остатков, более богато представлены в почвах се-вера, где медленно идет минерализация. В почвах юга они обнару-живаются в значительном числе лишь в течение краткого временипосле внесения растительных остатков.

Представители рода Arthrobacter, по ряду признаков родствен-ные актиномицетам, в большем числе встречаются в почвах южнойзоны (табл. 5). Они характерны для более поздних стадий распадаорганического вещества и предпочитают нейтральную среду. В поч-вах севера очень часто присутствует значительное количество кори-небактерий.

Т а б л и ц а 5

Изменение соотношения Pseudomonas fluorescens

и Arthrobacter в различных почвах, % колоний,

учтенных на питательной среде

Зона

Тундра

Лесо-луговая

Сухая степь

Пустынная степь

Почва

Тундровыйподзол

Подзол и дерно-во-подзолистая

Чернозем

Серозем

Pseudomonas

До 80

До 20

До 15

До 8

Arthrobacter

0-5

0-5

До 10

50-60

Из неспорообразующих азотфиксирующих бактерий видырода Beijerinkia распространены только в кислых субтропическихпочвах (латеритах и желтоземах). Представители рода Enterobacterв большом количестве встречаются в лесных почвах средней поло-сы, а рода Spirillum — в южной зоне.

Основательнее изучены группировки спорообразующих бакте-рий, развитие которых связано с присутствием в почве более пере-работанного органического вещества. Каждому типу почв свойственхарактерный набор преобладающих видов бацилл. Другие видыздесь могут быть, но в очень малом количестве.

260

В почвах с энергичными мобилизационными процессамипреобладают бациллы, использующие не только азот органический,но и минеральный азот (Bacillus megaterium, В. mesentericus, В. subti-lis). Наоборот, в почвах со слабо протекающими процессами мине-рализации органических веществ доминируют спорообразующиебактерии, для которых необходим органический азот (В. cereus,В. mycoides и др.). В этом проявляется глубокая связь физиологиимикроорганизмов со свойствами среды их обитания (табл. 6).

Т а б л и ц а 6

В. Т. Емцевым детально изучена экология спорообразующихазотфиксирующих бактерий рода Clostridium. Некоторые из них,например С. pasteurianum, в больших количествах встречаются толь-

261

ко в северных почвах. В почвах южной зоны доминируют С. aceto-butylicum. При окультуривании почвы состав почвенной микро-флоры, в том числе бацилл и клостридий, существенно меняет-ся, появляются спорообразующие виды, свойственные более южнойзоне.

Иногда с органическими удобрениями (навоз или компост) впочву вносят специфичные для этих удобрений бациллы. Так, в разо-гревающемся при созревании навозе содержится много клеток Bα-cillis mesentericus, В. subtilis и термофильных бактерий.

С вертикальной поясностью почв связана в основном такая жесмена бациллярных и клостридиальных форм, как и при зональномраспределении. Однако почвы вертикальной поясности нельзя счи-тать полными аналогами горизонтально-зональных, поэтому и в со-ставе их микроорганизмов имеются некоторые различия.

Грибы. Северные почвы, имеющие кислую реакцию, наибо-лее богаты грибами. Вообще в разлагающейся растительной массеи в верхних слоях почвы их биомасса значительно больше бактери-альной. Учет массы грибного мицелия в разных почвах, проведен-ный Т. Г. Мирчинк, показал, что в тундре на 1 г почвы приходится4 мг мицелия грибов, в лиственных лесах — до 1 мг, а в почвах юж-ной зоны — 0,4—0,7 мг.

В почвах южной зоны родовой и видовой состав микроскопи-ческих грибов более разнообразен, чем в северных. В первых доми-нируют представители рода Aspergillus, а во вторых — Penicillium. Поимеющимся данным, род Penicillium в северных почвах представлен35—40 видами, а в южных — лишь 10—15. Обратная картина наблю-дается для грибов рода Aspergillus: в северных почвах в небольшомчисле встречаются три—пять видов рода, в южных — 15—20.

Северные почвы беднее, чем южные, грибами рода Fusarium,которые особенно обильно размножаются в каштановых почвах исероземах. Некоторые виды, например Fusarium sambicinum, свойст-венны только щелочным почвам. Мукоровыми грибами богаты поч-вы северных районов, однако некоторые роды {Choanephora, Сип-ninghamella, Rhizopus) приурочены к южным почвам.

В почвах обычно встречаются грибы с темнопигментирован-ным мицелием (Dematium, Cladosporium, Macrosporium, Alternaria и т. д.).Их экология плохо изучена, но отмечается, что представители родаDematium более распространены в почвах с малоактивными мобили-зационными процессами, т. е. в основном в северной зоне, а видырода Alternaria чаще встречаются в окультуренных почвах.

Выявлено, что одни виды рода Mortierella (М. vanaceae, М. usa-bellina) распространены в кислых почвах, другие (М. alpina, М. di-chotoma) — в нейтральных. Установлены индикаторные микроско-пические грибы для определенных типов почв.

262

По данным И. П. Бабьевой, в тундре при большой пестротепочвенного покрова основная часть дрожжей сосредоточена на мхахи торфе. Доминантные виды дрожжей в тундровых почвах не отно-сятся к типичным педобионтам и более характерны для живых и от-мирающих частей растений. Они представлены базидиомицетами(роды Rhodotorula, Rhodosporidium, Cryptococcus).

В лесных биогеоценозах много дрожжей имеется в подстилке.Они составляют группу базидиальных грибов (виды родов Candida,Trichosporon и др.). В минеральных горизонтах почвы дрожжей зна-чительно меньше. Здесь доминируют типичные педобионты — изаскоспоровых грибов Lipomyces starkeyi, из базидиомицетов — видыCandida и Cryptococcus.

В степном биогеоценозе травяной опад также богат дрожжа-ми. Здесь встречается до 14 видов родов Cryptococcus, Aureobasidium,Rhodosporidium и др. Для почвы характерно доминирование Lipomy-ces tetrasporium.

В биогеоценозах полупустынь и пустынь на растительностидоминируют дрожжи родов Sporodiobolus, Tilletiopsis и Sporobolomyces,образующие баллистоспоры, рассеивающиеся токами воздуха и имею-щие в жизненном цикле стадии, устойчивые к засухе, — хламидоспо-ры. Численность их видов невелика. Дрожжи в указанных регионахприурочены не к поверхностному слою почвы, а обитают на некото-рой глубине — ниже 20 см. Род Lipomyces в почве пустынь отсутст-вует. Доминируют криптококки.

Актиномицеты. Группа актиномицетов бактерий актиноми-цетной линии чрезвычайно обширна. В последние годы в изученииэкологии и географии этих микроорганизмов достигнуты большиеуспехи. Типичные формы, относящиеся к аэробам и образующиемицелий, широко распространены в почве. Подобно бациллам,стрептомицеты бедно представлены в северных почвах, но в южныхих численность резко возрастает, что подтверждается всеми метода-ми исследования.

Слабый рост актиномицетов в почвах северной зоны можетбыть объяснен как замедленным темпом разложения здесь органи-ческого вещества, так и слабой толерантностью организмов к поч-венной кислотности. Имеющиеся сведения нередко противоречивы,но несомненно, что почвы южной зоны не только богаче актиноми-цетами, но и имеют более разнообразный их видовой состав.

Очевидно, некоторые актиномицеты распространены чрезвы-чайно широко (группы albus, griseus, globisporus, violaceus и аспоро-генные формы albus). Однако группы violaceus и аспорогенные albusбогаче представлены в южных почвах. Некоторые группы актино-мицетов (fradis, flavus, chromogenes, rubroaurantiacus) в заметных ко-личествах обнаружены в серых лесных почвах. К югу их численность

263

также возрастает. Создается впечатление, что группа verticillatus иаспорогенные формы flavus и chromogenes также тяготеют к наиболееюжным почвам.

Смена состава актиномицетов в разных почвах хорошо выяв-ляется на примере пигментированных культур. Они гораздо большераспространены в почвах, формирующихся в условиях теплого кли-мата. Установлено, что и виды рода Actinomadura широко распрост-ранены повсеместно, но их видовое разнообразие значительно бога-че в южных почвах.

Целлюлозоразрушающие микроорганизмы. Процесс распа-да целлюлозы, вызываемый как бактериями, так и грибами, пред-ставляет существенный интерес для познания почвообразования.Большая часть растительных остатков состоит из целлюлозы. Изуче-ние микроорганизмов, разрушающих ее, показало, что их состав су-щественно меняется в разных почвах. В северных почвах (тундра)этот процесс связан с деятельностью некоторых медленно растущихгрибов, относящихся главным образом к родам Dematium и Penicil-lium. В зоне тайги в составе данной группы появляются микобак-терии и виды рода Cellvibrio. В южных почвах грибы в значитель-ной степени вытесняются как уже указанными видами бактерий,так и представителями родов Cytophaga и др. В заметных количе-ствах здесь появляются грибы рода Chaetomium. Биоценоз описан-ного состава в отличие от северного разрушает целлюлозу быстро.

Изучение особенностей физиологии разных групп целлюлозо-разлагающих микроорганизмов позволило объяснить их своеобраз-ную экологию. Особенности выражаются главным образом в требо-вательности к источникам азотного питания. Микроорганизмы се-верных почв (в основном грибы), хотя и медленно, растут и набедных азотными соединениями средах. Микроорганизмы южныхпочв, разрушающие целлюлозу, нуждаются в высоком уровне азот-ного питания. На юге процесс минерализации азота протекает зна-чительно энергичнее, что благоприятствует развитию микроорга-низмов, более требовательных к условиям среды.

Автохтонная микрофлора. Автохтонные (от лат. autochthonous —коренная, местная) микроорганизмы почвы разлагают гумусовые со-единения. Гумус представляет собой комплекс разных по сложностисоединений, весьма стойких к воздействию микроорганизмов. От-дельные составляющие гумуса существуют в почве многие сотни лет.Другие фракции гумуса, например фульвокислоты, разлагаются от-носительно легко. Поэтому при недостаточном поступлении в почвурастительных остатков содержание гумуса в ней существенно сни-жается, в основном за счет фульвокислот.

264

Рис. 58. Колонии микроорганизмоврода Nocardia на почвенном агаре(по: Е. 3. Теппер)

Среди микроорганизмов, спо-собных достаточно энергично ми-нерализировать гумусовые соедине-ния почвы, характерны представи-тели рода Nocardia, называемыеиногда проактиномицетами. Родвключает довольно много видов, раз-личающихся по морфологическими физиологическим признакам. Гу-мусовые соединения разрушаютсяс помощью проактиномицетов, об-разующие окрашенные в краснойцвет колонии (N. rubra, N. corallinaи др.), бесцветные и желтоокрашен-ные формы проактиномицетов та-кой спобностью не обладают.

Долгое время нокардий в почве не обнаруживали. Это объяс-няется тем, что на обычных питательных средах колонии указанныхмикроорганизмов по внешнему виду неотличимы от колоний боль-шинства сапротрофных бактерий. Е. 3. Теппер предложила исполь-зовать агаризованную среду с почвенной вытяжкой, на которой бак-терии рода Nocardia образуют колонии с мицелиальной периферией,что позволяет легко их диагносцировать (рис. 58).

Разрушающие гумус проактиномицеты способны усваивать ипростые органические соединения (аминокислоты, сахара, органи-ческие кислоты и т. д.). Исходя из этого, автохтонную группировкумикроорганизмов следует воспринимать как подгруппу сапротрофов,обладающую более мощным ферментативным аппаратом и способ-ную разлагать сложные цикличные соединения. Наблюдения пока-зывают, что чем энергичнее в почвах идут мобилизационные про-цессы, тем выше численность микроорганизмов рода Nocardia.

К процессу разложения гумуса причастны бактерии родовPseudomonas, Arthrobacter, Mycobacterium, Micromonospora, Clostridiumи т. д., а также грибы (виды Penicillium, Aspergillus и т. д.). Доказано,что чистые культуры микроорганизмов менее активно разлагают гу-мус, чем смешанные.

Микроорганизмы, трансформирующие гумусовые соедине-ния, играют существенную роль в формировании почвенного про-филя. Так, накопление соединений железа и алюминия в определен-ных горизонтах подзолистых почв связано с разрушением микроор-ганизмами перегнойных комплексов. Т. В. Аристовская установилаотложение железа в культурах бактерий Pedomicrobium, Seliberia идругих на средах с железогумусовыми комплексами. Последнее сви-детельствует об использовании данными бактериями гумусовой час-ти как источника органических веществ. Освободившиеся гидрок-сиды железа и алюминия вступают в реакции с фульвокислотами и

265

способствуют их выпадению из раствора и закреплению в аллюви-альном горизонте почвы.

При избыточном увлажнении в глубине почвы создаются ана-эробные условия, бактерии восстанавливают окисное железо. В ре-зультате образуются оглеенные горизонты.

Олиготрофные микроорганизмы. Олиготрофы составляютбольшую группу почвенного микронаселения. Многие представите-ли группы не растут на обычных питательных средах, так как не вы-носят высокой концентрации органических веществ и предпочита-ют ассимилировать питательные вещества из растворов с низкойконцентрацией как азотсодержащих (олигонитрофилы), так и орга-нических углеродсодержащих (олигокарбофилы) соединений.

Олиготрофы завершают минерализацию органических соеди-нений, т. е. представляют собой группировку, метаболически связан-ную с типичными представителями зимогенной микрофлоры. Оли-готрофы относят к группировке, названной Г. А. Заварзиным «мик-рофлора рассеяния». Эта группировка очень разнообразна. В неевходят многие типичные сапротрофы, способные развиваться набедных субстратах, а также ряд весьма специфичных видов (см. ни-же). Олиготрофы могут быть учтены посевом почвенных суспензийна бедные питательные среды.

Убедиться в существовании значительной группы олиготрофов,особенно в почве, удобряемой органическими веществами, можно наосновании многолетнего опыта, проведенного в МСХА. В почве,длительное время (более 50 лет) находившейся под паром, встреча-ется очень мало олиготрофов. В почве, занятой бессменной рожью,т. е. ежегодно обогащаемой пожнивными остатками, численностькак зимогенной, так и олиготрофной группировки намного выше.В почве, обогащенной органикой, олиготрофы получали хорошийзапас питательных веществ после разрушения пожнивных остатковзимогенными микроорганизмами.

Установлено, что относительная численность олиготрофов всеверных почвах намного ниже, чем в южных. Это может быть объ-яснено тем, что в холодном климате минерализация органическихсоединений проходит медленно. В условиях юга при достаточномувлажнении жизнедеятельность микроорганизмов более энергична,органические остатки быстро разрушаются и олиготрофы размножа-ются более активно.

Значительная часть олиготрофных бактерий отличается нео-бычными морфологией и циклом развития. Это весьма большойкомплекс так называемых новых форм микроорганизмов, которыеусловно подразделяют на четыре группы.

П е р в а я группа — почкующиеся бактерии. Это мелкие палоч-ковидные микроорганизмы, обычно образующие протоплазменныегифы, на концах которых формируются почки. После созревания

266

последние отделяются и дают начало новому организму. Молодыепочки подвижны.

К данной группе относят виды родов: Hyphomicrobium с невет-вящимися гифами; Pedomicrobium с ветвящимися гифами; Hyphomo-nas, которым свойствен плеоморфизм; Blastobacter, у которых гифыне образуются, но формируются почки на клетке.

Вторая группа — простекобактерии. Имеют на клетке вы-росты (простеки) диаметром 0,3 мкм и менее. Эти выросты пред-ставляют собой часть клетки, включая клеточную стенку, цитоплаз-матическую мембрану и цитоплазму.

К простекобактериям относят ряд родов: Prosthecomicrobium —палочковидные бактерии, размножающиеся делением, имеющиемногочисленные заостренные выросты до 2 мкм в длину; Ancalomic-robium — близкие по морфологии к предыдущему, но с более длин-ными (свыше 2 мкм) пальцевидными выростами и размножающие-ся почкованием; Labrys — бактерии с радиально-лучевым строениемклеток, напоминающие двухлезвийный топор и размножающиесяпочкованием; Stella — имеющие форму морской звезды с радиаль-но-лучевой симметрией, размножаются делением. К простекобакте-риям относят и ряд других микроорганизмов.

Третья группа — стебельковые бактерии. Для них характер-ны вибриоидные или палочковидные клетки, образующие стебелек,который окружен общей оболочкой с клеткой. До формированиястебелька молодые клетки имеют жгутики. Стебелек служит дляприкрепления к субстрату. В чистых культурах, где плотность попу-ляций высока, многие клетки прикрепляются друг к другу, образуярозетки. Размножаются делением перетяжкой.

В группу стебельковых бактерий входят часто встречающиесяв почве виды родов Caulobacter и Asticcacaulis. У первых стебелекотходит от конца клетки; у вторых — прикреплен к ее боковой сто-роне.

Ч е т в е р т а я группа — тороидальные, или кольчатые, бакте-рии. Клетки их отличаются изогнутой формой, неподвижные, раз-множаются делением. К данной группе относят виды родов: Micro-cyclus, имеющие изогнутые клетки; Renobacter — с палочковиднымиклетками и Spirosoma — со спиралевидными клетками.

Систематическое положение некоторых представителей оли-готрофных микроорганизмов пока трудно определить. Это, в част-ности, относится к роду Seliberia — бактериям с длинными палочко-видными спирально изогнутыми клетками, часто соединенными взвездообразные комплексы — розетки. Размножаются виды указан-ного рода, образуя почки. Молодые клетки Seliberia подвижны.

Отдельные виды олиготрофов участвуют в разложении орга-нических соединений на разных этапах, однако их экология и роль

267

в почвенных процессах еще недостаточно изучены. Ряд представи-телей олиготрофной группировки бактерий показан на рис. 59.

Хемолитоавтотрофные и фотолитоавтотрофные микроорга-низмы. В почвах они представлены весьма разнообразно; вызываютокисление неорганических соединений, образующихся при микроб-ной трансформации преимущественно органических веществ. Наи-более изучены нитрифицирующие бактерии, деятельность которыххарактеризует энергию мобилизационных процессов в почве. Ещев 20-х гг. XX в. было установлено, что по мере движения от северак югу активность процесса нитрификации усиливается. Это резуль-тат усиления в условиях более теплого климата процессов распадаорганических остатков, при которых выделяется NH3, служащийэнергетическим и питательным субстратом для нитрификаторов.В условиях вертикальной зональности наблюдается аналогичное яв-ление — по мере подъема в горы, где климат более суров, энергиянитрификационного процесса снижается.

Помимо хемолитоавтотрофных микроорганизмов, в почвахобитают фотолитоавтотрофные микроскопические существа, средикоторых наиболее типичны цианобактерии и эукариотические водо-росли. В условиях арктических пустынь и тундры, на поверхности ив глубине почвы развиваются преимущественно зеленые и желто-зе-леные водоросли, много азотфиксирующих цианобактерий.

В подзолистых почвах преобладают одноклеточные (виды ро-дов Chlamydomonas, Соссотуха, Chlorococcum, Chlorella) и некоторыенитчатые зеленые водоросли. Им сопутствуют нитчатые желто-зеле-ные и некоторые диатомовые водоросли. Цианобактерии, особеннов хвойных лесах, играют небольшую роль.

При дерновом почвообразовательном процессе отмечаетсяобильное разрастание водорослей, среди которых значительно чис-ло видов цианобактерий, в том числе азотфиксаторов (Nostoc, Cα-lothrix, Anabaena, Tolypothrix и др.). Богато представлены зеленыеи желто-зеленые водоросли. В луговых и ковыльных степях чер-ноземной зоны под густым травостоем водоросли развиваются ме-нее интенсивно. Они представлены широко распространеннымивидами зеленых водорослей, интенсивно размножаются и циано-бактерии.

В южных сухих и полупустынных степях при разреженномтравостое развитие водорослей усиливается. На поверхности кашта-новых почв образуются пленки водорослей, в которых ведущая рольпринадлежит цианобактериям, в том числе и азотфиксаторам. Припустынном почвообразовании состав альгофлоры напоминает тако-вой в полупустынной зоне, но численность водорослей существенноснижается. Преобладают цианобактерии (осцилляториевые), рас-пространены зеленые водоросли, причем максимальное их количе-

268

Рис. 59. Олиготрофные микроорганизмы под электронным микроскопом:А — Zabrys monachus; Б — Prosthecomicrobium sp.; В — Stella humosa; Г— Seliberia sp.;Д — Hyphomicrobium sp.; E — Prosthecomicrobium polyspheroidum (по: Д. И. Никитин,Л. В. Васильева)

269

ство часто наблюдается не в поверхностном слое, а на некоторойглубине.

На рисунке 60 приведена схема структуры микробных сооб-ществ почвы, которая иллюстрирует взаимоотношения описанныхвыше группировок почвенных микроорганизмов.

Специфика живого микронаселения почвы подтверждает за-кон зональности В. В. Докучаева и делает возможной микробиоло-гическую диагностику направленности почвообразовательного про-цесса, оценку плодородия почвы и его изменения в результате де-ятельности человека.

Некоторые группировки микроорганизмов при антропоген-ном воздействии на почву изменяются довольно слабо. Они отра-жают тип почвообразовательного процесса и могут быть индика-торами, которые достаточно консервативны и хранят информациюо былых состояниях факторов почвообразования. К таким сравни-тельно стабильным показателям относится показатель соотношенияосновных групп микроорганизмов.

При окультуривании почвы в микробном ценозе возникаютсущественные изменения. Увеличивается численность микробногонаселения, в ценозе появляются организмы, свойственные болееюжной почвенной зоне. Об этом свидетельствует пример с целлю-лозоразлагающими микроорганизмами, состав которых резко меня-ется при внесении удобрений (рис. 61). Следовательно, микроорга-низмы можно использовать для анализа типа и состояния почвы.

Р и с . 60. Схема структуры микроб-ных сообществ почвы: А — зимо-генная микрофлора; Б — автохтон-ная микрофлора (разлагающая гу-мус); В — олиготрофные микро-организмы; Г — хемоавтотрофы

Р и с . 6 1 . Состав целлюлозоразлагающихмикроорганизмов в различно удобренныхдерново-подзолистых почвах МСХА:А — до окультуривания; Б — внесеныминеральные удобрения; В — внесеннавоз

270

Контрольные вопросы и задания

1. Какие методы позволяют определить численность и состав отдельныхгрупп микроорганизмов в почве? 2. Как установить быстроту распада в поч-ве определенного химического вещества? 3. Чем определяется изменениечисленности микроорганизмов по сезонам года, при окультуривании поч-вы? 4. Дайте сравнительную характеристику примерного микробиологиче-ского состава микрофлоры почвы тундры, лиственного леса.

Экологические особенностиразвития микробныхсообществ почвы

На активность микроорганизмов и формирование их сооб-ществ в почве влияет ряд природных и атропогенных1 факторов.Среди них температура почвы, ее влажность, воздушный режим,окислительно-восстановительный потенциал, кислотность и меха-нические свойства, а также биотические факторы.

1 4 . 1 . Температура почвы

Температура почвы определяется географическим фактором и сезо-ном года. Наблюдаются и суточные колебания температуры, кото-рые сильнее всего сказываются в поверхностном слое почвы. Сезон-ные колебания температуры влияют на весь профиль почвы. В кри-офильных почвах на определенной глубине залегает постоянныймерзлотный слой, подавляющий активность микроорганизмов.

В одной и той же зоне температурный режим почвы зависиттакже от ее способности поглощать тепловые лучи, теплоизлучения,от характера растительности и т. д.

Напомним, что среди микроорганизмов имеются психрофи-лы, размножающиеся при относительно низких положительныхтемпературах; мезофилы, которые растут при обычных температурахокружающей среды, и термофилы, нуждающиеся в высокой темпе-ратуре.

Основная масса почвенных микроорганизмов принадлежитк мезофилам. Наблюдения показывают, что при температуре ниже5 °С в почве практически перестает накапливаться СО2, т. е. приос-танавливается распад органических соединений. При такой темпе-ратуре, по данным В. Флайга, резко тормозится процесс нитрифика-

1 Роль антропогенных факторов в формировании микробных сооб-ществ почвы показана в главе 15.

271

ции, свидетельствующий о мобилизации почвенного азота. Если за100% принять энергию данного процесса при 25 °С, то относитель-ная интенсивность накопления нитратов (в %) при более низкихтемпературах будет следующая:

20 °С 8015 °С 5010 °С 205 °С 101 °С 1

Доказано, что оптимум и максимум температуры для боль-шинства почвенных мезофильных микроорганизмов меняются в за-висимости от климата. Бактерии в южных почвах, как правило,имеют более высокие температурные оптимум и максимум.

В этом сказывается приспособительная реакция микроорга-низмов к условиям среды. Она отсутствует лишь у видов бактерий,завершающих процесс минерализации органических остатков (Bacil-lus megaterium, В. subtilis, В. mesentericus и др.). В основном это спо-рообразующие виды. Для их существования температурная адапта-ция не имеет столь большого значения.

В почвах южной зоны, как правило, обитают микроорганиз-мы, предъявляющие повышенные требования к теплу. Например,южные почвы значительно богаче теплолюбивыми грибами рода As-pergillus, в то время как в северных преобладают виды рода Penicilli-ит, способные развиваться при более низких температурах.

Теплолюбивые микроорганизмы при оптимальной для нихтемпературе более активны, чем психрофильные. Термофилы обла-дают исключительно высокой биохимической активностью. В связис этим в южных почвах при благоприятных условиях микробиологи-ческие процессы протекают более энергично, чем в северных. Одна-ко термофильных микроорганизмов даже в южных почвах мало,и существенной роли в почвенных процессах они не играют. Этообъясняется тем, что при сильном нагревании почва быстро пере-сыхает, создавая неблагоприятную обстановку для размножениятермофилов. В почву термофильные микроорганизмы поступают восновном с навозом, при созревании которого происходит их мас-совое размножение. Поэтому богатство почвы термофилами можетслужить косвенным признаком степени ее унавоженности.

Чтобы получить представление о том, насколько неодинакованапряженность микробиологической деятельности в почвах разныхклиматических зон в связи с различиями температурного фактора,можно сопоставить температуры почвы за теплый период с опти-мальными температурами мезофильных бактерий (табл. 7).

Из данных таблицы видно, что оптимальные для развитиябактерий значения температуры во всех пунктах лежат значительновыше физической температуры почвы. Лишь в отдельные моменты,

272

причем только на юге, эти значения могут совпадать. Таким обра-зом, в южной зоне дефицит тепла меньше, поэтому при благоприят-ной влажности микробиологические процессы здесь протекают бо-лее интенсивно.

Таблица 7

Сопоставление температуры почвы разных климатических зон

с потребностью мезофильных форм бактерий в тепле

ПунктСредняя

температура почвыза май и август (а)

Примернаяоптимальная

температура длябактерий (б)

Разница( б - а )

Архангельск

Москва

Курск

Северный Кавказ

Ташкент

10,5

12,7

16,4

22,4

30,0

28,5

30,0

34,0

35,5

38,0

18,0

17,3

17,6

13,1

8,0

Возникает вопрос — как сказываются низкие температурызимнего периода на почвенной микрофлоре? Казалось бы, в это вре-мя масса микроорганизмов должна гибнуть, но исследования неред-ко указывают на увеличение количества бактерий. Предполагали да-же, что в почве существует особая группировка холодоустойчивыхмикроорганизмов, но это не подтвердилось. Увеличение числа бакте-рий в холодный сезон года объясняется, видимо, десорбцией микро-организмов из почвенных частиц, наступающей при коагуляции кол-лоидов под влиянием низких температур. Возможно, в таких услови-ях определенную роль играет и замедленное отмирание бактерий.

14.2. Влажность почвы

Огромное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов оказы-вает влажность почвы. Вода, составляющая жидкую фазу почвы, со-держит то или иное количество растворенных веществ. Растения имикроорганизмы усваивают питательные вещества в основном изпочвенного раствора.

Клетки корневой системы растений и микроорганизмов дляассимиляции водного раствора имеют более высокое осмотическоедавление, чем почвенный раствор. По величине осмотического дав-ления клетки микроорганизмов почвы существенно различаются(см. с. 97). Большинство из них способны развиваться в почве при

273

наличии по крайней мере гигроскопичной влаги. В южных почвахмикробы адаптированы к более сухим условиям существования, чемв северных. Некоторые актиномицеты и ряд грибов развиваются да-же при крайне низкой влажности почвы.

Растения более требовательны к влаге, чем микроорганизмы.Как известно, завядание большинства из них происходит уже привлажности почвы, равной 1,5 максимальной гигроскопичности («мерт-вый» запас влаги). В обычных почвах со средней влажностью осмоти-ческое давление раствора колеблется в пределах 0,5 • 105 — 5 • 103 Па.В солончаках, богатых растворимыми солями, осмотическое давле-ние может достигать 1,6.107 Па.

Можно считать, что мобилизационные, агрономически жела-тельные процессы лучше всего протекают при влажности почвы,приближающейся к 60% полной влагоемкости. При таком увлажне-нии в почве достаточно воды и воздуха, находящихся между почвен-ными агрегатами. При более сильном увлажнении воздух из почвывытесняется, что подавляет аэробные микробиологические процес-сы. Подобная обстановка, например, создается на залитых водойрисовых полях, где относительно благоприятные аэробные условияимеются лишь в самом поверхностном слое почвы.

Установлено, что аммонификация и нитрификация лучшевсего проходят при влажности почвы, равной 60% полной влагоем-кости. Оптимум фиксации азота несколько сдвинут в сторону болеевысокой влажности. Это, очевидно, объясняется тем, что молеку-лярный азот связывают многие бактерии, склонные к анаэробиозу.

В природной обстановке влажность почвы сильно колеблется,особенно резко в неорошаемых почвах южной зоны. Здесь в периоддефицита влаги нередко подавляется деятельность бактерий, но ак-тивизируются актиномицеты и грибы. При значительном иссуше-нии активная деятельность микроорганизмов в почве вообще пре-кращается. В сухих степях наиболее энергичные микробиологиче-ские процессы вообще протекают не летом, а весной и осенью, т. е.при более низкой температуре, но достаточной влажности.

Таким образом, в почвенных процессах огромное значениеимеет сочетание условий температуры и влажности: как высокая,так и низкая температура подавляют эти процессы в почве, а интен-сивнее всего они идут при 20—30 °С (табл. 8).

Следует отметить, что при низкой влажности почвы, не обес-печивающей сколько-нибудь интенсивного развития микроорганизмов,в ней могут достаточно активно работать разнообразные ферменты.Это показывает, что в период дефицита влаги почва не представляетсобой инертный субстрат. В полевых условиях благоприятный вод-ный режим может быть создан обработкой почвы, поливом, мели-орацией и т. д.

274

Т а б л и ц а 8

Градации возможной интенсивности микробиологических процессовпри различных условиях среды

Температура

почвы, °С

Коэффициент

увлажнения

по Иванову 1

Возможная интенсивность

микробиологической

деятельности

> = 30

30-20

20-10

10-5

5

> = 1,5

1,49-1,0

0,99-0,6

0,59-0,30

0,29-0,13

Сильная

Очень интенсивная

Довольно интенсивная

Слабая

Очень слабая

1 Коэффициент увлажнения представляет собой отношение количе-ства выпавших осадков к количеству испарившейся воды.

Температурно-водный режим оказывает большое влияние наформирование микробных сообществ почвы. Наблюдения свиде-тельствуют о закономерной смене микробных сообществ в ходе рас-пада органического вещества. Так, в первые фазы разложения расти-тельных остатков на них развиваются грибы и неспорообразующиебактерии. Позднее увеличивается число бацилл и актиномицетов.Происходит также смена систематических групп микроорганизмов.В разных климатических зонах разложение органического веществаидет с неодинаковой скоростью, что существенно сказывается насоставе микрофлоры почвы.

Температура почвы и ее влажность в сочетании оказывают ог-ромное влияние на полевую всхожесть семян сельскохозяйственныхрастений. При низких температурах снижается иммунитет семян кразличного рода микроорганизмам, а высокая влажность почвыприводит к уменьшению содержания кислорода в почвенном возду-хе, что вредит развивающимся проросткам.

14.3. Воздушный режим почвы

Воздушный режим почвы имеет не меньшее значение для микроби-ологических процессов, чем температура и влажность. Воздух содер-жится в почвенных порах, которые составляют в отдельных случаяхот 25 до 70% общего объема почвы. Содержание воздуха в почвеподвержено сильным колебаниям в зависимости от ее увлажнения,уплотнения и т. д.

В связи с потреблением почвенными организмами и корнямирастений содержание кислорода в почвенном воздухе ниже, чем в

275

атмосфере. В затопленных почвах иногда кислорода почти нет.В воздухе слежавшейся почвы кислорода около 2%, в хорошовзрыхленной — до 20%.

В почвенном воздухе обычно повышено содержание диоксидауглерода, который выделяют микроорганизмы и корни растений.Чаще всего СО2 составляет 0,3—1,5% в почвенном воздухе (в атмос-ферном — 0,03%). В затопленных почвах количество СО2 повыша-ется до 10%. В атмосфере щелочных почв диоксид углерода почтиотсутствует. В целом газовый состав почвенного воздуха подверженсуточным и сезонным колебаниям.

Большое количество СО2 ежесуточно выделяется из почвы,а вместо него из атмосферы поступает воздух. Данный процесс, по-лучивший название «дыхание почвы», имеет огромное значение дляжизни растительного мира.

Известно, что различным газам свойственна неодинаковая рас-творимость в воде. Так, при 20 °С в 100 мл воды растворяется 3,1 млкислорода; 1,5 мл азота; 87,8 мл диоксида углерода. При повыше-нии содержания СО2 в воздухе почвенный раствор сильно обогаща-ется этим газом. Вследствие высокой растворимости СО2 в воде приобогащении им почвы может возникнуть обстановка, близкая к ана-эробиозу, несмотря на относительно высокое содержание в почвен-ном воздухе кислорода, который растворяется хуже. Анаэробные ус-ловия легче создаются в микропорах и капиллярных промежуткахпочвы.

Аэробные микроорганизмы хорошо переносят повышенноесодержание в воздухе СО2. Нередко при этом отмечается даже улуч-шение их роста при обогащении воздуха диоксидом углерода. Тем неменее при 1—1,5% и более активность некоторых групп микроорга-низмов подавляется. Вероятно, отчасти по этой причине в нижнихгоризонтах пахотного слоя меньше микроорганизмов, чем в верхних.

Вместе с тем аэробные цианобактерии лучше развиваются приповышенном содержании СО2 в почве. Оптимальная для них кон-центрация СО2 равна 1%, максимальная для ряда представителейдостигает 12% и выше.

Семена зерновых культур лучше всего прорастают при содер-жании кислорода в почве около 20%. Если его запас снижается до10—15%, то прорастание семян тормозится. При содержании в поч-ве 2,5—5% кислорода семена обычно прорастают очень медленно иразвитие всходов сильно задерживается.

14.4. Окислительно-восстановительный потенциал почвы

Обеспеченность почвы кислородом связана с ее окислитель-но-восстановительными условиями, характеризующимися величи-ной окислительно-восстановительного потенциала (Eh). В верхнем

276

слое подзолов значение Eh обычно колеблется в пределах 600—750 мВ, в черноземах — 350—600, в сероземах — 350—400 мВ. При-веденные показатели усреднены, так как почва представляет собойгетерогенную среду и в отдельных ее зонах наблюдаются существен-ные колебания значений Eh.

При снижении показаний Eh до 200—250 мВ в почве начина-ют развиваться микробиологические процессы резко восстанови-тельного характера, например образование глея. В нейтральныхпочвах уже при Eh 250 мВ восстанавливается такое количество мар-ганца, что образовавшиеся закисные соединения данного элементамогут отравить растения. При Eh 340 мВ создается обстановка, бла-гоприятствующая энергичному восстановлению нитратов до свобод-ного азота денитрификаторами.

В затопляемых почвах, например на рисовых полях, более илименее удовлетворительно обеспечивается кислородом лишь поверхно-стный слой в несколько сантиметров. Глубже значения окислитель-но-восстановительного потенциала снижаются до 100—110 мВ, вслед-ствие чего в таких слоях идут восстановительные процессы, в част-ности образование сероводорода из сульфатов.

Нежелательны для почвы и резко окислительные условия.Так, в нейтральных почвах (рН 6,5—7) при Eh 550 мВ, а в кислых(рН около 5) при Eh 680 мВ происходит почти полное окислениесолей железа и марганца, указанные элементы выпадают из рас-твора в виде гидроксидов, что приводит к нарушению питаниярастений.

На окислительно-восстановительный потенциал почвы могутоказывать влияние ионы растворимых элементов с переменной ва-лентностью, например Fe2 +, Fe3 +, Mn2 + и другие, а также изменениерН среды, влияющее на устойчивость этих ионов.

Вещества, составляющие твердую и коллоидно-дисперснуюфазу, в установлении окислительно-восстановительного потенциалапочвы не участвуют, но обладают буферными свойствами и служатрезервом для образования потенциалопределяющих ионов. В част-ности, это относится к гумусовым соединениям почвы.

Диапазон колебаний окислительно-восстановительных условийпочв различной влажности в зависимости от их кислотности схема-тично показан на рисунке 62. Как видно, в нормально увлажненныхпочвах создаются более или менее аэробные условия. Относительноанаэробную обстановку можно часто наблюдать лишь внутри отдель-ных комочков почвы, потому что микроорганизмы, находящиеся наповерхности агрегатов, поглощают кислород, не пропуская еговнутрь комка. В течение вегетационного периода значение окисли-тельно-восстановительного потенциала в почве также более или ме-нее колеблется.

277

Японские исследователиТ. Нагатсука и X. Фурузака ус-тановили, что при давлениикислорода, равном 2 • 104 Па, впочвенной суспензии развива-ются только аэробы, при умень-шении доступа кислорода до-минируют анаэробы.

К аэробным микроорга-низмам почвы относят ми-целиальные грибы, большинст-во актиномицетов и значитель-ную часть других бактерий.Аэробные актиномицеты и бак-терии могут существовать приотносительно небольших запа-сах кислорода, что делает по-

Рис. 62. Диапазоны изменения Ehи рН почв разной влажности н я т н ы м их размножение в глу-(по: Баас-Бекинг) боких слоях почвы. К а к было

показано Н. Н. Худяковым, не-которые аэробные почвенные микроорганизмы (Bacillus subtilis, As-pergillus niger и др.) способны размножаться при содержании в почве0,13—0,26% кислорода.

Отдельные группы аэробных микроорганизмов неодинаковоотносятся к обеднению воздуха кислородом. Так, мукоровые грибыболее требовательны к О2, чем представители рода Penicillium. Неко-торые бактерии, например Bacillus mycoides, тяготеют к верхним сло-ям почвы, а другие, как В. idosus, одинаково хорошо растут как вверхних, так и в глубоких слоях. Приведенные примеры объясняют,почему по мере углубления в почву наряду с уменьшением количе-ства микроорганизмов существенно изменяется соотношение ихгрупп и видов.

Большинство аэробных бактерий при росте на жидких пита-тельных средах снижают значение Eh до 100—120 мВ. Многие изних могут жить и в анаэробных условиях (например, за счет восста-новления нитратов и т. д.).

Возникает вопрос о месте обитания в почве анаэробных мик-роорганизмов, к которым в основном относятся бактерии. Макси-мальная численность анаэробных бактерий наблюдается в верхнихслоях почвы. Это связано с тем, что здесь имеется небольшое коли-чество органических веществ, а анаэробные микрозоны, в которыхэти микроорганизмы размножаются, возникают в каждом комочкепочвы.

Для хорошего развития сельскохозяйственных растений не-обходимы определенные окислительно-восстановительные условия.Ухудшение аэрации ослабляет мобилизационные процессы, что сни-278

жает урожай. Так, при значительном уплотнении почвы урожай-ность снижается более чем на 25%.

Оптимизации окислительно-восстановительных условий в поч-ве можно достигнуть правильной обработкой и мелиоративнымимероприятиями. Корневая система отдельных растений, напримерриса, может хорошо развиваться в почвах, где преобладают восста-новительные процессы.

Вследствие деятельности разных групп микроорганизмов га-зовый состав почвы значительно отличается от атмосферного. Так,в почве есть газы, практически отсутствующие в атмосфере. Это ок-сиды азота, сероводород, метан, оксид углерода, молекулярный во-дород и др. Количество газов варьирует в зависимости от условийпочвенной среды.

14.5. Кислотность почвы

На характер микрофлоры большое влияние оказывает активная кис-лотность почвы. По величине рН почвы могут быть разделены наследующие группы: сильнокислые (рН 3—4), кислые (4—5), слабо-кислые (5—6), нейтральные (6—7), щелочные (7—8), сильнощелоч-ные (8—9) и выше.

В подзолах значение рН среды обычно находится в пределах3,5—5,0, в черноземах — 6,5—7,2, в сероземах — 7,5.

Значение рН одной и той же почвы на разных, даже близкорасположенных, участках поля может несколько различаться. В те-чение вегетационного периода кислотность почвенной среды такжеподвержена изменениям, что обусловлено жизнедеятельностьюмикроорганизмов, образованием ими СО2, кислот и т. д.

Определяемое обычными методами значение рН среды даетлишь средний показатель кислотности почвы. На самом деле дляотдельных точек одной и той же почвы эта величина неодинакова,и микроорганизмы разных микрозон находятся далеко не в одинаковыхусловиях. В кислых почвах имеются микрозоны, где могут размно-жаться микроорганизмы, не переносящие высокой кислотности, в ще-лочных почвах встречаются относительно кислые микрозоны.

Кроме того, одна и та же величина реакции среды может иметьнеодинаковое значение в жизнедеятельности микроорганизмов в раз-ных почвах. Так, в подзолах уже небольшое снижение рН вызываетосвобождение алюминия, токсичного для ряда микроорганизмов; та-кого не наблюдается в богатых кальцием черноземах. Поэтому под-кисление подзолов вызывает более сильное подавление микробиоло-гических процессов, чем подкисление в той же степени черноземов.

К алюминию особо чувствительны актиномицеты, азотобак-тер и многие водоросли. Повышенное содержание этого элементапереносят грибы и ряд бактерий. Отчасти вследствие этого северныепочвы бедны актиномицетами и азотобактером.

279

Микроорганизмы одной и той же систематической группынеодинаково относятся к кислотности среды. Так, большинствобактерий почвы не развивается при значении реакции среды нижерН 4,5—5, но некоторые из них (например, Thiobacillus thiooxidans)могут сохраняться в жизнеспособном состоянии даже при рН 0,9.Минимальные значения кислотности среды для грибов составляютрН 2—3, но некоторые грибы рода Mortierella не выносят подкисле-ния. Чувствительны к низким значениям реакции среды актиноми-цеты. В связи с этим становится понятным, почему в любой почвемогут быть найдены представители основных групп микроорганиз-мов, но в кислых почвах относительно больше микроскопическихгрибов, чем в щелочных. В последней группе почв лучше размножа-ются бактерии и актиномицеты.

Несмотря на разную кислото- и щелочеустойчивость, все груп-пы микроорганизмов проявляют активную жизнедеятельность в нейт-ральной среде. Поэтому нейтрализация кислых и снижение рН ще-лочных почв приводят к активизации микробиологических процес-сов, благоприятных для возделывания культурных растений.

14.6. Механический состав почвыНа деятельность почвенных микроорганизмов большое влияниеоказывает механический состав почвы. Основная масса почвенныхмикроорганизмов (90—99%) связана с твердой фазой почвы, и лишьнезначительная их часть развивается в почвенном растворе. Объяс-няется указанная особенность способностью твердых частиц почвыудерживать (адсорбировать) клетки микроорганизмов. Н. Н. Худя-ков и его ученики показали, что микроорганизмы активно погло-щаются частицами почвы. Можно полагать, что в основе адсорбциилежит взаимодействие положительно заряженных частиц почвыс отрицательно заряженными клетками микробов.

В крупных почвенных агрегатах значительно больше микро-организмов, чем в мелких. Это объясняется не только величиной аг-регатов, но и большим содержанием в них органических веществ,обусловливающих активное размножение микроорганизмов. Спо-собность почв адсорбировать микроорганизмы непостоянна и зави-сит от влажности почвы, ее температуры, дисперсности и др. По-скольку перечисленные факторы меняются в течение года, изменя-ется и адсорбция.

В почвенном растворе также присутствуют питательные длямикроорганизмов вещества, активизирующие их размножение в вод-ной фазе почвы. Кроме того, на распределение микроорганизмов меж-ду твердой и водной фазами почвы значительно влияют растительныеостатки, обогащающие почвенный раствор органическими соедине-ниями. На растительной массе также обильно представлены микроор-ганизмы. Их очень много в ризосфере и ризоплане, так как выделяю-

280

щиеся из корней в почву органические соединения служат питаниемдля микроорганизмов. Таково же значение корневого опада отмираю-щих корней. Много микроорганизмов развивается и на погибших поч-венных животных. Питанием некоторым группам микроорганизмовслужат гумусовые соединения, а также продукты их распада.

Каждому типу почвы свойствен определенный профиль. У од-них почв гумусовый слой невелик, у других он очень мощный. Отэтого зависит глубина распространения микроорганизмов в почве.Однако по мере углубления в почву количество гумуса уменьшаетсяболее постепенно, чем численность микроскопических существ.

14.7. Биотические факторы

На характер сообщества микроорганизмов почвы большое влияниеоказывают биотические факторы, и прежде всего взаимоотношенияорганизмов. Например, между микроорганизмами можно наблюдатьтак называемые метабиотические отношения, при которых продук-ты жизнедеятельности одних видов служат источником для су-ществования других. Так, нитрификаторы развиваются, только еслив почве достаточно аммиака, вырабатываемого гнилостными микро-бами.

Как уже сообщалось в главе 5, существуют синтрофные вза-имоотношения микроорганизмов. Под данным термином понимаютявление, при котором два вида или более растут на среде, недоступ-ной каждому виду в отдельности. Это объясняется обменом факто-рами или субстратами роста, а иногда удалением одним микроорга-низмом какого-либо компонента, токсичного для другого микроба.

У представителей микромира отмечен и прямой паразитизм.Так, существуют хищные грибы, образующие кольца или липкие го-ловки, при помощи которых они улавливают нематод, служащий имисточником питания (рис. 63). Описаны скользящие нитевидныебактерии, способные присоединяться к клеткам других видов бакте-рий, водорослей и нематод, вызывая их лизис.

Большая группа грибов, паразитирующих на других грибах,получила название микофильных грибов. Мелкая бактерия родаBdellovibrio (вибриопиявка), как обнаружил К. Штольп, внедряетсяв клетки более крупных бактерий и питается их содержимым. Пара-зитами многих микроорганизмов служат фаги.

Б. В. Громов выявил среди микроскопических водорослей па-разитов родов Aphelidium и Amoeboaphelidium, представляющих собойпромежуточные между простейшими и водорослями формы. Разно-образны и взаимоотношения микроорганизмов с другими группамиживых существ. Protozoa (простейшие) поедают многие бактерии игрибы. Питанием для мелких клещей и других животных служит нетолько мертвый органический субстрат, но и микроорганизмы.

281

Рис. 63. Ловчие кольца, образуемые мицелием хищного гриба; в одно из нихпопала нематода (по: А. Р. Сопрунов)

Таким образом, развитие микробных сообществ в почве опре-деляется целым комплексом природных абиотических, биотических,а также антропогенных факторов.

Контрольные вопросы и задания1. От чего зависит скорость почвообразовательного процесса? 2. Что пред-ставляют собой гумусовые вещества по химической природе? 3. Какимифакторами среды определяется развитие микробного ценоза почвы? 4. Дай-те определения понятиям: метабиотические отношения микроорганизмов,синтрофные взаимоотношения микроорганизмов.

Влияние антропогенных факторовна микробное сообщество почвы

15.1. Обработка почвы. МелиорацияСреди антропогенных факторов наибольшее влияние на микробноесообщество почвы имеют разнообразные приемы обработки и мели-орации.

282

Обработка почвы. В настоящее время в земледелии исполь-зуют различные приемы основной и поверхностной обработок поч-вы. Для выполнения основной обработки используют как общиеприемы — вспашку, безотвальное рыхление, фрезерование и др., таки специальные приемы — двухъярусную и трехъярусную вспашку,щелевание, кротование и др. К приемам поверхностной и мелкойобработок почвы относят лущение, культивацию, боронование,прикатывание и др. Главный прием основной обработки почвы,влияющий на жизнедеятельность ее микрофлоры, — вспашка. Онадолжна создавать в почве благоприятные условия для протеканиямобилизационных процессов, в результате которых накапливаютсяпитательные вещества для растений. Однако в сельскохозяйствен-ной науке и практике существуют разные подходы к решению воп-роса об использовании различных приемов основной обработкипочвы. Обоснование их связано с почвенными микробиологическиепроцессами. Переходя к анализу воздействия разных приемов ос-новной обработки почвы на микрофлору, отметим прежде всего ужеупомянутую биологическую разнокачественность пахотного слоя,которая выражается в постепенном снижении численности микро-организмов по мере углубления в почву.

Как видно из таблицы 9, по мере углубления в почву числен-ность практически всех групп микроорганизмов снижается. Приэтом химический состав почв в пределах пахотного слоя тождествен.Снижение численности микронаселения с глубиной может бытьследствием ухудшения воздушного режима и накопления каких-ли-бо токсичных веществ в нижних слоях почвы, очевидно, продуктовнеполного распада растительных остатков.

Т а б л и ц а 9

Распределение микроорганизмов в пахотном слое почвы, тыс. на 1 г

Слойпочвы, см

0-5

10-15

15-20

0-5

10-20

20-30

Аэробныеи факультатив-но-аэробные

бактерии

Анаэробныебактерии

Дерново-подзолистая

5700

4400

2700

270

230

180

Нитрификаторы Актиномицеты

почва (поля МСХА)

1000

1000

100

640

420

250

Чернозем обыкновенный (Воронежская обл.)

6300

5700

4800

310

240

180

10000

10000

1000

1950

2020

1860

Грибы

53

41

20

48

43

41

283

В зоне достаточного увлажнения, в частности в дерново-под-золистых почвах, верхний горизонт пахотного слоя остается болеебогатым микроорганизмами в течение всего вегетационного пери-ода. Черноземы, как и все неорошаемые почвы юга, находятся в зо-не недостаточного увлажнения, и летом их верхние слои обычноподсыхают, поэтому количество микроорганизмов здесь заметноменьше.

Снижение микробиологической активности по мере углубле-ния в почву подтверждается и таким суммарным показателем, как«дыхание почвы», т. е. выделение диоксида углерода, служащее по-казателем жизнедеятельности микроорганизмов. Самый активныйпо энергии дыхания — верхний слой почвы. Лучше аэрируемая па-рующая почва «дышит» энергичнее, чем занятая растительностью.Верхний слой незанятой почвы при безотвальной обработке выде-ляет больше СО2, чем при вспашке. Последнее объясняется тем, чтопри безотвальной обработке основная масса растительных остатковостается наверху.

При аппликационной пробе на заложенном вертикально в поч-ву полотне также отчетливо выявляется зона максимальной актив-ности микроорганизмов. При нормальном увлажнении почвы этазона расположена в верхнем горизонте пахотного слоя.

Почвы глубоких горизонтов пахотного слоя, химически ничемне отличаясь от почвы из высоколежащего горизонта, неблагопри-ятно действуют на растение. Если чашки Петри наполнить почвойиз разных горизонтов окультуренного чернозема и посеять в нее се-мена растений, то прорастание семян и развитие растений лучшевсего идет в почве из горизонта 0—10 см, хуже — из горизонта 15—25 см и совсем плохо в почве из горизонта 30—40 см (подпахотно-го). Можно сделать вывод о том, что плодородие почвы определяет-ся не только ее химическим составом, но и деятельностью микроор-ганизмов.

Разные слои парующей почвы, вспаханной с оборотом пласта,не отличаются по плодородию. Верхний горизонт, перемещенныйвниз, сохраняет высокое плодородие, а в нижнем (ставшем верхним)при улучшении аэробиоза активизируются мобилизационные микро-биологические процессы и плодородие существенно повышается.

Отдельные горизонты пахотного слоя сохраняют свои осо-бенности в течение 1—1,5 месяцев после вспашки. Позднее верх-ний слой обогащается микробами, а в нижнем активность их по-давляется. Таким образом, в нижнем горизонте пахотного слояпроисходит аккумуляция потенциального плодородия, переходяще-го в плодородие эффективное при активизации деятельности мик-роорганизмов.

Накопление в нижних слоях почвы резерва плодородия под-тверждается опытом, проведенным на хорошо окультуренной дер-

284

ново-подзолистой почве МСХА. На небольших делянках (20 м2)слои почвы толщиной 5 см были сняты и перемещены так, как этопроисходит при разных приемах обработки. Разное расположениеслоев существенно сказалось на урожае посеянного на делянке овса.

При пересчете урожая на 1 га были получены следующие дан-ные:

Прием обработки

Поверхностное рыхление слоя 0—5 см

Рыхление всех слоев и расположениеих без оборота пласта

Рыхление всех слоев и перемещение ихв обратном порядке

Смешивание всех слоев (имитация вспашки)

Урожайность овса, т/га

1,19

1,78

3,06

3,02

Положительное действие оборота пласта объясняется, вероят-но, тем, что подвижные органические вещества, аккумулированныев нижнем горизонте, попадая вверх, в условиях лучшего аэробиозабыстро подвергаются минерализации и повышают плодородие поч-вы. Верхний слой почвы, наиболее биологически активный, посте-пенно становится менее плодородным.

Следовательно, оборот пахотного слоя может дать значитель-ный эффект. Однако вопрос о том, как часто целесообразно его де-лать, следует решать в зависимости от многих условий (системыземледелия, почвенно-климатических условий и т. д.). Поэтому сис-тема обработки почвы не должна быть одинаковой в различныхпочвенно-климатических условиях и даже в одной и той же зоне, нопри неодинаковом использовании земли.

Мелиорация. Огромное значение в повышении плодородияпочв имеют мелиоративные мероприятия. К ним относят орошениепочв в зонах недостаточного увлажнения, осушение избыточно ув-лажненных почв, внесение в кислые и щелочные почвы соедине-ний, нормализующих реакцию среды, удаление из почвы избыточ-ных солей и т. д.

В зонах недостаточного увлажнения при дефиците влаги микро-биологические процессы почвы приостанавливаются и большая частьмикроорганизмов переносит засуху в анабиотическом состоянии. Ув-лажнение почвы активизирует микрофлору, что приводит к накопле-нию питательных веществ для растений и способствует их росту.

Полив должен быть строго нормирован. Избыточное увлажне-ние почвы вызывает нежелательные явления, снижающие плодоро-дие (вторичное засоление, ухудшение структуры почвы и т. д.).

Осушение переувлажненных почв благоприятно сказывается насоставе микрофлоры, в частности это относится к вводимым в куль-

285

туру торфяникам. В мелиорированных торфяниках обычно накап-ливается избыток доступных растениям соединений азота (аммиакаи нитратов). Часть нитратов поступает в дренажные воды и теряетсядля урожая. Поэтому следует учитывать такого рода изменения мик-робиологических процессов при мелиорации и регулировать их до-ступными приемами, например глубиной дренажной системы, спу-ском из нее воды и т. д. Одним из методов предупреждения избы-точной минерализации органических соединений торфяниковявляется насыпное пескование, которое применяют в некоторыхстранах Западной Европы. На поверхность торфа наносят песокслоем 10—15 см, и в дальнейшем механической обработке подверга-ется только песчаная насыпь. Это задерживает развитие в торфяноймассе активных микробиологических процессов. Эксплуатация пес-кованных торфяников исчисляется иногда сотнями лет.

Для химической мелиорации кислых подзолистых и дерно-во-подзолистых почв широко применяют известкование. Примене-ние извести устраняет кислотность и уменьшает содержание в почвеподвижного алюминия, токсичного для многих микроорганизмов ирастений. Внесение извести резко меняет соотношение отдельныхгрупп микроорганизмов почвы и активизирует деятельность тех изних, которые важны для плодородия почвы (табл. 10).

Т а б л и ц а 1 0

Изменение состава микроорганизмовдерново-подзолистой почвы при известковании

Дата

наблюдения

Вариант

опыта

Число микроорганизмов разных групп, тыс. на 1 г почвы

бакте-

рии, всегобациллы

актино-мицеты

грибыазото-

бактер

нитри-

фика-

торы

27 июня

10 августа

Конт-роль

Извест-кование

Конт-роль

Извест-кова-ние

3900

6500

2900

15500

770

1600

880

2130

160

250

200

2200

67

10

130

50

0

2

0

15

1

5

1

10

Известь способствует образованию клубеньков у бобовых рас-тений, особенно у люцерны и клевера. Из бобовых лишь для люпи-на предпочтительна кислая реакция среды.

286

В южной зоне нашей страны большие площади заняты солон-цовыми почвами. Для их сельскохозяйственного освоения проводятхимическую мелиорацию, чаще всего гипсование, в результате кото-рого натрий в почвенном поглощающем комплексе замещается накальций, что заметно улучшает физические свойства почвы и нейт-рализует ее реакцию (обычно щелочную). Состав почвенной микро-флоры нормализуется — угнетаются анаэробы, в частности сульфат-редукторы.

Бактерии, восстанавливающие сульфаты, образуют сульфи-ды, которые в рассматриваемых почвенных условиях (при наличииСО2) превращаются в соду:

При внесении в почву гипса образуются труднорастворимыйкарбонат кальция, выпадающий в осадок, и сульфат натрия, в раство-ре имеющий нейтральную реакцию и легко удаляемый промывкой.

Для введения в сельскохозяйственное использование послеоткрытой разработки полезных ископаемых огромное значение име-ет рекультивация земель. При рекультивации, когда удается поверх-ностный слой выровненной территории покрыть почвой, нормали-зация жизни почвенного слоя наступает весьма быстро.

Первоначально в заселении таких субстратов большое участиепринимают цианобактерии, фиксирующие молекулярный азот. Имсопутствуют зеленые, желто-зеленые и диатомовые водоросли. Со-провождающая водоросли группировка бактерий представлена не-спороносными бактериями с преобладанием микобактерий. В болеепоздние сроки окультуривания она обогащается бациллами и акти-номицетами.

15.2. Органические удобрения

Органические удобрения — навоз, городские отходы, компосты идр. способствуют интенсификации микробиологических процессов,поскольку они являются источником энергии и элементов питаниямикроорганизмов.

Навоз. Содержание органического вещества в навозе состав-ляет 20—25%; количество питательных для растений веществ огра-ничивается долями процента (0,5% азота, 0,2% Р2О5, 0,6% К2О)и около 75% воды. Органическая часть навоза в расчете на беззоль-ную сухую массу содержит до 40% перегнойных соединений, около30% целлюлозы и лигниноподобных веществ.

При переводе животноводства на промышленную основу вхозяйствах получают «жидкий навоз». Содержание воды в нем до-стигает 90—98%. Однако фракция сухих веществ такого навоза посоставу близка к обычному.

287

Na2S + СО 2 + Н 2О > Na 2 CO 3 + H2S

Д. Н. Прянишников различал четыре способа хранения на-воза: под скотом; нерегулированное хранение на гноище; приготов-ление «холодного» навоза немедленным уплотнением в навозохра-нилище и изготовление «горячего» навоза при временной рыхлойукладке с последующим уплотнением.

При хранении навоза под скотом формируется удобрениевысокого качества. Однако антисанитарные условия, возникающие притаком способе хранения, заставляют отказываться от его применения.

При н е р е г у л и р у е м о м х р а н е н и и навоз вывозят и сва-ливают на гноище. В зависимости от условий хранения он можетполучаться удовлетворительного или низкого качества. Уплотнениенавоза, защита его от дождя, предупреждение стока жидкости —все это условия получения навоза с хорошими удобрительнымисвойствами.

Холодным с п о с о б о м навоз готовят в специальных наво-зохранилищах с бетонированными дном и стенами. В навозохрани-лищах должен быть колодец для сбора стекающей на дно навознойжижи. Завезенный в хранилище навоз сразу же уплотняют, а по за-полнении помещения изолируют его поверхность от воздуха. Бро-жение такого навоза протекает медленно, и температура не подни-мается выше 30—40 °С.

При горячем с п о с о б е приготовления навоз держат вхранилище некоторое время в виде рыхлой массы, без уплотнения,примерно метровым слоем. Через два—четыре дня, когда температу-ра массы поднимается до 60—70 °С, ее уплотняют и укладываютсверху второй слой навоза, который разогревается, а нижний уплот-ненный слой постепенно охлаждается и т. д.

Описанный способ приготовления навоза вызывает значитель-ные потери питательных для растений веществ, и прежде всего — со-единений азота. Раньше предполагали, что при горячем способе по-гибают семена сорняков. Это считалось преимуществом способа. Од-нако в специальных опытах указанное предположение неподтвердилось. В связи с этим в последнее время горячий способприготовления навоза считают нерациональным.

Динамика температуры при горячем и холодном способахприготовления навоза показана на рисунке 64. Интенсивность раз-огревания зависит не только от доступа воздуха, но и от состава на-воза. Существенно влияние на разогревание навоза и количестванаходящейся в нем подстилки. Чем больше соломы, тем сильнее на-воз разогревается. Солома обеспечивает более рыхлую укладку наво-за, лучшую аэрацию его массы и развитие аэробных микробиологи-ческих процессов, выделяющих много тепла.

В свежем навозе размножается огромная масса разнообразныхмикроорганизмов. В зависимости от условий хранения навоза ихразвитие имеет специфику. В таблице 11 приведены данные о раз-

288

Рис. 64. Температура навоза, созревающего в разныхусловиях: 1 — при горячем способе хранения;2 — при холодном способе хранения

витии сапротрофных мезофильных микроорганизмов при хранениисмешанного навоза холодным способом. Они показывают, что глав-ную роль в созревании холодного навоза играют неспорообразую-щие бактерии, а численность бацилл и актиномицетов здесь невели-ка. В свежем навозе первоначально более половины микроорганиз-мов составляют кокковидные бактерии, число которых постепенноуменьшается. Большинство из них являются аммонификаторами,начинающими гнилостный процесс.

В навозе довольно много бактерий рода Pseudomonas, предста-вителей группы кишечной палочки и других неспорообразуюшихпалочковидных аммонификаторов. Некоторые из них могут вызы-вать денитрификацию. В навозе присутствуют и гнилостные споро-образующие бактерии — Bacillus subtilis, В. mesentericus, В. megateri-ит, В. mycoides и т. д., но при холодном способе приготовления этивиды размножаются слабо.

Таблица 11Динамика численности микроорганизмов

при созревании холодного навоза, млн на 1 г навоза (по: В. Н. Былинкина)

Группа

микроорганизмовИсходный

материал

Период от момента закладки навоза

дней

1 5

месяцев

1 2 4

Не образующиеспор бактерии

Бациллы

Актиномицеты

10 Микробиология

960

6

1

2600

15

1,6

1800

20

1,8

140

7

0,9

130

6

1,5

289

Многие аммонифицирующие бактерии навоза могут вызыватьраспад мочевины. Общее число подобных форм микроорганизмовдостигает 200—300 млн на 1 г навоза. Грибы существенного значе-ния в созревании холодного навоза не имеют, так как для их разви-тия нужен обильный доступ воздуха.

Многочисленна в навозе группа аэробных микроорганизмов,разлагающих целлюлозу. Среди них много представителей Cytopha-gа, несколько беднее представлен род Cellvibrio и др. Обнаруженытакже анаэробные разрушители целлюлозы (Clostridium omelianskii).В холодном навозе можно встретить термофильную целлюлозораз-лагающую бактерию Clostridium thermocellum. Но в целом группа тер-мофильных и термотолерантных бактерий в холодном навозе нем-ногочисленна и не превышает 1—1,5 млн на 1 г массы.

В навозе встречаются нитрификаторы, проявляющие актив-ность только в самом поверхностном его слое, куда проникает необ-ходимый им кислород. Помимо окисления аммиака, некоторые изэтих микроорганизмов разлагают в навозе пуриновые основания.

Иначе развивается процесс при горячем способе созреваниянавоза. В первый период созревания в рыхло сложенной массе бур-но развиваются разнообразные мезофильные микроорганизмы —аэробные неспороносные бактерии, грибы и частично актиномице-ты. Через несколько дней, когда температура навоза поднимется до60—70 °С, его уплотняют.

В результате подъема температуры и удаления из навоза воз-духа большая часть мезофильной микрофлоры отмирает. Некотораячасть актиномицетов и неспорообразующих бактерий переноситповышенную температуру в анабиотическом состоянии. Активноразмножаться в разогревшемся навозе могут лишь термофильныеи термотолерантные актиномицеты и бактерии. Последние пред-ставлены в основном спорообразующими формами (Bacillus subtilis,В. mesentericus). Целлюлозу в горячем компосте разлагает термо-фильная бактерия Clostridium thermocellum.

Абсолютная численность термофильных микроорганизмов внавозе даже в период разогревания не бывает высокой. Это можнообъяснить тем, что хотя эти микроорганизмы быстро размножают-ся, индивидуальная жизнь их коротка. Обмен веществ в клетке тер-мофилов идет очень интенсивно, что приводит к сильному разогре-ванию субстрата, в котором они размножаются. Динамика числен-ности микроорганизмов в горячем навозе приведена в таблице 12.

Степень повышения температуры навоза зависит не только отдоступа кислорода, но и от состава навоза. Например, при окисле-нии содержащих азот органических веществ выделяется больше теп-ла, чем при распаде углеводов. Поэтому конский навоз, в которомбольше веществ, содержащих азот, разогревается сильнее, чем навозкрупного рогатого скота. Данные Д. Н. Прянишникова, характери-зующие энергию разогревания навоза, приведены в таблице 13. Ес-

290

ли, например, для парникового хозяйства нужно получить болееравномерное и продолжительное разогревание почвы, то пользуют-ся смесью навоза разных животных.

Рассмотрим характер изменений основных компонентов на-воза при его созревании. До 40% азота находится в навозе в видегиппуровой и мочевой кислот, но большая часть — в виде мочеви-ны. Последняя легко гидролизуется уробактериями и многими сап-ротрофными бактериями. При этом образуется углекислый аммо-ний, который легко диссоциирует на NH3 и СО2.

Таблица 12Динамика численности микроорганизмовпри созревании холодного навоза, млн на 1 г навоза(по В. Н. Былинкиной)

Группа

микроорганизмов

Исходный

материал

Период с момента закладки;

температура навоза

2 дня;

3 0 °С

5 дней;

6 0 °С

6 дней;

около

5 0 °С

2 месяца;

2 0 °С

3,5 месяца;

1 7 °С

Бактерии(общее число)

Термофильныебактерии

Споры

Актиномицеты:

мезофильные

термофильные

450

0,03

1,8

2,9

0,2

610

2,0

1,7

23,4

0,6

15

5,0

1,9

0,5

0,6

16

4,0

3,1

0,5

3,3

1 7

0,3

9,3

0,6

1,8

Табл

19

0,2

8,5

0,6

1,3

и ца 13Динамика температуры в разогревающемся навозе,°с

Срок с момента закладки, дни

3 4 5 12 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6

Конский

Овечий

Крупногорогатогоскота

5

5

5

50

35

15

75

50

25

55

65

35

25

40

42

24

20

40

22

18

30

20

18

20

18

17

10

17

16

10

291

Если атмосфера насыщена диоксидом углерода, то диссоциациякарбоната аммония не происходит. Это способствует сохранению ам-миака, так как после диссоциации он улетучивается из навоза. Та-ким образом, при рыхлом состоянии навоза потери азота сильновозрастают. Плотная укладка навоза способствует насыщению всейего массы СО2, который образуется бактериями при разложенииразных углеродсодержащих веществ.

При повышенной температуре распад мочевины и карбонатааммония усиливается, поэтому при горячем способе приготовлениянавоза потеря азота возрастает до 30%. Правильное приготовлениенавоза холодным способом резко снижает потери азота. Если вме-сто соломенной подстилки применяют торфяную, хорошо погло-щающую аммиак, то потери снижаются до нескольких процентов.

В аммиак постепенно превращаются и другие содержащиеазот соединения — гиппуровая и мочевая кислоты, а также белко-вые вещества. Все указанные соединения подвергаются микроби-ологическим трансформациям в начальный период созревания на-воза. В аэробных условиях азот в навозе частично теряется вслед-ствие нитрификации. Если аммиак окисляется до азотной кислоты,то она вымывается из поверхностных слоев навоза в более глубокиеи там подвергается восстановлению денитрифицирующими бакте-риями. Нитриты, образующиеся при нитрификации, также могутреагировать с аминокислотами, и при этом выделяется свободныйазот. Для уменьшения потерь азота в навоз рекомендуется вноситьгипс, который, реагируя с аммиаком, дает нелетучий сульфат ам-мония.

Убыль сухого вещества при созревании горячего навоза до-стигает 40%, а холодного — 20—25%. При этом основные потериопределяются разложением углеродсодержащих соединений. Распа-ду подвергаются пентозаны, пектиновые вещества, целлюлоза и дру-гие соединения. Пентозаны и пектиновые вещества сбраживаютсялегче, чем целлюлоза и особенно лигнин. В процессе приготовлениянавоза соотношение С : N постепенно сужается.

Значительная часть растительных остатков и других компо-нентов навоза во время его созревания подвергается гумификации.Гумусовые соединения медленно минерализуются, вследствие чегоазот (частично и фосфор) действует не только в первый год послевнесения навоза, но и, в последующие по крайней мере два года.

Перевод животноводства на промышленную основу связанс применением бесподстилочного метода уборки экскрементов. По-следние удаляют механическими или гидравлическими средствами,иногда самотеком. Жидкий навоз собирают в карантинные навозо-хранилища, при необходимости обезвреживают химическими сред-ствами, затем перекачивают в основные навозохранилища.

292

Рис. 65. Накопление нитратов в почвев зависимости от внесения удобрений с разнымсоотношением С : N:1 — зеленая масса люцерны (С : N = 17,5 : 1);2- клевер (С : N =16,4:1);3 — без органических удобрений;4 — солома злаков (С : N = 82 : 1) (по: Д. Хатчингс)

Перед использованием жидкого навоза на удобрение его раз-деляют на твердую и жидкую фракции. Твердую часть пускают наудобрение после компостирования, жидкую неразбавленную массутакже применяют как удобрение, но во вневегетационный период.Обычно жидкую фракцию навоза используют для удобрительно-ув-лажнительного полива во время вегетации растений при разбавле-нии водой в 2—10 раз.

В бесподстилочном навозе значительная часть азота (40—60%)содержится в форме аммиака. Поэтому при его использовании це-лесообразно применять ингибиторы нитрификации.

Скорость минерализации навоза в почве определяется рядомфакторов, но при других благоприятных условиях она зависит в ос-новном от соотношения в навозе С : N. Обычно навоз вызывает по-вышение урожая в течение двух-трех лет в отличие от азотных удоб-рений, которые не имеют последействия. Широко используют так-же зеленые удобрения, или сидераты. Это растительная масса,запахиваемая в почву. Она более или менее быстро минерализуетсяв зависимости от почвенно-климатических условий (рис. 65).

Солома. В последнее время солому также используют как ор-ганическое удобрение. Внесение соломы обогащает почву гумусом.Кроме того, в ней содержится около 0,5% азота и другие необходи-мые растениям элементы. При разложении соломы выделяется мно-го диоксида углерода, что также благотворно действует на посевы.

293

Еще в начале XIX в. английский химик Ж. Деви указывал на воз-можность применения соломы как органического удобрения.

Однако до последнего времени запахивать солому не реко-мендовали. Это обосновывали тем, что в соломе велико соотно-шение С : N (около 100 : 1), и ее заделка в почву вызывает биоло-гическое закрепление минерального азота. Растительные материалыс меньшим соотношением С : N такого явления не вызывают. Рас-тения, посеянные после запашки соломы, испытывают недостатоказота. Исключение составляют лишь бобовые культуры.

Недостаток азота после заделки соломы можно компенсиро-вать внесением азотных удобрений из расчета 6—7 кг азота на 1 тзапаханной соломы. При этом положение не вполне исправляется,так как солома содержит некоторые вещества, токсичные для расте-ний. Требуется некоторый период времени для их детоксикации,которую проводят микроорганизмы, разлагающие эти соединения.

Проведенная в последние годы экспериментальная работа по-зволяет дать рекомендации по устранению неблагоприятного влия-ния соломы на сельскохозяйственные культуры.

В условиях северной зоны солому в виде резки целесообразнозапахивать в верхний слой почвы. Здесь в аэробных условиях всетоксичные для растений вещества довольно быстро разлагаются.При мелкой запашке через один-полтора месяца происходит разру-шение вредных соединений и начинает освобождаться биологиче-ски закрепленный азот. На юге, особенно в субтропической и тро-пической зонах, разрыв времени между заделкой соломы и посевомможет быть минимальным даже при глубокой запашке. Здесь всенеблагоприятные факторы перестают действовать быстро.

При соблюдении приведенных рекомендаций почва обогаща-ется органическим веществом и в ней активизируются мобилизаци-онные процессы, в том числе деятельность азотфиксирующих мик-роорганизмов. В зависимости от ряда условий внесение 1 т соломыприводит к фиксации 5—12 кг молекулярного азота.

Торф. Нередко удобрением служит низовой торф. Он обла-дает огромной влагоемкостью (полная влагоемкость достигает 90%).В сухом веществе такого торфа содержится 80—93% органическихсоединений, три четверти которых — гумусовые и лигниноподоб-ные вещества. Содержание органического азота в низовом торфеколеблется в пределах 1,5—4%, причем минерализуется микроорга-низмами он крайне медленно. Большой экспериментальный мате-риал свидетельствует о том, что даже огромные дозы низового тор-фа (100—200 т/га) не дают существенного эффекта.

Компост. Некоторые хозяйства стремятся полностью перейтина «биологическое» земледелие, отказавшись от использования ми-неральных удобрений и химических средств защиты растений. Это

294

связано с охраной окружающей среды. Однако для высоких урожаевтребуются достаточно высокие дозы органических удобрений.

В настоящее время для получения органических удобренийиспользуют метод компостирования различных органических отхо-дов. Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от город-ского мусора, представляющего собой смесь органических и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких, какнавоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и нечистоты.

По современным представлениям, компостирование — этоэкзотермический процесс биологического окисления, в котороморганический субстрат подвергается аэробной биодеградации сме-шанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной тем-пературы и влажности (по К. Форстеру и Д. А. Вейду, 1990). В про-цессе биодеградации органический субстрат претерпевает физи-ческие и химические превращения с образованием стабильногогумифицированного конечного продукта. Этот продукт представля-ет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение,и как средство, улучшающее структуру почвы.

Процесс компостирования представляет собой сложное взаи-модействие между органическими отходами, микроорганизмами,влагой и кислородом. В отходах обычно существует своя эндогеннаясмешанная микрофлора. Микробная активность возрастает, когдасодержание влаги и концентрация кислорода достигают необходи-мого уровня. Конечный продукт, компост, содержит наиболее ста-бильные органические соединения, продукты распада, биомассумертвых микроорганизмов, некоторое количество живых и продук-ты химического взаимодействия этих компонентов.

Компостирование представляет собой динамический микроб-ный процесс, протекающий благодаря активности сообществамикро- и макроорганизмов различных групп:

• микроорганизмы — бактерии, в том числе актиномицеты;мицелиальные грибы и дрожжи; водоросли; вирусы;

• микрофауна — простейшие;• высшие грибы;• макрофауна — двупарноногие многоножки, клещи, ного-

хвостки, черви, а также муравьи, термиты, пауки и жуки.В процессе компостирования принимает участие множество видов

бактерий — более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно под-разделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая изних активна. Для психрофилов предпочтительна температура ниже 20 °С,для мезофилов — от 20 до 40 °С и для термофилов — свыше 40 °С. На по-следней стадии компостирования преобладают, как правило, мезофилы. Хо-тя количество бактерий в компосте очень велико — 108—109 клеток награмм влажного компоста, из-за малых размеров (1—8 мкм) они составляютменее половины общей микробной массы. Актиномицеты растут гораздомедленнее, чем большинство бактерий и грибов, и на ранних стадиях ком-постирования не составляют им конкуренции. Они более заметны на после-

295

дующих стадиях процесса компостирования. Их численность ниже числен-ности бактерий и составляет величину порядка 105—106 клеток на граммвлажного компоста.

Грибы играют важную роль в деструкции целлюлозы, и состояниекомпостируемой массы должно регулироваться таким образом, чтобы опти-мизировать активность этих организмов. Важным фактором является темпе-ратура, так как грибы погибают, если она поднимается выше 55 °С. Послепонижения температуры они вновь распространяются из более холодныхзон по всему объему компостируемой массы.

Вирусы — ультрамикроскопические облигатные паразиты, вызываю-щие заболевания растений, животных и человека. Если зараженный расти-тельный материал подвергается компостированию, количество патогенныхвирусов в нем резко снижается преимущественно благодаря температур-но-временным воздействиям.

Простейшие — одноклеточные организмы, питающиеся бактериями,водорослями и другими простейшими. Полагают, что именно простейшиеуправляют численностью бактериальной популяции.

После того как достигнут максимум температуры, компост, остывая,становится доступным для широкого ряда почвенных животных. Они по-едают других животных, их экскременты и органические остатки. Многиепочвенные животные вносят большой вклад в переработку компостируемо-го материала благодаря его физическому дроблению. Эти животные такжеспособствуют перемешиванию разных компонентов компоста. Ткани орга-низмов, принадлежащих макрофауне, богаты азотом и легко разрушаются.Масса этих организмов представляет собой непрерывно пополняемый и опус-тошаемый запас соединений азота.

Органические отходы. Органические отходы промышленно-го, сельскохозяйственного или коммунального происхождения пред-ставляют собой смесь Сахаров, белков, жиров, гемицеллюлозы, цел-люлозы, лигнина и неорганических солей в широком интервалеконцентраций:

• водорастворимые соединения (сахара, аминокислоты и др.) —2-30%;

• соединения, растворимые в эфире и спирте (жиры, масла,воски), — 1—15%;

• белок — 5—40%;• гемицеллюлоза —10—30%;• целлюлоза — 15—60%;• лигнин — 5—30%;• зола — 5—25%.Состав фракций р а с т и т е л ь н ы х отходов зависит от воз-

раста растения, его типа и среды. Свежее растительное сырье содер-жит много водорастворимых веществ, белков и солей. При увеличе-нии возраста соли возвращаются в почву и низкомолекулярные со-единения превращаются в более высокомолекулярные, особенногемицеллюлозу, целлюлозу и лигнин. Состав отходов животно-водства зависит от типа животного и от его корма. В процессекомпостирования простые низкомолекулярные соединения легко

296

Рис. 66. Динамика температуры (сплошная линия) и рН (пунктирная линия)в куче органических отходов в процессе компостирования (по: К. Ф. Форстери Д. А. Дж. Вейз)

метаболизируются микроорганизмами, а полимерные соединения —после их гидролиза экзоферментами.

Когда органические отходы складывают для компостирова-ния, то благодаря изолирующему влиянию субстрата сохраняется теп-лота, образующаяся вследствие биологической активности, и темпе-ратура повышается (рис. 66). Процесс компостирования можно раз-бить на четыре стадии: мезофильная, термофильная, остывание,созревание.

В начальной м е з о ф и л ь н о й стадии микроорганизмы,присутствующие в отходах, начинают быстро размножаться, темпе-ратура поднимается до 40 °С, среда подкисляется за счет образова-ния органических кислот. При увеличении температуры выше 40 °Сначинают гибнуть исходные мезофилы и преобладать термофилы.Это поднимает температуру до 60 °С, при которой грибы становятсянеактивными. Далее процесс продолжается спорообразующими бак-

297

териями и актиномицетами; рН среды повышается. В течение тер-м о ф и л ь н о й фазы наиболее легко разлагаемые субстраты, такиекак сахара, крахмал, жиры, белки, быстро потребляются, и скоростьпроцесса начинает падать после того, как в него вовлекаются болееустойчивые субстраты. При этом скорость тепловыделения стано-вится равной скорости теплопотери, что соответствует достижениютемпературного максимума. Затем компост вступает в стадию ос-т ы в а н и я . В течение стадии остывания рН медленно снижается, носреда остается щелочной. Термофильные грибы из более холодныхзон вновь захватывают весь объем компостируемой массы и вместес актиномицетами потребляют трудноразложимые полисахариды,гемицеллюлозу и целлюлозу, разрушая их до моносахаридов, кото-рые потом могут быть использованы широким кругом микроорга-низмов.

Первые три стадии компостирования — мезофильная, термо-фильная, остывания протекают очень быстро, за дни или недели,в зависимости от используемой системы компостирования. Заклю-чительная стадия — с о з р е в а н и е , в течение которой потери массыи тепловыделения малы, длится несколько месяцев. В этой стадиипроисходят сложные реакции между остатками лигнина из отходови белками отмерших микроорганизмов, приводящие к образованиюгуминовых кислот. Конечная реакция компоста — слабощелочная.

Высокая температура является необходимым условием успеш-ного компостирования, хотя при сильном ее повышении процессбиодеградации подавляется из-за ингибирования роста микроорга-низмов. Однако температура порядка 60 °С необходима для борьбыс термочувствительными патогенными микроорганизмами. Поэтомуследует поддерживать условия, при которых, с одной стороны, будутгибнуть патогенные микроорганизмы, а с другой — развиватьсямикроорганизмы, ответственные за деградацию биополимеров. Дляэтой цели рекомендуемой температурой является 55 °С.

Разложение органических отходов в процессе компостирова-ния представляет собой динамический и сложный экологическийпроцесс, в котором постоянно происходит изменение температурыи состава питательных веществ, меняется численность и видовойсостав микроорганизмов. Скорость получения конечного продуктазависит от нескольких взаимосвязанных параметров. К ним отно-сятся источники питания, дисперсность частиц, влажность, проч-ность структуры, аэрация, перемешивание, рН и размер кучи.

Желательно, чтобы сырье для компостирования содержаломаксимум органического материала и минимум неорганических ос-татков. Это особенно важно при переработке ряда отходов, напри-мер городского хозяйства, которые содержат существенные количе-ства меди, никеля, свинца, цинка. Поэтому при работе с такими от-ходами желательно удалять стекло, металл, пластмассу и другиеосколки в той степени, в какой это экономически выгодно. Если

298

для компостирования используют сырой активный ил, то во избе-жание загрязнения тяжелыми металлами, он должен быть получен восновном при переработке коммунальных, а не промышленных сто-ков.

Оптимизация процесса компостирования может быть обеспечена ре-ализацией следующих параметров:

• соотношение С : N в субстрате — от 25 : 1 до 30 : 1;• размер частиц — 12,5 мм для систем с перемешиванием принуди-

тельной аэрацией, 50 мм для компостных рядов в случае естествен-ной аэрации;

• влажность — 50—60%;• свободный объем — около 30%;• аэрация — 0,6—0,8 м3 воздуха в сутки на 1 кг летучей части твердых

веществ или поддержание концентрации О2 в пределах 10—18%;• температура — 55 °С;• перемешивание — без перемешивания, при периодическом перево-

рачивании в простых системах и короткие периоды энергичногоперемешивания в механизированных системах;

• размеры кучи — длина любая, высота 1,5 м и ширина 2,5 м для кучи компостных рядов с естественной аэрацией. В случае принуди-тельной аэрации размеры кучи должны препятствовать перегреву.

Задача состоит в том, чтобы реализовать набор этих параметров в ви-де недорогих, но надежных систем для компостирования. Сложность обору-дования и степень приближения к рекомендуемым значениям основныхпараметров сильно меняются от простых куч до сложных механическихустановок.

В простых системах (кучах) подготовленный материал складываютв виде длинных куч, называемых компостными рядами, вручную или с по-мощью самосвалов, погрузчиков.

Эти кучи имеют приблизительно треугольную форму в сечении, ихвысота и ширина могут быть различны, но рекомендуется, чтобы при есте-ственной аэрации высота не превышала 1,5 м, а ширина — 2,5 м. Компост-ные ряды могут быть любой длины. Переворачивание материала в кучахосуществляется для его аэрации, уменьшения размера частиц и для того,чтобы весь материал подвергся действию высоких температур в термофиль-ной стадии. Последнее достигается перемещением наружных частей кучи вее середину при переворачивании. Переворачивание можно производитьразными способами и с разной эффективностью.

Для того чтобы увеличить скорость биодеградации и исключить не-обходимость в переворачивании материала, в некоторых процессах осу-ществляется принудительная аэрация компостных рядов с помощью специ-альных воздуходувных каналов или труб, проложенных под компостным ма-териалом. Аэрация куч может осуществляться либо за счет отсасываниявоздуха из этих каналов, либо вдуванием в них воздуха.

Современные крупномасштабные системы по переработке городскихотходов включают, как правило, стадии накопления твердых отходов, ихпредобработки, биодеградации и переработки конечного продукта. Собран-ные твердые отходы выгружают с грузовиков в глубокие бункеры или наспециально подготовленные площадки, откуда их перемещают с помощьюспециальных транспортеров, ковшей или погрузчиков. Затем материал под-вергается обработке, которая заключается в измельчении, отделении неже-

299

дательных или негодных к переработке примесей и регулировании влажнос-ти. Стадия биодеградации осуществляется с помощью компостных рядовили более сложных механизированных систем. Полностью механизирован-ные системы по переработке городских отходов отличаются от компостныхрядов с непрерывно перемешивающими устройствами и представляют со-бой закрытые силосы (башни), в которых за несколько дней осуществляетсяпроцесс активной биодеградации. Степень механизации и автоматизациисилосов различна для разных проектов. Время пребывания компостируемо-го материала в силосах колеблется в пределах 4—20 дней, наиболее обыченсрок 8 дней.

Биодеградация органического материала при компостирова-нии приводит к потере примерно 30—40% органического веществав виде СО2 и Н2О. Биодеградации подвергается только часть орга-нического вещества, неразложенная фракция попадает в конечныйпродукт. Состав конечного продукта (компоста) варьирует в широ-ких пределах и в основном отражает состав использованного орга-нического сырья. Компост, сырьем для которого послужили город-ские отходы, содержит меньше органических веществ и питательныхвеществ для растений, чем компост, полученный из сельскохозяйст-венных отходов. Компост из городских отходов содержит также оп-ределенное количество тяжелых металлов, уровень которых следуетконтролировать, чтобы предупредить накопление токсичных ве-ществ в почве.

Каковы преимущества компостирования? Известно, что вне-сение сырых органических отходов в любую экосистему может со-здать серьезные проблемы либо из-за их высокой потребности в О2,либо из-за выделения NH3. Компостирование позволяет с по-мощью биологического окисления получать стабильные продукты.В отличие от сырых отходов гумифицированные продукты при вне-сении их в экосистему не вызывают больших нарушений экологи-ческого равновесия. При компостировании достигаются температу-ры, при которых погибают патогенные микроорганизмы (в томчисле вредители растений), гельминты, сорняки и их семена. Ком-пост представляет собой в первую очередь средство для улучшенияструктуры почвы и в определенной степени органическое удобре-ние. При внесении компоста в почву он минерализуется, выделяяосновные питательные вещества для растений, источники N, Р, К,микроэлементы. Питательные вещества выделяются из компостамедленнее, чем из легкорастворимых минеральных удобрений, сле-довательно, действие компоста может длиться в течение несколь-ких лет. Установлено, что количество основных питательных ве-ществ, которые становятся доступными в год внесения компоста,составляет по азоту — 25%, по фосфору — 100%, по калию — 30%.И наконец, следует отметить здравоохранительный аспект процессакомпостирования. Известно, что большинство органических отхо-дов человека и животных (нечистоты, сырой и даже сброженный

300

активный ил, отходы боен, навоз и подстилка сельскохозяйствен-ных животных, твердые отходы) содержат патогенные микроорганиз-мы. При компостировании выживанию патогенных микроорганизмовпрепятствует в первую очередь воздействие высокой температуры.Температуры порядка 55—60 °С, действующие от нескольких минутдо нескольких дней, в основном эффективны — при этом боль-шинство возбудителей болезней и паразитов погибает.

Таким образом, компостирование отходов является способомгигиенического удаления органических отходов, снижения их па-тогенности и получения полезного продукта, внесение которого впочву обеспечивает ее питательными веществами, снижает ее засо-ление, повышает стабильность почвы и способность к удержаниювлаги.

Освещая вопросы компостирования органических отходов,нельзя не упомянуть о таком органическом материале, как солома.Известно, что интенсивное производство зерна приводит к образо-ванию огромных количеств соломы, требующей удаления. Во мно-гих странах для ликвидации избытка соломы применяют сжиганиесоломы и стерни на поле. Однако специалисты в области охраныокружающей среды все в большей степени обеспокоены сопутст-вующим сжиганию риском загрязнением атмосферы газом, вредом,наносимым фауне и флоре, потерей почвой питательных веществ.В то же время запахивание соломы в почву приводит к значительно-му снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Послед-нее связано с тем, что запаханная в почву солома подвергается ана-эробной биодеградации с образованием ряда фитотоксических со-единений, таких как уксусная, пропионовая и масляная кислоты.Эти кислоты образуются при разложении целлюлозы, содержащейсяв соломе. Вредное влияние фитотоксинов проявляется только тогда,когда прорастающие корни приходят в тесный контакт с соломой.При этом оказалось, что основным ингибитором роста растений яв-ляется уксусная кислота, которая даже в минимальном количествеможет отрицательно влиять на рост корней. Следует, однако, под-черкнуть, что снижение урожайности зерновых культур при внесениисоломы в почву объясняется не только образованием фитотоксиче-ских соединений, но и иммобилизацией азота почвы микроорганиз-мами. В настоящее время предложен ряд способов, позволяющихснизить фитотоксичность соломы. Одним из них является внесениев пашню целлюлозолитических грибов для ускорения процесса био-деградации соломы в почве путем их разбрызгивания (рассева) в мо-мент запахивания соломы. В этом случае токсичный уровень уксус-ной кислоты будет достигнут скорее и, следовательно, она будетраньше потреблена почвенными микроорганизмами, так что к мо-менту осеннего сева зерновых влияние фитотоксинов будет сниже-

301

но. Следовательно, необходимо получение активного штамма цел-люлозолитического гриба, обладающего наибольшей скоростьюбиодеградации соломы. Грибной препарат должен сохранять целлю-лозолитическую активность при высушивании и длительном хране-нии. Его нужно вносить в солому в больших количествах для обес-печения максимально возможной степени биодеградации, чтобыв почве к моменту сева присутствовало как можно меньше фитоток-синов.

15.3. Минеральные удобрения

Влияние минеральных удобрений на микроорганизмы почвыи ее плодородие. Внесение в почву удобрений не только улучшаетпитание растений, но и изменяет условия существования поч-венных микроорганизмов, также нуждающихся в минеральных эле-ментах.

При благоприятных климатических условиях количество мик-роорганизмов и их активность после внесения в почву удобренийзначительно возрастают. Усиливается распад гумуса, увеличиваетсямобилизация азота, фосфора и других элементов.

Ранее считали, что длительное применение минеральныхудобрений приводит к катастрофической потере гумуса и ухудше-нию физических свойств почвы. Однако экспериментальные ма-териалы, полученные в МСХА, этого не подтвердили. Так, на дер-ново-подзолистой почве был заложен многолетний опыт с разнойсистемой удобрения. На делянки, где применяли минеральныеудобрения (NPK), в среднем за год вносили 36,9 кг азота, 43,6 кгР2О5 и 50,1 кг К2О на 1 га. В почву, удобряемую навозом, его вноси-ли ежегодно по 15,7 т/га. Через 60 лет был проведен микробиологи-ческий анализ опытных делянок.

В таблице 14 приведены данные исследования почвы этих де-лянок, которая все время находилась под паром, чтобы исключитьвлияние поступающих в нее растительных остатков. Такая почваоказывается бедной сапротрофными микроорганизмами, так как внее поступает ограниченное количество органических веществ, не-значительно развиваются сорняки и цианобактерии.

После применения минеральных удобрений активизируетсядеятельность бактерий. При наличии минерального азота легче раз-лагается и используется микроорганизмами гумус. Внесение мине-ральных удобрений вызывает некоторое снижение численности ак-тиномицетов и увеличение грибного населения, что может бытьследствием сдвига реакции среды в кислую сторону в результатевнесения физиологически кислых солей: актиномицеты плохо пере-носят подкисление, а размножение многих грибов ускоряется в бо-лее кислой среде.

302

Т а б л и ц а 1 4Влияние удобрений на микроорганизмыпарующей дерново-подзолистой почвы (средние данные за лето)

Удобрение

NPK

Навоз

Гумус1, %

1,08

1,35

1,81

рНс о л

3,8

3,6

4,5

Общее числомикроорганизмов Актиномицеты Грибы

тыс. на 1 г почвы

594 117

1246 61

2297 250

1 В исходной почве содержалось 2,2% гумуса.

15,0

23,6

30,0

Как видно из таблицы, минеральные удобрения хотя и акти-визируют деятельность микроорганизмов, уменьшают потери гуму-са. Навоз, как и следовало ожидать, оказывает благоприятное дейст-вие на все группы сапротрофного микронаселения почвы.

Таким образом, за 60 лет в паровавшей почве содержание гу-муса уменьшилось, но в удобрявшейся почве его потери меньше,чем в неудобренной. Это можно объяснить тем, что минеральныеудобрения способствуют развитию в почве автотрофньгх микроорга-низмов (преимущественно водорослей) и, как следствие, некоторо-му накоплению в парующей почве органических веществ и в конеч-ном счете гумуса. Навоз служит прямым источником образованиягумуса, накопление которого в этих условиях вполне понятно.

На делянках с такой же системой удобрения, но занятых сель-скохозяйственными культурами, положение еще более благоприят-ное. Пожнивные и корневые остатки здесь активизируют деятель-ность микроорганизмов и компенсируют расход гумуса. Так, конт-рольная почва в севообороте содержала 1,38% гумуса, получавшаяNPK — 1,46, а унавоженная — 1,96%.

Следует отметить, что в удобряемых почвах после внесениянавоза уменьшается количество фульвокислот и относительно уве-личивается содержание менее подвижных фракций. В общем мине-ральные удобрения в большей или меньшей степени стабилизируютуровень гумуса в зависимости от количества оставляемых пожнив-ных и корневых остатков. Навоз процесс стабилизации еще болееусиливает. Если его вносят в больших количествах, то содержаниегумуса в почве возрастает.

Внесение в почву минеральных и органических удобренийусиливает интенсивность микробиологических процессов, в резуль-тате чего сопряженно увеличивается трансформация органическихи минеральных веществ.

303

Характерным показателем активизации микробной деятель-ности под влиянием удобрений служит усиление «дыхания» почвы,т. е. выделения ею СО2. Это результат ускоренного разложения ор-ганических соединений почвы, в том числе гумуса.

Внесение в почву фосфорно-калийных удобрений мало спо-собствует использованию растениями почвенного азота, но усилива-ет деятельность азотфиксирующих микроорганизмов.

Иногда внесение в почву минеральных удобрений, особенно ввысоких дозах, неблагоприятно сказывается на ее плодородии.Обычно это наблюдается на малобуферных почвах при использова-нии физиологически кислых удобрений. При подкислении почвыв раствор переходят соединения алюминия, токсичные для микро-организмов почвы и растений.

Так, неблагоприятное действие минеральных удобрений былоотмечено на легких малоплодородных песчаных и супесчаных под-золистых почвах Соликамской сельскохозяйственной опытной стан-ции. В почву здесь ежегодно вносили N9 0, Р90, К1 2 0, навоз (два разав три года, 25 т/га). Из расчета на полную гидролитическую кислот-ность была добавлена известь (4,8 т/га). По результатам опыта отме-чено, что применение в течение ряда лет NPK существенно снижаетчисленность микроорганизмов в почве. Не страдают лишь микро-скопические грибы.

Внесение извести, особенно вместе с навозом, благотворносказывается на сапротрофной микрофлоре. Изменяя рН почвы вблагоприятную сторону, известь нейтрализует вредное действие фи-зиологически кислых минеральных удобрений.

Влияние минеральных удобрений на урожай связано с зональ-ным положением почв. Как уже отмечалось, в почвах северной зо-ны микробиологические мобилизационные процессы протекают за-медленно. Поэтому на севере сильнее ощущается дефицит для рас-тений основных элементов питания, и минеральные удобрения дажев малых дозах действуют более эффективно, чем в южной зоне. Этоне противоречит известному положению о лучшем действии мине-ральных удобрений на фоне высокой окультуренности почвы.

Кратко остановимся на использовании микроудобрений. Неко-торые из них, например молибден, входят в ферментную системуазотфиксирующих микроорганизмов. Для симбиотической азотфик-сации необходим также бор, важный для формирования нормальнойсосудистой системы растений, а следовательно, и успешного азото-усвоения. Большинство других микроэлементов (Cu, Mn, Zn и т. д.)в небольших дозах также усиливают интенсивность микробиологи-ческих процессов в почве.

Минеральные удобрения, внесенные в почву, подвергаютсяразличным микробиологическим трансформациям. Рассмотримтрансформацию азотных, фосфорных и калийных удобрений поч-венными микроорганизмами.

304

Трансформация соединений азота. Общий запас азота в поч-ве довольно велик. В пахотном слое дерново-подзолистых почв ондостигает 4 т, в черноземах — 6—15 т/га. Основная часть азотногофонда находится в составе гумуса. Небольшое количество азота вхо-дит в другие органические соединения почвы (аминокислоты, ами-носахара, нуклеиновые кислоты и т. д.), а также в минеральные со-единения, преимущественно соли аммония и азотной кислоты. До50—60 кг азота на 1 га заключено в клетках микроорганизмов, насе-ляющих пахотный слой почвы.

Указанных запасов могло бы хватить для получения очень вы-соких урожаев на многие десятки лет. Однако поскольку основнаячасть азота почвы входит в состав гумусовых соединений, трудноразлагаемых микроорганизмами, сельскохозяйственные культурыобычно испытывают недостаток данного элемента. Кроме того, до-пускать уменьшение содержания гумуса в почве нецелесообразно,так как это снижает плодородие почвы.

Потребности сельскохозяйственных культур в азоте приходит-ся удовлетворять минеральными и органическими удобрениями.Минеральные соединения вносят в основном в форме аммонийныхи нитратных соединений, а также мочевины.

Некоторое количество аммонийных удобрений, а также аммо-ния, накапливающегося при минерализации органических соеди-нений, закрепляется почвенными минералами (иллитом, монтмо-риллонитом, вермикулитом и др.). Ион аммония входит в кристал-лическую решетку глинистых минералов. Частично аммонийныесоединения закрепляются необратимо. Обычно в почвах необменнофиксированного аммонийного азота бывает в два—четыре разабольше, чем обменных и водорастворимых его форм.

Растения и гетеротрофные микроорганизмы могут использо-вать до половины поглощенного аммонийного азота в процессахбиосинтеза. Как образующийся в процессе аммонификации, так ивнесенный с удобрениями, этот азот не переходит в почве в ста-бильные соединения. Под влиянием нитрифицирующих бактерийаммиачный азот окисляется до азотной кислоты. Часть его (4 —18%) при нитрификации превращается в закись азота (N2O). В видегазообразного аммиака азот может теряться в значительных количе-ствах лишь в щелочных почвах.

Процесс нитрификации особенно наглядно проявляется в па-рующей почве, где летом накапливаются нитраты. Под посевамисельскохозяйственных культур соли азотной кислоты практическиотсутствуют, так как они потребляются растениями и микроорга-низмами ризосферы. Ранней весной и осенью нитратов мало даже впарующих почвах. Это связано с тем, что в холодную погоду солиазотной кислоты довольно энергично потребляются психрофильны-ми микроорганизмами, а жизнедеятельность нитрифицирующихбактерий при температуре ниже 8—10 °С проявляется очень слабо.

305

Следовательно, весной, когда в почве содержится мало минерально-го азота, целесообразно использовать азотные подкормки.

Д. Н. Прянишников показал, что нитраты и аммиак — рав-ноценные источники азотного питания растений. Однако превра-щение солей аммония в азотную кислоту приводит к ряду неже-лательных последствий. Так, нитраты не поглощаются почвеннымиколлоидами и могут вымываться из почвы, что особенно сильнопроявляется в зонах повышенного количества осадков и на оро-шаемых почвах. Нитраты и нитриты могут также восстанавливатьсябактериями и в виде газообразных продуктов теряться из почвы.

В почве возможна и «косвенная» денитрификация, когда по-тери азота происходят в результате некоторых химических реакций.Так, в кислой среде HNO2, реагируя с аминокислотами, образуетмолекулярный азот. Этот процесс может быть представлен следую-щей схемой:

RCHNH2COOH + HNO2 > RCH2COOH + Н2О + N2

В кислой среде идет также саморазложение нитритов с обра-зованием газообразных продуктов:

2HNO2 > NO+NO2 + Н2О3HNO2 > 2NO + HNO3 + Н2О

Возможно восстановление нитритов в почве при взаимодейст-вии с органическими веществами, содержащими фенольные группы(в присутствии Fe+ или Мп2+), с образованием N0 и N 2 0. При раз-нообразных микробиологических процессах в почве образуются ок-симы (соединения с группой = N — О Н ) . Они реагируют с нитрита-ми, причем образуется N 2 0:

R2C=N—ОН + HNO2 > R2C=O + N2O + H2O

Таким образом, при восстановительных процессах, а также внекоторых химических реакциях из нитратов и нитритов могут об-разоваться N2, N2O, NO и NO2. Некоторые из этих соединений, на-пример NO2, весьма реактивны. Поэтому газообразные потери азотаиз почвы происходят преимущественно в форме N2 и N2O. В поч-венном воздухе всегда присутствует N2O.

Вследствие отмеченных потерь, а также частичного биологи-ческого закрепления азотные удобрения используются сельскохо-зяйственными растениями не более чем на 40—50%.

Азот, закрепленный в микробных клетках, после их отмира-ния минерализуется и используется растениями. В общем убыльазота из почвы может быть весьма значительной. Так, в Великобри-тании на Ротамстедской опытной станции отмечено, что при еже-годном унавоживании (около 36 т/га) пахотной почвы в результатевымывания и денитрификации в условиях влажного климата теряет-ся в среднем около 60% внесенного с навозом азота.

306

Денитрификация, вызываемая микроорганизмами, обуслов-ливает ббльшие потери азота, чем вымывание его соединений изпочвы. Потери от этого процесса возрастают по мере увеличения впочве содержания нитратов. Повышенная влажность почвы усили-вает восстановительные процессы и потери азота.

Свидетельством тому, что денитрификация связана с наличиемв почве солей азотной кислоты, служит один из опытов П. М Смир-нова, в котором в пойменную почву вносили аммонийную[(NH4)2SO4] и нитратную [Ca(NO3)2] соли. Одну партию почвы со-храняли в аэробных условиях, периодически аэрируя до нормаль-ного уровня (19—22% О2), другую помещали в анаэробные условия,что достигалось заменой ее газовой фазы на гелий. В аэрируемуюпочву вносили 27 мг азотных солей на 1 кг почвы, в анаэробно хра-нящуюся — 40 мг.

Анализ, проведенный через два месяца, показал, что потери азо-та из почв, удобренных нитратами, были значительно больше, чем вслучае аммонийных удобрений (табл. 15).

На состав выделяющихся газов влияет форма азотного удоб-рения. Так, при внесении в почву (NH4)2SO4 и нитрификации этойсоли выделяется больше NO2 и меньше N2, чем при восстановленииCa(NO3)2. В анаэробных условиях часть NO2 редуцируется до N2.

Т а б л и ц а 1 5

Потери азота (%) при удобрении почв различными азотными удобрениямив зависимости от аэрации

Условия NH4)2SO4Ca(NO3)2

Анаэробные

Аэробные

14,0

8,9

79,8

39,6

Потери азота из удобрений существенно уменьшаются прииспользовании гранулированных и медленно растворяющихся удоб-рений. К ним относятся уреаформ (конденсат мочевины с формаль-дегидом), гранулированная мочевина с оболочкой из элементарнойсеры, уреа-зет (конденсат мочевины с ацетальдегидом), изобути-лен-диуреа и т. д.

Гранулированные удобрения имеют меньший контакт с поч-венной микрофлорой, деятельность которой подавляется допол-нительно вносимыми с такими удобрениями веществами (формаль-дегид, сера и т. д.). Однако указанная форма удобрений ограничи-вает их использование из-за высокой цены и замедленного действияна растения. Хороших результатов можно достигнуть приближен-ным к посеву или дробным внесением удобрений и т. д.

307

Большое внимание сейчас уделяют применению веществ, за-держивающих процесс нитрификации. Их использование особенноцелесообразно при внесении в почву больших доз удобрений (аммо-нийных и мочевины). К подобным соединениям относят ряд циани-дов, нитро- и галла-анилиды, производные фенолов, хинолинов,хлорпиридины, пиримидины и др. Применение небольших доз этихсоединений селективно подавляет нитрификацию, не угнетая в тоже время другие микробиологические процессы в почве.

Азотные соединения в форме нитратов частично вымываютсяв грунтовые воды, которые используются для водоснабжения. В на-шей стране установлена предельно допустимая концентрация ни-тратов (ПДК) в питьевой воде, равная 10 мг/л. В странах ЗападнойЕвропы и США эта норма значительно выше (45—50 мг/л).

Следует отметить опасность накопления нитратов в пище икормах. В зерне нитраты, как правило, не аккумулируются, за иск-лючением зерна ячменя. В овощах и фруктах, как и в зеленых кор-мах, концентрация нитратов иногда бывает весьма высокой. Пищаи корма с высоким содержанием нитратов вызывают отравления.В связи с этим следует воздерживаться от неоправданно высокихдоз азотных удобрений.

Рассмотрим баланс азота в земледелии. Минеральные азотныеудобрения позволяют быстро повышать урожаи, действуя практи-чески в год внесения в почву. Под зерновые культуры в среднемвносят около 30 кг/га минеральных азотных удобрений в год. На1 га пашни приходится также 14 кг азота в форме органическихудобрений. Как было отмечено выше, действие навоза растягиваетсяобычно на три года. В первый год минерализуется не более 25% ор-ганических азотсодержащих соединений. Примерно аналогичнымобразом используются корневые и пожнивные остатки бобовыхкультур.

Из общего фонда азота зерновые на площади в 1 га получают6 кг азота. Свободноживущие азотфиксаторы связывают на 1 га паш-ни около 20 кг азота. Допустим, что биологически закрепленныйазот в первый год используется на 15%. В небольших количествахв почву поступает азот с высеваемыми семенами и осадками.Изложенные соображения позволяют сделать примерный расчет ис-пользования посевом зерновых культур азота из всех поступлений(табл. 16).

Таким образом, из внесенных на 1 га под зерновые культуры80 кг азота растения усваивают около 30 кг. Примерно такое же ко-личество азота остается в почве — это азот органических удобренийи корневых остатков, а также азот, ассимилированный микроорга-низмами. Остальные 20 кг теряются в процессе денитрификации(около 15 кг) и вымываются из почвы (около 5 кг).

308

Т а б л и ц а 1 6Количество азота, поступающего в почву под зерновые культуры

и усваиваемого ими, кг/га

Формаазота

Внесеноазота,кг/га

Используетсяпосевом

% кг/га

Остаетсяи закрепляется в почве

% кг/га

Минеральныеудобрения

Органическиеудобрения

Биологическийазот бобовыхрастений

Биологическийазот свободно-живущих мик-роорганизмов

Азот семян

Азот осадков

Итого

30

14

6

20

6

5

81

45

25

25

15

80

40

13,5

3,5

1,5

3,0

4,8

2,0

28,3

20

45

50

60

10

—

6,0

6,3

3,0

12,0

0,6

—

27,9

Для среднего урожая зерновых культур требуется около 70 кгдоступного азота. Его поступления, как отмечалось, дают лишь 30 кг,остальные 40 кг берутся из почвы, в основном из минеральныхформ азота, образующихся при распаде гумуса.

Большое число опытов свидетельствует, что наши пахотныепочвы потеряли существенное количество гумуса — иногда до 30% иболее. Это снизило потенциальное плодородие окультуренных почв.Часть минерализованного из гумуса азота вымывается из почвы и те-ряется в виде газообразных веществ в результате химических и микро-биологических процессов. Такие потери предположительно достигают15 кг/га. Следовательно, из поступающих в почву источников азота ив результате распада гумуса потери достигают 35 кг азота на 1 га.

Чтобы восполнить или хотя бы не терять имеющиеся запасыгумуса, необходимо использовать повышенные дозы минеральных иорганических удобрений, а также большое внимание уделять куль-турам бобовых растений, которые не только обогащают почву азо-том, но и дают корм, богатый белком.

Трансформация соединений фосфора и калия. Запас фосфо-ра в почве зависит от материнской горной породы, на которойданная почва формировалась. Обычно в материнских породах фос-

309

фор содержится в форме фторапатита Ca5F(PO4)3 и гидроапатитаСа5ОН(РО4)3 . При разрушении указанных минералов образуютсясоединения ортофосфорной кислоты.

В кислых почвах накапливаются фосфаты полуторных окислов(А1РО4, FePO4), а также основные соли железа и алюминия[Fe2(OH)3PO4, A12(OH)3PO4], малодоступные растениям. В почвах,насыщенных основаниями, образуются фосфаты кальция СаНРО4,Са3(РО4)2, постепенно растворяющиеся слабыми кислотами, чтоспособствует более легкому усвоению фосфора растениями. Приизвестковании кислых почв часть фосфатов полуторных окисловпревращается в фосфаты кальция и магния, более доступные длярастений.

Трансформация минеральных соединений горной породымикроорганизмами и растениями привела к превращению значи-тельной их части в органические вещества. В подзолах, дерно-во-подзолистых, серых лесных почвах и черноземах 30,45% фосфорасодержится в форме органических соединений. В каштановых поч-вах органических фосфатов меньше — около 25%, а в сероземныхлишь около 14%.

Основная масса органических соединений фосфора входит всостав гумуса. Большая часть органического фосфора (до 60%) пред-ставлена фосфатами инозита. На долю нуклеиновых кислот прихо-дится до 10% органических соединений фосфора, на глицерофосфа-ты и другие простые эфиры — 5—10, на фосфолипиды — 0,45—2,6 %.Из отмеченных соединений наиболее стабильны инозитфосфаты.Легче разлагаются микроорганизмами нуклеопротеиды, нуклеино-вые кислоты, фосфаты, глицеро- и сахарофосфаты, а также поли-фосфаты.

Содержание фосфора (Р2О5) в почвах колеблется от 0,03 до0,2 %, а общий запас фосфора в пахотном слое составляет от 1 до9 т/га. По примерным подсчетам, около 15 кг фосфора на 1 га мо-жет содержаться в клетках микроорганизмов.

Основная масса минеральных и органических соединенийфосфора в почве недоступна высшим растениям, поэтому для полу-чения высоких урожаев вносят минеральные фосфорные удобрения.Микробиологические процессы, происходящие в почве, способству-ют переводу в доступное для растений состояние минеральных и ор-ганических соединений фосфора. Их разрушение — неспецифиче-ский процесс, который способны вызывать разнообразные формымикроорганизмов.

Некоторые минеральные соединения фосфора переходят враствор под действием кислых продуктов метаболизма бактерий иливодородных ионов кислых почв (например, подзолов). Даже диок-сид углерода, выделяемый микроорганизмами при разложении орга-

310

нических соединений, переводит в растворе двух- и трехкальциевыефосфаты в водорастворимый монокальциевый фосфат:

Са3(РО4)2 + 2Н2СО3 = 2СаНРО4 + Са(НСО3)2

Поглощенная фосфорная кислота может быть вытеснена идругими анионами. Поэтому когда на парующих почвах при нитри-фикации повышается содержание азотной кислоты, то несколькоувеличивается и количество подвижных фосфатов.

Микробиологическая деструкция отдельных минеральных со-единений фосфора происходит неодинаково легко. По возрастаю-щей трудности разложения может быть намечен следующий ряд:

FePO4 < А1РО4 < Апатит < Фосфорит < Са3(РО4)2

Растворяющее действие микроорганизмов на фосфаты невсегда связано с подкислением среды. Г. С. Муромцев и В. Ф. Пав-лова установили, что даже фосфаты алюминия и железа могут рас-творяться различными бактериями, грибами и актиномицетами,продукты метаболизма которых связывают катионы фосфатов в не-диссоциирующие хелатные комплексы.

В анаэробных условиях на затопляемых рисовых полях сни-жается окислительно-восстановительный потенциал, поэтому окис-ное железо восстанавливается в закисное. При этом происходит ос-вобождение фосфорного остатка:

3FePO4 > Fe(PO4)2 +РО4

3-

Для ускорения минерализации органических соединенийфосфора предложен препарат фосфоробактерин, эффективность ко-торого рассмотрена в главе 17.

Калий в почве находится в виде минеральных соединений,причем в основном в алюмосиликатных минералах. Из первичныхминералов, содержащих калий, широко распространены калийныеполевые шпаты (ортоклазы) и в меньшей степени калийные слюды(мусковит, биотит). Вторичные, или глинистые, минералы, обра-зующиеся в процессах выветривания и почвообразования, относятсяк гидроалюмосиликатам. В некотором количестве наряду с другимиэлементами в них содержится калий.

Общий запас калия довольно велик. В 1 га пахотного слояпесчаной дерново-подзолистой почвы содержится 15—20 т К2О,в дерново-подзолистой суглинистой почве — 45—75, в черноземе —60—75, сероземе — 75—90 т.

Калий, адсорбционно связанный на поверхности коллоидов(обменный), служит главным источником питания растений. Он со-ставляет не более 0,5—1,5% общего содержания данного элемента впочве. Иногда доступного для растений калия не хватает.

Микроорганизмы играют существенную роль в повышениисодержания в почве легкорастворимых соединений калия. Способ-

311

ность микроорганизмов р а з л а г а т ь а л ю м о с и л и к а т ы была ус-тановлена в начале текущего века чешским ученым И. Стоклазой ипольским микробиологом К. Басаликом. Позднее это явление былоподтверждено другими исследователями.

Разлагать силикаты способны микроорганизмы разных групп.Многие из них продуцируют кислоты, обладающие большой дест-руктивной активностью. Особенно большая растворяющая способ-ность у кислот, дающих комплексные и внутрикомплексные соеди-нения с элементами, входящими в состав алюмосиликатов. Из этойгруппы отметим микроорганизмы — продуценты полигидроксиди-и-трикарбоновых кислот.

Большую роль в разрушении силикатов играют слизи, выде-ляемые микроорганизмами. Чаще всего это полисахариды, содержа-щие уроновые кислоты. Карбоксильные и фенольные группы ука-занных соединений реагируют с определенными элементами силика-тов и образуют комплексные связи, что приводит к освобождениюсоответствующего вещества (в данном случае калия) из кристалли-ческих решеток и переводу его в раствор.

При выветривании силикатов наблюдается биогенное содообра-зование. Показано, что нефелин и плагиоклаз сильно разрушаютсяпод влиянием кислот, а кварц — под действием щелочей. Следова-тельно, распад минералов может идти под влиянием разных факторов.

Для усиления распада алюмосиликатов в почве предложенпрепарат «силикатных» бактерий.

Приведем некоторые данные, относящиеся к балансу фос-фора и калия. С урожаем сельскохозяйственных культур выно-сится менее половины массы фосфора, внесенного с минеральнымии органическими удобрениями. Доступность большинства соедине-ний фосфора для растений ограничена. Даже хорошо растворимыйв воде суперфосфат при применении вразброс усваивается на 15%,при рядковом внесении — в полтора-два раза больше. Фосфорныесоединения к тому же неравномерно распределяются по территориипашни. Поэтому лишь около 22% пашни содержит повышенное ко-личество Р2О5, 36% характеризуется средней обеспеченностью фос-фором, остальную площадь можно считать нуждающейся в фосфоре.

В отношении калия нужно иметь в виду, что некоторый дефи-цит этого элемента имеет лишь 10% пахотных земель. Около 22%среднеобеспечено калием и 68% содержит вполне достаточное егоколичество. Однако вклад в урожай калия, поступающего с удобре-ниями в пахотные почвы, весьма существен.

15.4. Химические средства защиты растений (пестициды)

Химические средства защиты урожая — пестициды — используютсяв сельском хозяйстве очень широко. В них входят гербициды, при-меняемые для борьбы с сорняками, фунгициды, защищающие расте-

312

ния от фитопатогенных грибов, инсектициды — средства защиты отвредных насекомых, нематициды — препараты против нематод и пр.

Широкое применение химических средств защиты урожая на-чалось после 1939 г., когда швейцарский ученый П. Мюллер показалперспективность использования ДДТ [1,1-ди(4-хлорфенил)-2,2,2-трихлорэтана] при борьбе с вредными насекомыми. Открывалисьновые перспективы в борьбе с вредителями сельского хозяйства ис насекомыми — переносчиками болезней. Применение ДДТ в юж-ных странах практически ликвидировало заболевание малярией, откоторой гибли миллионы людей. Однако через некоторое времяоказалось, что комары, переносящие заболевание, адаптировалиськ пестициду, и болезнь вновь приняла массовый характер. Тогда пе-решли на использование менее токсичного аналога ДДТ — мет-оксихлора (С16Н15С13О2).

В дальнейшем выяснилось, что ДДТ очень медленно разлага-ется в почве. Накапливаясь в почве и растениях, он оказывает вред-ное влияние на организм человека и животных. Помимо высокойстойкости, для ДДТ и ряда других пестицидов характерна способ-ность концентрироваться в биологических цепях. В продуктахживотного происхождения они накапливаются больше, чем в рас-тительных тканях. Получены убедительные доказательства отрица-тельного воздействия даже малых количеств хлорорганических со-единений на здоровье людей, и многие страны отказались от приме-нения таких препаратов. В нашей стране проводят гигиеническуюоценку новых пестицидов. Ежегодно публикуется также Список хи-мических и биологических средств борьбы с вредителями, болезня-ми растений, сорняками и регуляторов роста растений, разрешен-ных для применения в сельском хозяйстве.

Неумеренное применение пестицидов загрязняет окружаю-щую среду и приводит к гибели многих ценных представителей фа-уны и флоры. Попадая в водные бассейны, пестициды вызываютвымирание промысловых животных. Поэтому к применению пес-тицидов нужно относиться крайне осторожно и отбирать для прак-тического использования в сельском хозяйстве наименее вредныеи быстро разлагающиеся соединения.

Химическая природа пестицидов весьма разнообразна — ониотносятся более чем к 20 различным группам соединений. Наиболеешироко используют феноксипроизводные, производные карбами-новой и тиокарбаминовой кислот, триазина, мочевины, урацила,аминов и т. д. Как инсектициды в больших количествах применяютфосфорорганические соединения, меньше — хлорорганические ипроизводные карбаминовой кислоты. Находят применение и веще-ства, содержащие мышьяк и растительные яды, используют такжесоединения меди, ртути и т. д.

313

Трансформация пестицидов в почве. Рассматривая трансфор-мацию пестицидов в почве, следует отметить, что на нее влияют хи-мические и физические факторы, сорбция почвенными частицамии т. д. Однако главный фактор, вызывающий изменение пестицидовв почве, — микроорганизмы. Их жизнедеятельность заметно не уг-нетается дозами пестицидов, обычно используемыми в практике.

К химическим процессам, вызывающим превращения пести-цидов, относится реакция гидролиза, которая часто катализуетсяглинистыми минералами. Быстрота микробиологического разруше-ния пестицидов в значительной степени зависит от их химическогосостава. Если в структуре пестицида присутствуют галогенные, ни-тро- или метальные группы, то замедляется процесс микробнойдеструкции. Важное значение имеет также положение галогена в фе-ноксисоединениях. Наличие галогена в мета-положении замедляетраспад пестицида; соединения, имеющие галоген в пара- и орто-по-ложении, разрушаются легче.

Наиболее быстро разлагаются органические соединения фос-фора, производные алифатических карбоновых кислот, карбамино-вой и тиокарбаминовой кислот. Значительно медленнее подверга-ются разрушению циклические соединения. Примером разрывабензольного кольца может быть процесс деградации в последнеевремя запрещенного к применению гербицида 2,4-Д:

Гербицид симазин при отщеплении боковых группировок С2Н5 пре-вращается в аммелид, кольцо которого в дальнейшем разрывается:

314

Некоторые пестициды могут разлагаться лишь определенны-ми видами микроорганизмов. Так, к микроорганизмам, использую-щим аллиловый спирт, относятся Nocardia corallina, Azotobacter, Tri-choderma vulgaris и т. д.

Некоторые виды рода Nocardia способны ассимилировать в ка-честве источника углерода 4-феноксимасляную и 3,5-дихлорфенок-симасляную кислоты. Симазин может служить источником питаниядля ряда микроорганизмов. Так, к использованию симазина способ-ны многие виды бактерий, например представители родов Achromo-bacter, Mycobacterium и т. д.

Пестициды и другие соединения неприродного происхожде-ния (ксенобиотики), которые подвергаются полной минерализации(деградации) до СО2 и Н2О, NH3, сульфатов и фосфатов, обычнопроходят весь метаболический путь и могут использоваться в качест-ве источника углерода и энергии членами микробного сообщества.

Трансформация соединений, разлагаемых в большей или мень-шей степени, происходит обычно в результате кометаболизма. Ина-че говоря, эти соединения не являются субстратом для роста микро-организмов, но пока используются другие субстраты, организмымогут трансформировать их, хотя и медленно.

К соединениям, не поддающимся трансформации микроорга-низмами, относятся синтетические полимеры и некоторые аромати-ческие углеводороды. Каждый тип окружающей среды (почвы, во-доемы и др.) обладает своей популяцией микроорганизмов. Дажев самых экстремальных условиях, при высокой температуре и низ-ком рН, существуют определенные микроорганизмы. Однако имен-но благодаря разнообразию микробных сообществ, существующихв разнообразных, в том числе в экстремальных, условиях, а такжевследствие гетерогенности природных популяций многие устойчи-вые ксенобиотики могут подвергнуться деградации.

Отдельный вид микроорганизмов может обладать катаболит-ной способностью катализировать трансформацию одного соедине-ния в другое, но не иметь ферментативной системы для дальнейшейдеградации. Это может быть восполнено вторым (и так далее) мик-роорганизмом с комплементарным катаболическим свойством, итогда соединение будет полностью разложено. Синергическая дегра-дация ксенобиотиков может также предотвратить появление токсич-ных интермедиатов, поскольку в ряде случаев частичное разложениеприводит к возникновению более токсичных соединений, чем ис-ходное вещество.

Благодаря существующим в микробных сообществах природ-ным путям разрушения токсинов становится возможным исполь-зовать микроорганизмы для борьбы с загрязнением окружающейсреды, особенно органическими соединениями. Далее будут рас-смотрены различные способы, которыми можно воздействовать намикроорганизмы или их сообщества, чтобы катализировать необхо-

315

димые реакции, а также возможности генно-инженерных методов,позволяющих расширить круг применения таких биокатализаторов.

Огромный потенциал природных микробных сообществ в от-ношении деградации новых соединений стал очевиден уже в первыхисследованиях по биодеградации. Так, было обнаружено, что приповторном попадании нового соединения в окружающую среду ин-дукционный период, предшествующий биодеградации, уменьшаетсяпо сравнению с индукционным периодом при первом попадании.В течение времени, предшествующего деградации, популяция мик-роорганизмов адаптируется к данному соединению или в ней про-исходит отбор к его деградации. Это приводит к распространениюпопуляции, которая может разлагать внесенное вещество, а затемдостаточно долго (по меньшей мере три месяца) сохраняться послеего исчерпания. Поэтому к моменту поступления следующих пор-ций этого соединения микроорганизмы, способные к его деграда-ции, уже присутствуют в популяции, следовательно, деградация на-чинается много раньше.

Добавление нового субстрата в окружающую среду может за-пускать механизм отбора, т. е. имеет место природное генетическоеконструирование. В ответ на присутствие нового субстрата микроор-ганизмы, изначально не обладавшие способностью эффективно ис-пользовать данное соединение, «реконструируются» путем переносагенетической информации, что приводит к появлению необходимыхкаталитических функций и способности утилизировать новое соеди-нение. Согласно исследованиям, проведенным на кафедре микро-биологии МСХА, фунгицид амистар (дезоксистробин) интенсивноразлагается начиная с 60-го дня после его внесения в почву. По-видимому, только через 2 месяца в почве появились генетически«реконструированные» микроорганизмы, обладающие катаболиче-ской функцией деградировать фунгицид. Интересно отметить, чторазлагающие амистар микроорганизмы, выделенные из почвы с этимфунгицидом, относились к родам Nocardia, Arthrobacter и Mycobacteri-um. Эти бактерии использовали его в качестве единственного источ-ника углерода и энергии. Вероятно, в генетическом потоке междумикроорганизмами происходит случайный обмен генетическим мате-риалом. Однако как только происходит удачная перестановка, «но-вый» микроорганизм получает селективное преимущество. Это позво-ляет предполагать, что наблюдаемые в лаборатории обмены генетиче-ским материалом между микроорганизмами, даже через межвидовыеи межродовые барьеры, встречаются и в естественных условиях.

С тех пор как были опубликованы доказательства трансмис-сибельности устойчивости к лекарственным препаратам среди энте-робактерий, стала очевидной возможность внехромосомных генетиче-ских элементов, или плазмид, в переносе генетической информацииот одного микроорганизма к другому. Термин «катаболитическаяплазмида» (деградативная, или метаболическая, плазмида) относит-

316

ся к тем репликонам, которые кодируют одну реакцию или много-этапную последовательность реакций, приводящую к трансформа-ции или минерализации субстрата. Присутствие катаболическихплазмид в бактериальных сообществах придает микроорганизмамспособность перераспределять между собой пул деградативных ге-нов. Таким образом, плазмиды увеличивают биохимическую измен-чивость популяции.

Генетическая информация, которую несут катаболическиеплазмиды, сможет расширить круг субстратов микроорганизма либополным кодированием нового биохимического пути, либо дополнени-ем и продолжением уже существующих путей, кодируемых генамихромосомы, либо объединением двух метаболических путей. Компле-ментация, таким образом, особенно важна, если существующие меха-низмы приводят только к частичной деградации соединения, в резуль-тате которой накапливаются потенциально токсичные метаболиты. Та-кие плазмиды могут также обеспечивать существование ферментов,катализирующих с большей субстратной специфичностью реакцииферментных систем, закодированных в хромосомах. Из почвенныхбактерий были выделены плазмиды с молекулярной массой от 1,5 доболее чем 900 тыс. п. н. (пар нуклеотидов). Плазмиды, используемыедля конструирования векторов, обычно малы (2—10 000 п. н.), в товремя как катаболические плазмиды относятся к наиболее крупным.

Хотя катаболические плазмиды были выделены из разнооб-разных бактерий, наиболее часто они идентифицируются у бактерийрода Pseudomonas. Значительная изменчивость катаболических плаз-мид в этом роде объясняет широкие катаболитические возможнос-ти, которыми обладают его представители. Физический размер этихплазмид позволяет им кодировать большое количество генов. Плаз-мида длиной 150 тыс. п. н. содержит ДНК в количестве, достаточ-ном для кодирования приблизительно 150 генов.

Макроэволюционные события (воздействие факторов среды)приводят к инсерциям, делециям или перераспределению последо-вательности ДНК в плазмидах. Такие рекомбинационные событияизменяют структурную целостность плазмиды и тем самым могутвлиять на экспрессию ее генов путем их переориентации относи-тельно промотора или удаления инерционно инактивированнныхпоследовательностей. Рекомбинация между двумя фенотипическиразными плазмидами может привести к сосуществованию обеих винтегрированном виде в одном организме. Этот процесс может пре-одолеть природный механизм исключения или несовместимости,которые обычно препятствуют сосуществованию в одном микроор-ганизме плазмид, принадлежащих к одной группе несовместимости.Таким образом, рекомбинационные события увеличивают метабо-лические возможности микроорганизма.

В настоящее время вполне определенно доказано, что имеетместо перетекание генетического материала в плазмидные геномы и

317

обратно. Молекулярная природа плазмидной эволюции может слу-жить объяснением разнообразия катаболитических фенотипов, свя-занных с одной группой плазмид. Известно, однако, что эти плаз-миды обладают изменчивой структурой и существуют в стабильнойформе только тогда, когда условия среды подавляют перенос гене-тического материала. Когда катаболическая функция связана с оп-ределенной плазмидой, дальнейшие структурные изменения плаз-миды подавляются давлением отбора, в данном случае постояннымпоступлением субстрата.

Пластичность катаболических плазмид обеспечивает меха-низм, с помощью которого обмен генетическим материалом можетпривести к «созданию» организма, способного к эффективной ути-лизации нового субстрата в фазе обогащения (т. е. в накопительнойкультуре), как это описано для микроорганизмов, использующих га-логензамещенные жирные кислоты. В этих исследованиях шестьизолированных штаммов микроорганизмов, способных расти нахлоруксусной кислоте или пропионовой кислоте, обладали одной изплазмид размером от 150 до 290 тыс. п. н. Потеря плазмиды тремяиз этих штаммов сопровождалась потерей способности к дегалоге-нированию, а также к росту на этом субстрате.

Из окружающей среды выделены микроорганизмы, способ-ные разлагать ряд ксенобиотиков. Описаны генетические механиз-мы, которые способствуют перегруппировке координированнофункционирующих генов и тем самым получению новых комбина-ций катаболических функций, приспособленных к деградации мо-лекул ксенобиотиков.

Общепринятые методы работы с рекомбинантной ДНК по-зволяют переносить генетическую информацию от одного микроор-ганизма к другому. Однако клонированная чужеродная ДНК содер-жит небольшое число генов, часто только один структурный ген,кодирующий белок, который катализирует определенную реакцию.

Учитывая генетические методы получения штаммов микроор-ганизмов, способных к детоксикации окружающей среды, значениеобщепринятых методов конструирования рекомбинантной ДНК ог-раничено. С этой целью более широко используется конструирова-ние необходимых микроорганизмов при помощи природных генети-ческих механизмов обмена. Очевидно, однако, что конструированиерекомбинантной ДНК может быть использовано для усовершенст-вования этих деградативных способностей.

Как указывалось, природная генетическая селекция можетобеспечить способность микроорганизма к разложению специфиче-ского вещества. Однако подобные методики нуждаются в длительномпериоде селекции (8—10 мес.) и основываются на случайном наборегенетического материала для получения желаемой катаболитной сис-темы. Использование же методов рекомбинантной ДНК дает экспе-риментатору возможность соединять вместе определенные катаболи-

318

ческие последовательности и контролировать экспрессию специфиче-ских генов. Применение методов клонирования для манипуляцииподобными генами не может рассматриваться как панацея, обеспечи-вающая при всех обстоятельствах получение микроорганизмов дляборьбы с любыми загрязнениями. Имеется ряд ограничений для ис-пользования методологии клонирования для получения «суперштам-ма»: 1) многоэтапность путей деградации; 2) ограниченные знания обиндивидуальных катаболических путях; 3) опасность попадания скон-струированных микроорганизмов в окружающую среду. Первое из пе-речисленных ограничений — сложная структура ксенобиотиков —требует многоэтапных путей для достижения полной их минерализа-ции. Клонирование одного или двух генов в микроорганизме дает емувозможность разлагать вещество только в том случае, если новые ген-ные продукты дополняют существующие катаболические системы.Лишь в этом случае клонирование расширит метаболические возмож-ности микроорганизма. Применение этих методов, следовательно,позволит более направленно конструировать микроорганизмы. Одна-ко следует подчеркнуть, что даже новейшая методология может ис-пользоваться только для получения микроорганизмов, способныхрасти на одном или двух субстратах. Часто эта способность зависиттакже от вредных мутационных событий, происходящих вследствиеманипуляций in vitro, так как нашего понимания генетических меха-низмов еще недостаточно для направленного получения желаемых ге-нетических форм. Это отражает недостаток генетических знаний обэтих микроорганизмах, столь важных для процессов биологическойочистки. Пока хорошо разработаны методы клонирования генов дляЕ. coli и некоторых видов Bacillus и Streptomyces, а клонирование геновдля Pseudomonas в настоящее время в основном состоит из манипуля-ций с катаболическими плазмидами или их частями.

Отсутствие знаний о метаболических путях также ограничиваетприменение методов рекомбинантной ДНК для ускорения прогрес-са в этой области. Без таких знаний невозможно идентифицироватьгены, которые наиболее выгодно клонировать, особенно те, кото-рые лимитируют набор субстратов или скорость их использования.

Предпосылкой использования методов рекомбинантной ДНКявляется существование векторных систем для предполагаемогомикроорганизма-хозяина. Для ряда микроорганизмов, используе-мых для борьбы с загрязнениями, не существует хорошо охаракте-ризованных векторов. Один из возможных способов разрешенияэтой проблемы — это использование векторов с широким кругомхозяев, например вектора-плазмиды R 300В. Круг хозяев этой плаз-миды включает Е. coli, Pseudomonas aeruginosa и виды родов Alcali-genes, Methylotropus, Salmonella, Serratia, Klebsiella, Proteus, Rhizobiumи др. Использование таких плазмид, однако, находится на раннейстадии, и одна из основных проблем этих систем — стабильность.

319

Стабильность системы микроорганизм — вектор особенно важна,если организм планируют вносить в окружающую среду.

Возможность использования сконструированных микроор-ганизмов для борьбы с загрязнениями окружающей среды еще не-достаточно проверена вне лаборатории. Предложения по манипу-лированию природными изолятами с последующим возвращениемих в окружающую среду важны, но не всегда осуществимы. Простоеперемещение микроорганизма из окружающей среды и культиви-рование его в лаборатории, часто на относительно обогащенной пи-тательной среде, проявится в селекции мутаций, которые приспосабли-вают микроорганизм к новым условиям. Возвращение микроорганиз-мов в исходную среду снабженным новой катаболической функцией,которая дает ему возможность использовать субстрат, недоступный ос-тальному микробному сообществу, теоретически дает этому организмуселективное преимущество. Однако окружающая среда будет содер-жать и другие источники углерода; свалки токсических отходовобычно содержат много химических веществ, включая и более легко-усвояемые. В таких условиях сконструированные микроорганизмыдолжны обладать высокой стабильностью, чтобы обеспечить болееэффективное использование целевого вещества. Мало или ничего неизвестно о стабильности рекомбинантных штаммов в природнойсреде. Кроме того, исходная природная популяция, хорошо адапти-рованная к окружающей среде, подобна по своей конкурентноспо-собности генетически усовершенствованному штамму. Применениеметодов рекомбинантной ДНК для получения биологических аген-тов для борьбы с загрязнениями пока еще только начинается.

Не меньшее значение имеют биотехнологические методы и дляборьбы с загрязнением окружающей среды нефтью инефтепродуктами. В настоящее время в связи со значительнойинтенсификацией добычи нефти и производства нефтепродуктовбольшие масштабы приобретает процесс отторжения земель из сель-скохозяйственного использования. Согласно имеющимся данным, внастоящее время в России нуждается в рекультивации 1,2 млн га зе-мель, пострадавших от различных типов загрязнений, включая инефтяные. Нефть и нефтепродукты в эпоху научно-техническогопрогресса оказывают непрерывно возрастающее влияние на биосфе-ру, они признаны приоритетными загрязнителями окружающей сре-ды. Естественное самоочищение почв, вод и других природных объ-ектов от нефтяного загрязнения является длительным процессом,продолжающимся от одного до нескольких десятилетий, в зависи-мости от природных условий региона, где произошел аварийный раз-лив нефти и осуществляется путем сложных процессов в биоценозах,содержащих ассоциации микроорганизмов, простейших и червей.

В процессах превращения углеводородов нефти в природеважную роль играют многие группы микроорганизмов, обладающихспособностью использовать эти вещества в качестве единственного ис-

320

точника питания. Интенсивно разрабатываются методы рекультивациинефтезагрязненных почв, основанные на внедрении в естественныемикробные ассоциации чистых или смешанных культур микроорга-низмов-деструкторов в сочетании с приемами, повышающими ихактивность. С этой целью в последние годы рядом научно-исследо-вательских институтов и лабораторий осуществлялся поиск микро-организмов-деструкторов нефти и проводилась разработка микроб-ных биопрепаратов для очистки нефтезагрязненных почвы и воды.В настоящее время проходят испытания ряд микробных биопрепа-ратов, предназначенных для деструкции углеводородов нефти нанефтезагрязненных почвах: деворойл 1, деворойл 2, деворойл (паста),инипол, фаерзайм, биоприн, деградойлас 81, ремедиаст, биопрепа-рат 670, нафтокс, нафтокс (жидкий), псевдомин и др. Последнийпрепарат был разработан на кафедре микробиологии МСХА. Он об-ладает способностью к деградации растворенных и высокоэмульги-рованных нефтепродуктов, освобождение от которых можно считатьпределом возможности механических способов очистки. За два ме-сяца содержание нефти в почве снижается на 98%. Кроме того, бак-терии рода Pseudomonas, на основе которых был создан препарат,хорошо приживаются в почве, загрязненной нефтепродуктами,размножаются и доминируют в биоценозе углеводородокисляющихмикроорганизмов. Это указывает на возможность их пролонгиро-ванного деградационного последействия на нефтепродукты, остаю-щиеся, хотя и в небольших количествах, в почве. Испытание «Псев-домина» в сравнении с названными выше биопрепаратами показало,что он является весьма перспективным деструктором нефтепродук-тов в почве, значительно ускоряя разложение загрязнителя. Поэто-му биопрепарат «Псевдомин» может быть рекомендован для круп-номасштабного промышленного производства в целях его широкогоприменения для очистки почв, загрязненных нефтепродуктами.

Следовательно, в интенсификации биодеградации нефти и неф-тепродуктов микробные биопрепараты, созданные на основе углеводо-родокисляющих микроорганизмов, должны играть все возрастающуюроль. Это объясняется в первую очередь тем, что микроорганизмы, ис-пользуемые в подобных биопрепаратах, обладают значительно боль-шей активностью, чем природные формы, благодаря природной гене-тической селекции. Направленное регулирование жизнедеятельностиуглеводородокисляющих микроорганизмов в природных субстратах спомощью соответствующих биопрепаратов, построенное на углублен-ном познании их биологии, призвано сыграть большую роль в реше-нии ряда актуальных проблем современности, связанных с много-численными случаями нефтяного загрязнения почв.

Влияние пестицидов на почвенные микроорганизмы и обез-зараживание почвы. Гербициды вносят в почву в небольших коли-чествах — несколько килограммов на 1 га. Водорастворимые препа-

I I Микробиология 321

раты не создают в местах внесения токсичных для большинствамикроорганизмов концентраций. При распылении порошков иэмульсий образуются микрозоны, в которых селекционируется мик-рофлора, разлагающая пестицид, но основное микронаселение поч-вы остается незатронутым. В то же время использование гербицидовнесколько снижает количество гумуса по сравнению с необработан-ными почвами. Это объясняется тем, что гербициды уменьшаютпоступление в почву растительных остатков сорняков.

Обычно применяемые в практике дозировки пестицидов, какправило, не влияют на жизнь почвы. Однако иногда происходит за-держка процесса нитрификации, так как нитрификаторы очень чув-ствительны к различного рода сильным воздействиям. Некоторыеисследователи отмечают большую чувствительность по сравнениюс другими сапротрофными микроорганизмами азотобактера и клу-беньковых бактерий. Малоустойчивы к гербицидам микроско-пические грибы и водоросли.

Отмеченная чувствительность к пестицидам относится в ос-новном к повышенным их дозам. На основную же массу микроорга-низмов дозы, даже в 50—100 раз превышающие применяемые напрактике, не оказывают существенного влияния.

Несомненно, что не все микроорганизмы одинаково чувстви-тельны к определенным препаратам. Каждое химическое соединениебольше всего поражает какую-то свою «мишень». Разработка этоговопроса может способствовать выявлению микробиологических пока-зателей наличия и детоксикации определенных гербицидов в почве.

Отмеченное можно проиллюстрировать примерами. Э. А. Шти-ной было установлено, что Phormidium tenue погибает при незначи-тельных концентрациях 2,4-Д, а другие организмы (Chlorella vulgaris,Nostoc punctiforme и т. д.) весьма устойчивы к действию этого герби-цида. Ю. В. Круглое показал, что чувствительность водоросли Chlorel-la vulgaris к некоторым гербицидам приближается к чувствительностирастений овса. Очевидно, Chlorella может быть использована кактест-организм при выяснении токсичности гербицидов для растений.

Некоторые исследователи пытались определить суммарныйэффект действия гербицидов на микрофлору почвы по изменениюее дыхания. В опытах, проводимых по методике Варбурга, тормозя-щее действие на «дыхание» почвы оказывали лишь дозы гербици-дов, в десятки раз превосходящие используемые на практике. Одна-ко, если энергию дыхания почвы определяют в течение длительногосрока (за 28 и 56 дней), то даже небольшая доза симазина снижаетвыделение СО2 почвой.

Возникает весьма важный вопрос: за какой срок обезврежива-ются в почве применяемые обычно в практике дозы гербицидов. Наэто влияет целый ряд факторов — биологические и химическиесвойства почвы, ее температура, влажность и т. д. На быстроту рас-

322

пада гербицидов в почве большое влияние может оказывать присут-ствие легкодоступных микроорганизмам органических и минераль-ных соединений. Следовательно, без учета комплекса факторовтрудно определить быстроту распада гербицида в почве. Известныслучаи, когда в европейских странах ориентировались на американ-ские данные по освобождению почв от симазина. Так, в результатенедоучета особенностей климата резко снижался урожай пшеницы,высеянной после кукурузы, обработанной симазином.

Несмотря на условность сроков распада различных гербици-дов, приведенные в таблице 17 данные свидетельствуют о стабиль-ности в почве подобных соединений. Например, одни гербицидыраспадаются в почве через несколько недель, другие сохраняютсябольше года, существуют и еще более устойчивые вещества.

Т а б л и ц а 1 7Примерные сроки разрушения в почве

практически используемых1 дозировок гербицидов, мес.

Д о 1

ПропанидЯлан

1 - 3

2,4-ДБетаналДалапонПирамин

РонитЭптам

4 - 6

ДиуронКоторанВензар

7 - 1 2

ПрометринТрихлорацетат

натрия

Более 12

АтразинСимазин

В связи с тем что скорость детоксикации пестицидов в почвах иокружающей среде (грунтовые воды, водные бассейны и т. д.) зависитот географических, почвенных, гидрологических и других условий, со-ставлена карта, дающая представление о способности отдельных регио-нов самоочищаться от вносимых в почву токсических соединений.

Следует отметить, что при частичном разрушении гербицидамогут образоваться сильнотоксичные вещества. Например, когда изатразина отщепляется группировка С2Н5, образуется хлорамино-изопропиламинотриазин:

1 Большинство приведенных в таблице гербицидов в настоящеевремя запрещено для применения; таблица оставлена лишь как пример.

323

Иногда происходит конденсация веществ, образующихся изгербицидов, в трудноразлагаемые сложные соединения. Некоторыегербициды (симазин и др.), а также продукты их распада образуютс гумусовыми соединениями прочные комплексы. Это задерживаетпроцесс их детоксикации.

В отношении инсектицидов имеются данные, свидетельст-вующие о довольно быстром распаде в почве фосфорорганическихсоединений (полтора—четыре месяца); хлорорганические соединения устойчивее.

Рассмотрим влияние пестицидов на взаимоотношения бобо-вых растений с клубеньковыми бактериями. Здесь наблюдаютсязначительные различия. Так, гербициды, ингибирующие фотосинтез(симазин, атразин), не действуют на образование клубеньков, нопроцесс азотфиксации подавляется ими вследствие недостатка асси-милятов для клубеньковых бактерий. Другие гербициды депрессиру-ют активность находящихся в клубеньках бактерий и снижают азот-фиксацию.

Таким образом, для бобовых культур следует особенно тща-тельно подбирать гербициды и желательно употреблять их в сни-женных дозах. Предпочтительнее вообще использовать для этихкультур почвы, очищенные от сорняков при выращивании пред-шественников.

Протравливать семена бобовых растений целесообразно непозднее чем за две недели до посева. Заражение же посевного мате-риала клубеньковыми бактериями надо проводить в день посева.

Обработка почвы в защищенном грунте пестицидами в по-следнее время запрещена. Частично стерилизовать почву для пар-ников и теплиц можно высокой температурой (пастеризация). В та-ких случаях горячий пар вводят в почву при помощи специальныхприспособлений. Многие фитопаразиты погибают при температуре55—60 °С, в связи с чем почву пастеризуют нагреванием до 70 °С втечение 1 ч. За это время погибают грибы родов Sclerotinia и Phy-tophtora. Другие патогенные организмы гибнут еще быстрее. Еслитемпература прогрева ниже 70 °С, то время прогревания увеличи-вают.

Контрольные вопросы и задания

1. Как изменились взгляды ученых на воздействие обработки почвы на поч-венное микронаселение со времен формирования теории обработки почвыВ. Р. Вильямса? 2. Какое влияние оказывает внесение извести на отдельныегруппы микроорганизмов? 3. Расскажите о воздействии гипсования на мик-роорганизмы почвы. 4. Как сказывается превращение микроорганизмами впочве солей аммония в азотную кислоту на азотном питании растений?5. Приведите схему использования азота минеральных удобрений посевамисельскохозяйственных культур. 6. Какие приемы позволяют снизить потериазота удобрений? 7. В каких доступных для растений формах присутствует

324

в почве фосфор? 8. Какие процессы распада минералов, содержащих калий,идут с участием микроорганизмов? 9. Чем определяется быстрота разруше-ния пестицидов в почве? 10. Как влияют пестициды на формирование мик-робных ценозов в почве? 11. Приведите примеры условий, в которых задер-живается процесс деструкции гербицидов.

Взаимодействие микроорганизмови растений

16.1. Микроорганизмы зоны корняи их влияние на растение

На поверхность корней и надземных частей растений выделяютсяорганические соединения, синтезированные растительным организ-мом. Это явление называют экзосмосом. В зависимости от многихпричин интенсивность экзосмоса может быть большей или мень-шей. Количество соединений, выделяемых растениями в течениежизни, может составлять до 10% растительной массы и более.

При корневом экзосмосе образуются различные органическиекислоты — яблочная, янтарная, винная, лимонная, щавелевая и др.Обнаружены и сахара представленные альдозами и кетозами, а так-же некоторые аминокислоты (аланин, лизин и др.). Состав продук-тов экзосмоса отдельных растений в той или иной степени разли-чается.

В выделениях корней присутствуют физиологически активныесоединения — витамины, ростовые вещества, иногда алкалоиды и т. д.Многие из них в некоторых количествах выделяются и надземнымиорганами растений. Поэтому на корнях и надземных органах расте-ний обильно размножаются сапротрофные микроорганизмы. По-добное явление обусловливает образование биологических сооб-ществ, основанных на взаимодействии растений с широким спект-ром почвенных микроорганизмов, которые поселяются наповерхности корней или проникают в растительные ткани. Получаяот растений доступное органическое вещество (корневые выделениянекоторых растений составляют до 30% синтезируемой ими биомас-сы), почвенные микроорганизмы поставляют своим партнерам лег-коусвояемые соединения азота и фосфора, синтезируют стимули-рующие развитие растений фитогормоны и витамины, снижаютчисленность и подавляют активность почвенных фитопатогенов.

Рассмотрим состав микрофлоры зоны корня. Обычно выделя-ют «корневые» микроорганизмы, поселяющиеся на самой поверх-ности корня, — микроорганизмы ризопланы. Отдельно рассматри-

325

вают группу микробов, обитающих в слое почвы, прилегающемк корню, — микроорганизмы ризосферы. Количество микроорга-низмов на поверхности корня и в ризосфере в сотни раз больше,чем в остальной массе почвы. В зоне молодого корня в основномразмножаются неспорообразующие бактерии (Pseudomonas, Mycobac-terium и т. д.). Здесь же встречаются микроскопические грибы,дрожжи, водоросли и другие микроорганизмы.

Способность специфичных групп микроорганизмов разви-ваться в ризосфере определенных видов растений и оказывать поло-жительное или негативное воздействие определила необходимостьчередования культур, т. е. севооборота.

Целесообразность и даже необходимость введения чередова-ния культур (севооборота) возникла, когда было установлено небла-гоприятное воздействие на плодородие почвы длительного возделы-вания на поле одной и той же культуры. Отмеченное явление, полу-чившее название «почвоутомление», известно давно. Еще в 1796 г. онем писал Н. М. Максимович-Амбодик в работе «Первоначальныеботаники основания». Иллюстрацией этого служит опыт, заложенныйД. Н. Прянишниковым на дерново-подзолистых почвах. Средние уро-жаи сельскохозяйственных культур, полученные спустя 50 лет посленачала опыта, приведены в таблице 18. Аналогичные данные полу-чены в многолетнем опыте, проведенном на черноземе Миронов-ского института селекции и семеноводства пшеницы, где опыт так-же продолжался около 50 лет.

Таблица 18Влияние удобрения и шестипольного севооборота

с клевером на урожайность ржи и овса, т/га

Удобрение

NPK

Навоз

бессменная

0,67

1,06

1,37

Рожь

в севообороте

1,34

2,05

Овес

бессменный

0,71

1,01

1,11

в севообороте

1,32

1,78

Некоторые растения, например кукуруза и картофель, менеечувствительны к монокультуре. Иногда предшественник улучшаетрост последующей культуры, что в значительной степени относитсяи к бобовым.

Как же предшественник может влиять на последующую куль-туру и какова роль в таком случае микробиологического фактора?Здесь мы встречаемся с комплексом явлений. Некоторые растенияодносторонне обедняют почву на отдельные элементы питания. Подпропашными культурами почва не только истощается, но и сущест-

326

венно ухудшается ее структура. Не рекомендуется возделывать другза другом сельскохозяйственные растения, имеющие общих вреди-телей и болезни.

О том, что утомление почвы может быть вызвано микроорга-низмами, свидетельствует опыт Н. А. Красильникова. В колбы с ага-ризованной минеральной питательной средой вносят семена клеве-ра. В часть колб помещают небольшое количество «утомленной»почвы. Это вызывает быструю гибель проростков под влияниеммикроорганизмов. Та же почва, но стерилизованная, неблагоприят-ного эффекта не дает.

Токсичные для растений вещества могут накапливать в почвемногие микроорганизмы, развивающиеся в ризосфере растений ина растительных остатках. Так, в результате жизнедеятельности бак-терии рода Pseudomonas образуются феназинкарбоновая кислота,диацетилфлороглюцин и другие соединения, вредные для растений.Ф и т о т о к с и н ы продуцируют многие почвенные грибы: Aspergillusfumigatus — гельволевую кислоту, грибы рода Penicillium — пату-лин, Trichoderma — виридин и т. д. Поскольку каждому растениюв почве сопутствует определенный ценоз микроорганизмов, этосказывается на накоплении определенных фитотоксичных соеди-нений.

Существуют и другие причины, обусловливающие влияниеодного растения на другое, в частности химического характера. Этотак называемое аллелопатическое действие растений. Термин «алле-лопатия» предложен немецким ученым Г. Молишем для определенияхимического воздействия одного растения на другое. Многие по-крытосеменные растения способны вырабатывать те или иные ток-сичные вещества, в том числе алкалоиды. Указанные соединения нетолько аккумулируются в растительных тканях, но и частично выде-ляются в почву.

Отмеченное свойство присуще большинству культурных расте-ний. Так, корневая система овса выделяет скополетин (вещество, близ-кое к кумарину), лен — ряд ароматических соединений (феруловую,гидроксибензойную кислоты и т. д.), люцерна — алкалоиды, сахарнаясвекла — также ароматические соединения (гидроксибензойную, кума-ровую, феруловую, ванилиновую кислоты) и т. д. Н. Г. Холодный, а за-тем другие исследователи установили, что аллелопатическое действиеоказывают многие летучие соединения растений, среди них альдеги-ды, терпены, этилен, эфирные масла и т. д.

В пожнивных остатках культурных растений обнаружены не-которые вещества, токсически действующие на растения. Так, в со-ломе злаковых растений присутствуют кумариновая, гидроксибен-зойная, феруловая, сиреневая кислоты и др. Сильное аллелопатиче-ское действие оказывают хиноны.

327

Вещества растительных организмов, оказывающие химиче-ское воздействие на другие растения, Г. Грюммер предложил назы-вать «колины». В высоких концентрациях такие вещества угнетаютрост растений, в малых стимулируют.

Очевидно, научно обоснованное чередование культур должностроиться на учете аллелопатического фактора. Известно, что послесахарной свеклы плохо растет кукуруза, после овса резко падаетвсхожесть семян пшеницы, при вторичном посеве ячменя резкоснижается его урожайность. Острое «утомление» почвы наблюдаетсяпри монокультуре сахарной свеклы, льна, гороха, клевера, люцер-ны, многих плодовых растений. Однако кукуруза, картофель, рожь,табак, виноград и некоторые овощи не испытывают угнетения примонокультуре.

Как правило, благоприятно действуют на последующие куль-туры бобовые растения (особенно многолетние) в связи с тем, чтов симбиозе с клубеньковыми бактериями обогащают почву азотом.По данным Д. Н. Прянишникова, после того как в Европе быливведены плодосменные севообороты с клевером, средняя урожай-ность зерновых культур поднялась с 0,7 до 1,6 т с 1 га.

На черноземе Воронежской области в четырехпольном сево-обороте без бобовых растений и удобрения озимая пшеница давалаоколо 2 т/га. При использовании в севообороте однолетнего клевераурожайность повышалась до 2,5, а двулетнего клевера — до 2,8 т/га.Такие урожаи устойчиво держались на протяжении 17 лет.

Общеизвестна высокая эффективность таких предшественни-ков хлопчатника, как люцерна и рапс. В значительной мере их дей-ствие связано с тем, что корневая система указанных растений вы-деляет в почву соединения (алкалоиды и другие вещества), угнетаю-щие возбудителей вилта хлопчатника. Помимо того, люцернаобогащает почву азотом. Большая эффективность бобовых культуркак предшественников сельскохозяйственных растений показана изарубежными экспериментами.

Состав микрофлоры ризосферы меняется с возрастом расте-ний (табл. 19). Например, бациллы, актиномицеты и целлюлозораз-лагающие микроорганизмы, практически отсутствующие в ризосфе-ре молодых растений, появляются на более поздних стадиях их раз-вития. Очевидно, отмеченная группа микроорганизмов живет не засчет экзосмоса растений, а принимает активное участие в разложе-нии отмирающих корней.

Микрофлора поверхности корня несколько отличается по со-ставу от микробного ценоза ризосферы. Так, в ризоплане богачепредставлен род Pseudomonas, слабо размножаются Azotobacter, цел-люлозоразлагающие и некоторые другие микроорганизмы, которыхмного в ризосфере.

328

Т а б л и ц а 1 9Групповой состав микрофлоры пшеницы, тыс

Фазаразвитиярастения

Бактерии

Из них

неспо-рообра-зующие

бациллы

на 1 г почвы

Актино-мицеты

Грибы

Целлюло-

зораэла-гающие

микроор-ганизмы

Кущение

Колошение

Цветение

Созревание

300 000

420 000

560 000

280 000

295 000

417 000

546 000

205 000

531475

000000000000

2080100300

40557045

100100

1000

10 000

Сделаны попытки доказать, что зоне корня каждого видарастений свойственны строго специфичные группы микроорга-низмов, практически не размножающиеся в ризосфере других рас-тительных организмов. Действительно, можно отметить определен-ную перегруппировку отдельных микроорганизмов в зоне корняразличных растений. Это определяется составом корневых выделе-ний и органических остатков, которые у растений имеют некоторыеособенности. Например, известно, что клубеньковые бактерииобильнее размножаются в ризосфере бобовых растений. В прикор-невой зоне некоторых растений Azotobacter развивается лучше. В зо-не корня растений размножаются некоторые специфичные видыгрибов и т. д.

Особый интерес представляет воздействие генетических мо-дификаций растений на численность, состав и активность микроор-ганизмов ризосферы. Так, английским ученым Дж. Линчем (1982)было установлено, что введение пары 513 хромосом в клетки пше-ницы существенно изменило активность и численность ее ризо-сферной микрофлоры — появились грибы, вызывающие корневуюгниль, увеличилась численность целлюлозоразрушающих, пектино-литических, амилолитических и аммонифицирующих бактерий, из-менилось общее количество микроорганизмов. В результате ризос-фера растения-реципиента стала похожа на тип ризосферы, устанав-ливающейся в тетраплоидных, а не в диплоидных пшеницах.

Микрофлора зоны корня представляет собой определенныйбиологический барьер, влияющий на взаимодействие высших расте-ний и паразитов.

В последнее время установлено, что среди различных предста-вителей ризосферных микроорганизмов имеются отдельные виды,обладающие способностью не только находиться и размножаться накорнях растений, но и проникать в корни, а затем мигрировать встебли и листья. Такие микроорганизмы отнесены к эндофитнымризобактериям, т. е. организмам, способным жить и размножаться в

329

тканях высших растений (корнях, стеблях, листьях). На кафедремикробиологии МСХА (В. Т. Емцев, О. В. Селицкая и др.) была по-лучена эндофитная ризобактерия Klebsiella planticola, обладающаяспособностью к инвазивности и персистентности, т. е. способнаяпроникать во внутренние органы растений, активно размножатьсяи длительное время там находиться, мигрируя от корней к листьями от листьев к корням. Подобные особенности Klebsiella planticolaпозволили использовать этот микроорганизм в качестве микробногобиопрепарата биоплант-К для ускорения роста сельскохозяйст-венных растений и борьбы с корневыми фитопатогенами, посколь-ку данная бактерия, размножаясь в тканях растений, синтезируетростовые вещества и антибиотики, оказывающие положительноевлияние на продуктивность растений.

16.2. Симбиоз микроорганизмов с растениямиНекоторые растения вступают в тесные симбиотические отношенияс микроорганизмами почвы. Внедряясь в корневую систему или на-земные ткани растений, они питаются в них органическими соеди-нениями, синтезированными растением-хозяином. В свою очередь,растения получают от микроорганизмов-симбионтов ряд необходи-мых им веществ различного характера.

Выше был рассмотрен симбиоз бобовых растений с азотфик-сирующими бактериями рода Rhizobium и растений других семействс актиномицетами рода Frankia. Установлено также, что корневаясистема подавляющего большинства наземных растений образует сгрибами так называемую микоризу, которая, несомненно, имеетсимбиотический характер.

Крупной вехой в развитии учения об отношениях почвенныхгрибов и высших растений стала работа русского ученого Ф. М. Ка-менского, изучавшего в конце XIX в. анатомическое строение кор-ней подъельника (Monotropa hypopitys). Он установил, что корниэтого растения, особенно их окончания, покрыты толстым слоемгрибного мицелия. Ученый сделал заключение о возможности сим-биотических взаимоотношений между грибом и корневой системойподъельника.

В конце XIX в. русский ученый В. К. Варлих нашел, что кор-ни орхидей также пронизаны мицелием гриба. Причем растения ор-хидей вообще без гриба-симбионта не растут.

Последующие работы, особенно немецкого исследователяБ. Франка, позволили установить наличие грибного мицелия на ак-тивной части корней многих лиственных и хвойных древесных по-род. Сложный комплекс, образуемый корнями растений и грибом,Франк назвал микоризой, что в буквальном переводе означает «гриб-ной корень».

330

Наличие и отсутствие микориз, а также особенности их стро-ения зависят преимущественно от систематического положения рас-тения-хозяина. У высших споровых растений не имеют микоризспорофиты плаунов и хвощей. Голосеменные все микотрофны. Сре-ди покрытосеменных не имеют микориз осоковые, ситниковые, ка-пустные (крестоцветные), маковые, гвоздичные, большинство гре-чишных и маревые. Бобовые растения, находящиеся в симбиозе сбактериями, имеют и микоризу. В целом микоризы широко распро-странены среди самых разнообразных групп растений, как семен-ных, так и архегониальных. Водные растения не имеют микоризы.

Внешний вид и внутренняя структура микориз могут сильноварьировать. Различают эктотрофную, эндотрофную и переходную(эктоэндотрофную) микоризы. Между указанными типами микоризмогут быть всевозможные варианты. Подробно типы микориз опи-сал И. А. Селиванов.

Эндотрофная микориза. Наиболее распространен эндотроф-ный тип микоризы. Он свойствен травянистой растительности, мно-гим деревьям и кустарникам. При формировании эндотрофной ми-коризы мицелий гриба распространяется не только между клеткамикоровой паренхимы, но и внедряется в них (рис. 67, Б). Клетки ко-ровой паренхимы остаются жизнеспособными и переваривают внед-рившийся в них мицелий.

Особенно заметен описанный процесс в клетках, расположен-ных глубоко в паренхиме, он напоминает явление фагоцитоза. Под

Рис. 67. Эктотрофная (А) и эндотрофная (Б) микоризы:1 — гифы, замещающие корневые волоски; 2 — сеть Гартига;3 — проникающая в корень гифа; 4 — везикул

331

влиянием содержимого клетки внутриклеточный мицелий иногдаобразует клубки (пелотоны), а нередко — древовидные разветвления(арбускулы) или вздутые окончания (спорангиолы и везикулы). Неисключено, что спорангиолы в некоторых случаях представляют со-бой лизирующиеся арбускулы.

У корней с эндотрофной микоризой часть мицелиальныхокончаний выходит в почву. Такие гифы называют эмиссионными.Они не так густы и не образуют грибного чехла, как при эктотроф-ной микоризе. Поэтому корневые волоски у растений с эндотроф-ной микоризой обычно сохраняются.

Эктотрофная микориза. Довольно распространена эктотроф-ная микоризы. Она свойственна главным образом хвойным и «се-режкоцветным покрытосеменным», реже встречается в других сис-тематических группах растений. Корень с микоризой указанного ти-па окутывается достаточно плотным грибным чехлом, от которогово все стороны распространяется густая сеть гиф (рис. 67, А). Экто-трофная микориза может различаться по цвету мицелиального чех-ла, она бывает беловатой, серой, розовой, бурой и других тонов.Различают микоризу с войлочной поверхностью, волосистую, илищетинистую, и гладкую (рис. 68).

При эктотрофной микоризе грибные гифы проникают в ко-рень на небольшую глубину, ограничиваясь преимущественномежклетниками эктодермы. Здесь гифы, переплетаясь, образуютгустую сеть, названную гартиговской (по имени обнаружившего ееученого Р. Гартига). Причем плотный грибной чехол часто окутыва-ет корни так, что корневые волоски исчезают, а вода и питательныевещества из почвы поглощаются мицелием гриба.

Наружный слой клеток коры корня подвергается более илименее полному разрушению. Под грибным чехлом находится слойклеток с большим количеством дубильных веществ. Главные окон-чания корней (ростовые) иммунны к грибу и не образуют микори-зы. Рост их в длину продолжается все лето, что дает возможностьохватывать корнями больший объем почвы.

Эктотрофная микориза — однолетнее образование, каждыйгод она возобновляется. Формирование микоризы, показанное нарисунке 69, следует рассматривать как схему; структура микоризыможет довольно сильно различаться даже у одного и того же расте-ния.

Другие виды микориз. Микориза переходного типа совмещаетчерты, свойственные эктотрофной и эндотрофной микоризам.Иногда наблюдается перитрофная микориза. В таком случае грибы невступают с растениями в тесную связь. Они поселяются в ризосфе-ре, окутывая корень.

332

Рис. 68. Микориза на корнях древесных растений: А — гладкая на корнях сосны(по: Б. Бьеркман); Б — щетинистая на корнях дуба (по: А. Хатч)

333

Рис. 69. Формирование эктотрофной микоризы у рябины: наблюдается постепен-ное образование грибом сети Гартига и микоризного чехла, что приводит к редукциикорневых волосков

От истинных микориз следует отличать псевдомикоризы, об-разуемые паразитными грибами. Псевдомикоризы лишь внеш-не напоминают истинные, но поражают все ткани корня и имеютиную физиологическую основу. Кроме вреда, они ничего растениюне приносят. Грибы же микоризообразователи значительно усили-вают и улучшают развитие корневой и надземной частей растения.

Значение грибов-микоризообразователей для растений. Поотношению к грибам-микоризообразователям высшие растения мо-гут быть разделены на следующие три группы:

• облигатно-микотрофные растения, не развивающиеся безгриба (подъельник, орхидея);

• растения, рост и развитие которых улучшаются при на-личии микоризы; к данной группе относят многочисленныедревесные и кустарниковые породы (дуб, граб, хвойные ит. д.), в нее входят и травянистые растения, в том числесельскохозяйственные культуры;

• растения, развивающиеся без микоризы, — водные и не-большая группа наземных.

Грибы-микоризообразователи древесной и особенно травя-нистой растительности изучены еще недостаточно. Установлено, од-нако, что эндомикоризные грибы относятся к семейству Endago-пасеае (роды Glomus и Sclerocystis).

Микоризу у одного и того же растения могут образовать раз-ные виды грибов, способные к симбиозу с ним. С другой стороны,один и тот же гриб способен создавать микоризу с различными рас-тениями. Впрочем, у ряда грибов проявляется известная специфич-ность. Этим объясняется очень характерный состав шляпочных гри-бов в различных лесах.

Условия, способствующие хорошему росту растений, как пра-вило, улучшают и формирование на них микоризы. Благоприятноевлияние на образование микоризы оказывают органические и боль-шинство минеральных удобрений. Однако внесение азотных удоб-

334

рений подавляет микоризообразование. Вероятно, это объясняетсятем, что при значительных количествах азота углеводы в растенииперерабатываются в белки, вследствие чего ухудшается питание гри-ба-симбионта.

Исследование распространения микориз в различных ланд-шафтно-географических зонах показывает, что в тундровых и пус-тынных фитоценозах симбиотические связи высших растений с гри-бами заметно ослабевают. В лесной и степной зонах микотрофныевиды растений преобладают над немикотрофными.

Грибной мицелий, окружающий корень, увеличивает рабочуюповерхность последнего. В результате растения получают возмож-ность активнее поглощать из почвы питательные вещества. Так,фосфор в основном в форме полифосфатов, со значительной скоро-стью транспортируется гифами грибов в ткани растений. Гифы ми-коризных грибов способны поглощать этот элемент из почвы запределами обедненной ими прикорневой зоны. Также они способ-ны использовать значительно более низкие концентрации фосфораиз почвенного раствора, чем корни растений. Очевидно, микориз-ные грибы ассимилируют труднодоступные растениям фосфатыалюминия и железа.

Растения с микоризой легче поглощают влагу при ее дефици-те в почве и поэтому легче переносят засуху. Грибы-микоризообра-зователи минерализуют многие органические соединения, в резуль-тате чего улучшается питание растения.

Кроме того, грибы микоризы продуцируют биологически ак-тивные вещества и благодаря этому содействуют росту растений.Некоторые грибы-симбионты разрушают гумус.

Образование микориз возможно, если в почве имеются со-ответствующие грибы. Обычно в микробном ценозе почвы они при-сутствуют. Однако в некоторых случаях, например при степномлесоразведении и рекультивации земель, когда в почве нет гри-бов-микоризообразователей древесных растений, целесообразно ихвнесение в почву.

16.3. Эпифитные микроорганизмы и хранение урожая

Часть микроорганизмов, развивающихся в зоне корней растений, вовремя вегетации последних переходит на надземные органы и про-должает здесь размножаться. Некоторое число микроорганизмов за-носится на поверхность растений с пылью и насекомыми.

Микроорганизмы, развивающиеся на поверхности растений,получили название эпифитов, или микробов филлосферы. Эти мик-роорганизмы не паразитируют на растении, а растут за счет нор-мальных выделений его тканей и имеющихся на поверхности орга-

335

нов небольших количеств загрязнений органического происхожде-ния (пыль и т. д.).

Довольствоваться скудными запасами питательных материа-лов на поверхности растений могут далеко не все микроорганизмы.Поэтому состав эпифитной микрофлоры растений весьма специфи-чен. До 80% общего количества эпифитов составляют клетки Erwiniaherbicola. Эта грамотрицательная неспорообразующая бактерия намясо-пептонном агаре формирует золотисто-желтые колонии. В не-котором количестве обнаруживаются на поверхности растений идругие бактерии, в частности фиксирующие молекулярный азот. Ба-цилл и актиномицетов среди эпифитных микроорганизмов мало,чаще встречаются споры разных видов грибов (Penicillium, Fusarium,Mucor и т. д.).

Существование эпифитных микроорганизмов на здоровомрастении в значительной мере связано с климатом. Во влажную по-году их численность возрастает, в сухую, наоборот, уменьшается.У тех растений, которые интенсивнее выделяют продукты обменана поверхность тканей, эпифитная микрофлора богаче и разнооб-разнее.

Микроорганизмы обитают не только на стеблях, листьях идругих надземных органах растений, но и на семенах. Исключениесоставляют семена, плотно закрытые плодовыми или семеннымиоболочками, например плоды бобовых культур. В таких случаях домомента раскрытия оболочек семена практически лишены мик-рофлоры. Во время уборки и обмолота такое зерно сильно загряз-няется микроорганизмами. Большое значение при этом имеют пыльи почва.

Степень обсеменения различного зерна микроорганизмаминеодинакова. Сказываются индивидуальные особенности растения,условия созревания зерна и его морфологические признаки. Так,бороздка, шероховатая поверхность эпидермиса или цветковыепленки способствуют скоплению на поверхности зерна большогоколичества пыли и микрофлоры. Поэтому на зерне злаковых боль-ше микроорганизмов, чем на семенах некоторых масличных или бо-бовых с гладкой поверхностью.

Воздействие эпифитных микроорганизмов на растительныйорганизм очень разнообразно и зависит от окружающих условий.В первые этапы прорастания зерна эпифитные микроорганизмы на-чинают размножаться и переходят на корни и проросток. При по-ниженной температуре интенсивнее развиваются холодоустойчивыемикроскопические грибы, среди которых есть и факультативные, и об-лигатные паразиты. В результате резко понижается полевая всхо-жесть зерна. Предварительное протравливание семян значительноснижает вред, причиняемый эпифитными грибами.

336

Интересно, что протравливание семян кукурузы наиболее эф-фективно в условиях холодного климата. Это вполне понятно, таккак при низкой температуре почвы грибы более агрессивны, а им-мунитет растений снижен.

В северной зоне России кукурузу можно без ущерба высевать,не ожидая прогрева почвы, если применять так называемую гид-р о ф о б и з а ц и ю семян. Суть метода заключается в покрытии се-мян водонерастворимой, но проницаемой для воды и воздуха плен-кой, содержащей пестициды, предохраняющие семена и всходы отгрибных и бактериальных болезней и вредителей.

Эпифитные микроорганизмы, размножаясь на поверхностирастений, создают биологический барьер, препятствующий проник-новению паразитов в растительные ткани. Усиливая размножениеэпифитной микрофлоры опрыскиванием растений питательнымидля микроорганизмов растворами, удается увеличить антагонисти-ческое воздействие эпифитов на фитопатогенные микроорганизмы.В принципе с некоторыми болезнями растений можно бороться,воздействуя на их эпифиты.

Большую роль эпифитные микроорганизмы играют при хра-нении зерна и семян. От чего зависит развитие на зерне и семенахмикроорганизмов, а следовательно, порча этой продукции? Преждевсего от влажности зерна и температуры окружающей среды. Так,во время созревания зерна влажность его сильно снижается и дости-гает уровня, когда размножение микроорганизмов становится не-возможным. В спелом зерне вся влага находится в связанном со-стоянии и недоступна микроорганизмам.

Различные группы микроорганизмов начинают развиваться назерне при разных уровнях влажности. Так, при температуре около15—20 °С некоторые грибы могут размножаться на зерне пшеницыи кукурузы с влажностью 14,5—15%, а бактерии — при увлажнениизерна пшеницы до 17,5—18%.

Зерну каждой группы культур присуща своя критическаявлажность, при которой на нем возможно размножение микроорга-низмов. На семенах бобовых при указанной выше температуре гри-бы развиваются при влажности 16%, подсолнечника — при 7—9%.Это зависит от количества связанной воды в тканях различных се-мян, что определяется их структурой и химическим составом. Мик-роорганизмы начинают развиваться на зерне, лишь когда в нем по-является свободная вода, т. е. степень увлажнения превышает уро-вень связанной воды.

Степень увлажнения хранящегося зерна зависит от влажностиокружающего воздуха. Установлены значения равновесной влаж-ности семян и зерна растений при различной влажности воздуха.Руководствуясь приведенными показателями, можно создавать бла-гоприятные условия для хранения зерна и семян.

337

Развитие микроорганизмов на зерне и семенах определяетсятакже температурой. Это отмечается только для несколько увлаж-ненного материала, так как на сухом зерне микроорганизмы не раз-виваются. При повышенной влажности зерна микроорганизмыразмножаются тем быстрее, чем выше температура.

В зависимости от влажности зерна пшеницы и температурысреды на нем развиваются различные группы микроорганизмов.При температуре 10 °С даже довольно влажное зерно (18—19% вла-ги) может хорошо храниться, а при 15—20 °С оно начинает быстроплесневеть и портиться. Для успешного хранения зерна при болеевысокой температуре его влажность необходимо снизить.

Активное развитие микроорганизмов в зерновой массе раз-личных культур при одной и той же степени увлажнения начинаетсяв разные сроки. Пшеница, рожь, ячмень, горох, бобы и гречиха до-вольно устойчивы. В просе, кукурузе и подсолнечнике микроорга-низмы развиваются быстрее и интенсивнее.

При подмокании любого зерна свойственная ему эпифитнаямикрофлора быстро исчезает. Начинают развиваться разные мице-лиальные грибы (плесени), преимущественно представители родовPenicillium и Aspergillus. Последний род преобладает при повышен-ной температуре (выше 25 °С). Из бактерий на зерне сначала обиль-но размножаются микрококки, полностью вытесняющие Erwiniaherbicola, позднее появляются разнообразные неспорообразующиепалочки, а при повышенной температуре — бациллы (Bacillus mesen-tericus, В. subtilis и др.). Следовательно, по составу микрофлоры зер-на можно судить об условиях его хранения.

При более или менее длительном развитии микроорганизмовв результате их жизнедеятельности масса зерна может разогреться.Зерновые массы имеют низкую теплопроводность, поэтому хорошоаккумулируют тепло. Наряду с микроорганизмами тепло выделяетсявследствие дыхания зерна, развития насекомых и т. п.

Глубоко зашедший процесс разогревания зерна приводит к по-вышению его температуры до 60 °С. Зерно при этом нередко приоб-ретает темную окраску — «обугливается», так как в нем образуютсятемноокрашенные соединения меланоидной природы.

Сохранность урожая овощей и плодов, имеющих большуювлажность, определяется их иммунитетом и созданием внешней среды,предупреждающей развитие микроорганизмов на их поверхности.

16.4. Развитие на растениях токсигенных грибов

К биологически активным веществам, вырабатываемым некоторы-ми группами микроорганизмов, следует отнести токсины — вещест-ва, вызывающие заболевания высших организмов. Указанные со-единения вырабатываются как патогенными микроорганизмами, так

338

и некоторыми сапротрофами. Существуют токсины, локализован-ные в клетках микроорганизмов (эндотоксины), другие выделяютсямикробами во внешнюю среду (экзотоксины).

При развитии на злаках или кормах некоторых грибов на-капливаются ядовитые продукты, иногда вызывающие тяжелые от-равления — микотоксикозы. В ряде случаев виновниками пищевыхи кормовых отравлений могут быть бактерии.

Примером микотоксикоза служит э р г о т и з м — болезнь че-ловека и животных, возникающая при потреблении зерна, заражен-ного спорыньей (сумчатый гриб Claviceps purpurea). Гриб заражаетрастения в поле. При этом в колосках злаков образуются склероциигриба, обычно называемые рожками. Ядовитыми свойствами обла-дают собственно рожки. Перед размолом зерна их следует удалятьиз зерновой массы.

Токсичные свойства рожков объясняются присутствием в нихряда алкалоидов — эргокристина и его изомеров, эргобазина и дру-гих близких по структуре соединений. Основа строения перечислен-ных алкалоидов — лизергиновая кислота, которая относится к про-изводным индола. Она связана с одной или несколькими аминокис-лотами.

Из рожков спорыньи получают ценные фармацевтическиепрепараты, но примесь ее к зерну вредна. Заболевание эрготизмомпротекает различно. В основном поражается пищеварительныйтракт, что сочетается с расстройством нервной системы.

Другой гриб из того же рода — Claviceps paspali — поселяетсяна травах рода Paspalum (двурядная гречиха и др.), образуя на коло-сках шаровидные склероции, содержащие токсичные вещества. От-равление, вызываемое грибом у скота, получило название клави-ц е п с т о к с и к о з а . Наиболее характерный симптом этого заболева-ния — расстройство координации движений. Для профилактикиклавицепстоксикоза нельзя допускать использование корма, если внем обнаружены склероции. Специфичные средства лечения токси-коза не разработаны.

Тяжелые заболевания людей могут вызвать грибы рода Fusari-ит, развивающиеся на вегетирующих или скошенных злаках. Во влаж-ном климате на злаках может паразитировать Fusarium graminearum.Токсин, накапливаемый этим грибом в зерне, вреден для людейи животных. Хлеб, выпеченный из муки фузариозного зерна, вызы-вает симптомы, близкие к опьянению. Это заболевание получилоназвание «пьяный» хлеб. Токсин гриба содержит глюкозиды иалкалоиды.

Отравления людей наблюдаются при употреблении в пищунесвоевременно убранных, перезимовавших под снегом зерновыхкультур. На них развивается гриб Fusarium sporotrichiella, выделяю-щий сильный токсин, к которому чувствительны не только люди,

339

но и многие животные. Отравление больным зерном людей сначаланазывали септической ангиной, так как оно начиналось с призна-ков, близких по симптомам к ангине. Позднее данный микотокси-коз стали называть а л и м е н т а р н о - т о к с и ч е с к о й а л е й к и е й .Болезнь сопровождается склонностью к кровоточивости, резкимуменьшением числа лейкоцитов за счет гранулоцитов и другимисимптомами алейкии.

Из токсина Fusarium sporotrichiella выделен сапонин, который,очевидно, связан с холестерином. В токсине имеются и соединения,относящиеся к стеролам циклопентафенантренового ряда. Посколь-ку детально токсин пока не изучен, меры специальной профилакти-ки и лечения фузариотоксикозов не разработаны.

Корм, пораженный токсичным грибом Stachybotris alternans, слу-жит причиной тяжелого заболевания животных. К токсину чувствите-лен и человек. Данное заболевание называется стахиботриток-с и к о з о м . При болезни возникают некрозы слизистой оболоч-ки ротовой полости и последующих отделов пищеварительноготракта животных. Из пищеварительного тракта токсины проникаютв центральную нервную систему, вызывая тяжелые поражения моз-га. У людей, работающих с таким кормом, также может наблюдатьсяпоражение слизистых оболочек, вызванное этой болезнью. Специ-фичные средства профилактики и лечения стахиботритоксикоза неразработаны.

При потреблении грубых кормов, на которых развился грибDendrodochium toxicum, наблюдается молниеносная гибель лоша-дей при симптомах расстройства сердечно-сосудистой системы иподавления кровообразования. При слабом отравлении развиваетсязатяжная болезнь с поражением слизистых оболочек рта и кишечни-ка. Попадание спор гриба на слизистые оболочки человека вызыва-ет их воспаление. Описанная болезнь носит название дендродо-х и о т о к с и к о з а . Химическая природа токсина не установлена.

Отравления животных кормами могут также вызвать грибы ро-дов Aspergillus ( аспергиллотоксикоз) , Penicillium (п е н и ц и л л о-т о к с и к о з ) и Mucor (мукоромикоз) . Токсины образуют и другиевиды грибов, развивающиеся на кормах, поэтому скармливание за-плесневевших кормов недопустимо. Работа с ними также опасна,так как споры грибов, содержащие токсичные вещества, попадают вполость рта, дыхательные пути и служат причиной остро протекающихзаболеваний человека (зерновая лихорадка и т. д.).

Контрольные вопросы и задания

1. От чего зависит формирование эпифитной микрофлоры? 2. Какие видымикроорганизмов могут обитать на поверхности растений? 3. Расскажите обусловиях формирования микоризы.

340

Микробные землеудобрительныебиопрепараты и их использованиев сельском хозяйстве

Биологической альтернативой минеральным азотным удобре-ниям в сельском хозяйстве является биологическая фиксация моле-кулярного азота атмосферы. Как известно, азотные минеральныеудобрения стали очень дорогими из-за сокращения добычи иско-паемого топлива, а кроме того, в последнее время повышается об-щественно-политическая озабоченность возможностью химическихзагрязнений, в частности минеральным азотом, окружающей среды.Следовательно, внимание в настоящее время концентрируется наазотфиксации как альтернативе удобрениям.

Широкие исследования по изучению механизмов азотфикса-ции и взаимодействия микроорганизмов и растений показали необ-ходимость разработки и использования методов генной инженериидля создания новых азотфиксирующих систем, которые являлись быосновой высокоэффективных биопрепаратов нового поколения. Этобиопрепараты комплексного действия — они улучшают питаниерастений (как за счет фиксации атмосферного азота, так и за счетболее эффективного использования питательных элементов удобре-ний и почвы), стимулируют рост растений, подавляют развитие фи-топатогенной микрофлоры. Эти достоинства ярко проявляются присравнении с химическими препаратами — пестицидами. В целомряде случаев обработка препаратами полностью заменяет химиче-ское протравливание семян. Применение биопрепаратов повышаетпродуктивность растений, улучшает их качество за счет повышениясодержания белка, крахмала, витаминов и других соединений, по-зволяет получить более раннюю продукцию, улучшает ее сохран-ность. Биопрепараты обладают широким спектром действия, но на-ибольшую эффективность они проявили на овощных и кормовыхкультурах. Кроме того, их использование позволяет снизить нормуминеральных азотных удобрений, что положительно сказывается науровне нитратов и нитритов в продукции.

1 7 . 1 . Биопрепарат ризоторфин на основе клубеньковыхбактерий рода Rhizobium и Bradyrhizobium

Вскоре после того как М. Бейеринк (1888) изолировал клубенько-вые бактерии бобовых растений, возникла идея использовать этибактерии для улучшения образования клубеньков и усиления фик-сации атмосферного азота.

341

Впервые препарат клубеньковых бактерий под названием «ни-трагин» был приготовлен в 1896 г. в Германии Ф. Ноббе и Л. Гильт-нером. Позднее под различными наименованиями культуры клу-беньковых бактерий появились в других странах. В 1906 г. в Велико-британии началось производство «нитрагина», в 1907 г. в СШАФ. Гаррисон и Б. Барлоу предложили соответствующий препарат«нитрокультура». В том же году в России Л. Т. Будинов применилпрепарат Rhizobium, именовавшийся также «нитрагином».

Препараты клубеньковых бактерий сейчас широко использу-ют во многих странах под различными названиями. Так, во Фран-ции их называют N-germ, в Чехии и Словакии — нитразон, в Рос-сии — нитрагин, ризоторфин и т. д.

Использование препаратов клубеньковых бактерий для зара-жения семян бобовых растений совершенно необходимо, когда вданной местности вводят новые культуры бобовых и в составе фло-ры нет перекрестно заражающихся с ними растений. Такая потреб-ность возникла в нашей стране при возделывании соевых бобов вновых зонах. При этом клубеньков на корнях бобовых растенийпрактически не было. Инокуляция обеспечивала образование клу-беньков, а следовательно, осуществление азотфиксации. В результа-те увеличивались урожай и содержание белка в растительной массеи зерне.

В целесообразности применения инокуляции для новых куль-тур бобовых растений, а также на вновь осваиваемых сельскохо-зяйственных угодьях нет сомнения. Значительно труднее решитьвопрос о старопахотных, хорошо окультуренных почвах, на которыхуже давно возделывают определенные виды бобовых растений.Можно предположить, что в таких почвах уже сложились достаточ-но стабильные микробные ценозы, в составе которых имеются иклубеньковые бактерии культурных бобовых растений. Нужна лиздесь инокуляция и будет ли она себя оправдывать?

Для ответа на этот вопрос были поставлены многочисленныеопыты. В европейской части России массовые опыты с инокуляци-ей разных бобовых культур были проведены Е. Н. Мишустиными В. В. Бернардом. В большинстве случаев инокуляция дала замет-ное увеличение урожая. Наилучший эффект отмечался на кислыхпочвах.

Объяснить такое действие заражения бобовых растений куль-турой Rhizobium или Bradyrhizobium на давно освоенных почвах,имеющих в составе микрофлоры клубеньковые бактерии, можноследующим образом. Во-первых, в природных условиях может про-исходить перекрестное заражение, т. е. высеваемые бобовые расте-ния заражаются клубеньковыми бактериями близких групп расте-ний. В таких случаях клубеньки хотя и образуются, но функциони-

342

руют неполноценно. В то же время при искусственной инокуляциив корень бобового растения проникает активная раса Rhizobium илиBradyrhizobium, нанесенная на высеваемые семена.

Во-вторых, клубеньковые бактерии, имеющиеся в почве, незанятой бобовыми растениями, существуют как обычные сапро-трофы. Нередко вследствие ряда причин почва оказывается не-благоприятной средой для клубеньковых бактерий. Их количествосущественно уменьшается, а активность снижается. Кислые почвы,например, отрицательно влияют на азотфиксирующую способностьклубеньковых бактерий, и при сапротрофном существовании про-исходит существенное снижение их ценных свойств. В таких случа-ях естественное заражение не дает эффективного симбиоза.

Массовые опыты с нитрагинизацией показали целесообраз-ность и эффективность рассматриваемого агроприема (табл. 20). До-вольно широко искусственная инокуляция бобовых культур клу-беньковыми бактериями проводится в Чехии, Словакии, Болгарии,Польше, США, Канаде, Франции, Швеции и др.

Т а б л и ц а 2 0Эффективность нитрагинизации основных бобовых культур

Культура

Количествоопытов

с достовернойприбавкой, %

Урожайв контроле

Достовернаяприбавкаурожая

т/га

Прибавкаурожая

к контролю,%

Горох:

зерно

зеленая масса

Соя

Люпин:

зерно

зеленая масса

Люцерна(зеленая масса)

Клевер (сено)

Фасоль

Чина

Вика(зеленая масса)

Эспарцет

40

64

84

42

81

92

75

45

75

75

60

2,14

14,75

1,79

1,90

26,90

36,00

6,05

2,53

2,58

18,00

11,80

0,11

1,55

0,4

0,18

4,05

5,60

0,50

0,25

0,20

1,40

1,60

5,1

11,8

22,3

9,5

15,1

15,5

8,3

9,9

7,7

7,8

13,6

343

Со временем появилась потребность экспериментально уста-новить территориальные зоны, где инокуляция дает хороший ре-зультат. Такая работа была проведена во Франции с люцерной —распространенной здесь бобовой культурой. Выявлена необходи-мость инокуляции на кислых почвах. Кроме того, этот прием частоприносит пользу на декальцированных почвах, почвах побережьяАтлантического океана и в ряде других мест. На богатых кальциеми известкованных почвах заметного эффекта от заражения не на-блюдается.

Бактеризация не только увеличивает урожай бобовых расте-ний, но и улучшает его качество. В растениях, зараженных активны-ми расами клубеньковых бактерий, значительно повышается коли-чество белка и витаминов группы В. Поскольку положительноевлияние инокуляции распространяется и на корни растений, топосле сбора урожая пожнивные остатки более эффективно действу-ют на последующую культуру севооборота.

Препарат, содержащий клубеньковые бактерии, готовят раз-ными методами. Чаще всего используют торфяной нитрагин — ри-зоторфин. Он представляет собой стерилизованный у-облучениемнизинный торф, к которому добавлены необходимые для клубень-ковых бактерий питательные вещества. Расфасованную массу вы-держивают в термостате для размножения внесенных в нее бакте-рий. Иногда готовят торфяной препарат, не стерилизуя торф, новносят в него большое количество клубеньковых бактерий.

При изготовлении препарата на почве пользуются нейтраль-ной, богатой органическим веществом стерильной почвой, расфасо-ванной в ту или иную тару. Перед посевом семена бобовых расте-ний обрызгивают водной суспензией того или иного препарата.Препараты для заражения бобовых растений можно применять ог-раниченное время, так как клубеньковые бактерии постепенно от-мирают. Для каждой бобовой культуры или узкой группы растенийготовят специальный препарат.

В связи с широким использованием приемов химическогопротравливания семян, применением гербицидов, инсектицидови т. д. возникает вопрос о совместимости химических мер защитыурожая с инокуляцией семян бобовых клубеньковыми бактериями.Выяснено, что протравливание семян не исключает применениякультур клубеньковых бактерий. Однако необходимо подбирать со-ответствующие протравители и разделять указанные приемы во вре-мени (см. главу 15).

Для эффективного симбиоза клубеньковых бактерий и бобо-вых растений необходима систематическая работа по селекции ак-тивных и вирулентных культур клубеньковых бактерий, а также бо-бовых растений, обеспечивающих интенсивную деятельность ихсимбионтов.

344

В последние годы под бобовые растения применяется около1,5 млн га порций ризоторфина в год. Ризоторфин позволяет умень-шить объемы применения азотных удобрений; препарат разработанпрактически для всех бобовых, возделываемых в настоящий момент.Особенно ярко полезность ризоторфина проявляется при введениив культуру новых видов бобовых, многие из которых (например,козлятник) вообще не могут возделываться без наличия в почве со-ответствующих микроорганизмов. Агрономическая эффективностьризоторфина для бобовых культур в среднем составляет 10—30%,дополнительный сбор белка — 2—5 ц/га. При интродукции новыхбобовых культур (люпин, люцерна, козлятник) эффективность бак-теризации может составлять 50—100%, а сбор белка увеличивается в2—3 раза.

17.2. Биопрепарат азотобактерин на основеAzotobacter chroococcum

Способность Azotobacter chroococcum размножаться при соответст-вующих условиях в ризосфере сельскохозяйственных культур далаоснование предполагать, что указанный микроорганизм может улуч-шить азотное питание растений. По предложению академикаС. П. Костычева и его сотрудников с тридцатых годов двадцатогостолетия в нашей стране начали применять землеудобрительныйпрепарат, содержащий культуру Azotobacter chroococcum, — азотобак-терин.

Позднее, когда выяснилась способность микроорганизма про-дуцировать биологически активные вещества, его действие на расте-ния стали связывать не только с фиксацией азота и улучшениемазотного питания, но и с поступлением в растения вырабатываемыхмикроорганизмом биологически активных соединений (витаминови стимуляторов роста).

Весьма важное свойство азотобактера заключается и в том,что он вырабатывает фунгистическое вещество, которое представля-ет собой метиловый эфир алифатической тетраеновой кислоты, со-держащей гидроксильную и В-метильную группы. Обнаруженныйантибиотик, по данным Н. И. Придачиной, активен против значи-тельного числа фитопатогенных грибов. Благодаря этому при бакте-ризации азотобактером в ризосфере угнетается развитие микроско-пических грибов, многие из которых задерживают рост растений.Так, культура азотобактера снимает угнетающее действие фитоток-сичного гриба Altenaria на кукурузу, а рост незараженного растениястимулирует. Отдельные культуры Azotobacter различаются по своимантагонистическим свойствам.

Работа с различными штаммами Azotobacter chroococcum под-твердила хорошее действие на растения лишь тех культур, которые

345

вырабатывают биологически активные вещества. Поэтому при се-лекции для производственных целей отбирают культуры азотобакте-ра, продуцирующие биологически активные соединения, стимули-рующие рост растений и угнетающие развитие фитопатогенных гри-бов родов Verticillium, Helmintosporium, Pythium, Fusarium и т. д.

Однако для полевых культур азотобактерин малоэффективен.Это связано с его способностью развиваться лишь в хорошо окуль-туренных почвах. На унавоженных почвах положительное действиеазотобактерина возрастает. Препарат хорошо влияет, например, наовощные культуры, которые обычно выращивают на сильно удоб-ренных навозом почвах. Здесь бактеризация семян может повыситьурожай на 20—30% и, что особенно важно, ускорить его созревание.

Для объяснения эффективности азотобактера прежде всегоследует выяснить, может ли этот микроорганизм, используя корне-вые выделения, накопить достаточно азота для развития растения.Опыты с монобактериальными культурами, в которых высшее рас-тение, выращенное из стерильных семян, инокулировали культуройазотобактера, дают на этот вопрос отрицательный ответ. За счеткорневых выделений бактерия не может усвоить такое количествоазота, которое обеспечивало бы высокий урожай растений.

Вместе с тем при определенных условиях азотобактер улучша-ет рост растений. В этом можно убедиться, если в условиях моно-бактериальной культуры обработать им семена растений. Объясня-ется это тем, что азотобактер синтезирует много биологически ак-тивных соединений — никотиновую и пантотеновую кислоты,пиридоксин, биотин, гетероауксин, гиббереллин и, возможно, ряддругих соединений. Комплекс указанных веществ способен стиму-лировать прорастание семян, ускорять развитие растений в благо-приятных условиях среды.

Положительное действие азотобактера легко понять, учитываяфизиологические особенности данной бактерии. Она активно раз-множается лишь в плодородных почвах, обеспеченных органиче-ским веществом, фосфором и влагой. Дефицит увлажнения азото-бактер переносит хуже, чем другие бактерии.

Известно, что в плодородных почвах присутствует спонтаннаякультура Azotobacter. Как же в таком случае объяснить положительныйэффект дополнительного заражения? Вероятно, это связано с неболь-шой численностью клеток азотобактера даже в плодородной почве.При бактеризации количество бактерий сильно возрастает, особен-но в ризосфере, что и создает благоприятные условия для развитиякорневой системы. Проявляется как стимулирующее влияние росто-вых веществ, так и подавление вредной грибной флоры, а также не-которое накопление в почве доступного растениям азота.

Препарат азотобактерин используют в основном для оранже-рейной и парниковой культуры растений. Обычно его готовят, раз-

346

множая микроорганизм в стерильной почве или низовом торфе,имеющих нейтральную реакцию и высокое содержание гумуса. К поч-ве добавляют источник углерода, доступный азотобактеру. Высевае-мые семена смачивают водной суспензией препарата. У рассадыможно смачивать суспензией корневую систему. Препарат азотобак-тера нестабилен и годен для использования ограниченное время.

17.3. Биопрепараты на основе культур цианобактерий

Возможность использования цианобактерий, или синезеленных во-дорослей, для обогащения почвы азотом изучают в ряде стран. Аль-голизацию, т. е. внесение в почву культуры данных микроорганиз-мов, широко изучали в зоне субтропиков, преимущественно на ри-совых полях. Водоросли влаголюбивы и плохо размножаются нанедостаточно влажной почве. В воде рисовых полей цианобактериймогут активно размножаться в течение длительного времени.

Известно до 130 видов синезеленых водорослей, фиксирую-щих N2. Они различаются по некоторым свойствам. Например, дляCylindrospermum предпочтительно более слабое освещение, Aulosiraлучше развивается при интенсивном освещении. В связи с этим не-обходимо подбирать подходящие для местных условий культуры.Наиболее часто используют для альголизации Tolypothrix tenuis, Ana-baena cylindrica и Nostoc linckia.

Обычно внесение цианобактерий в почву или воду рисовыхполей дает хороший эффект. Указанные микроорганизмы накапли-вают довольно большое количество азота, фиксируя N2, продуциру-ют биологически активные вещества и обогащают почву органиче-ским веществом. За вегетационный период цианобактерии связыва-ют до 50 кг азота на 1 га и более. Половина этого количества азотаусваивается посевами. Фиксированный азот частично выделяется изклеток при их жизни в виде аминокислот, частично после их отми-рания.

В Индии, Китае и других странах тропической зоны альголи-зацию применяют довольно широко. В значительной мере она заме-няет азотные удобрения, покупка которых обременительна длякрестьян. Научно-исследовательские учреждения названных странимеют производственные установки, на которых готовят маточныекультуры. Основную массу цианобактерий получают на местах вспециальных бассейнах, куда вносят культуру, полученную из науч-но-исследовательского учреждения. Благодаря быстрому размноже-нию за три недели с 1 га бассейна можно получить до 15 т массыцианобактерий. Из указанных водоемов ее поставляют на рисовыеполя.

Альголизацию рисовых полей на территории бывшего СССРне применяли по ряду причин. Так, рис здесь удобряют высокими

347

дозами азотных удобрений, обеспечивающих больший эффект, чемцианобактерии. Азотные удобрения к тому же подавляют нитроге-назу микроорганизмов. Кроме того, эти бактерии чувствительнык гербицидам, применяемым в крупных хозяйствах, да и сама альго-лизация связана с трудоемкими работами.

Для условий южного климата существенный интерес пред-ставляет водный папоротник рода Azolla. Виды этого растения (А. са-roliniana, A. rubra, A. filiculoides, A. imbricata) отличаются друг от друганекоторыми свойствами. Обычно представители рода Azolla живутв симбиозе с цианобактерией Anabaena azollae, фиксирующей атмос-ферный азот. Эти бактерии быстро размножаются и обогащают ри-совые поля азотом.

Впервые водный папоротник использовала вьетнамская кресть-янка Ба-Хен. Эффект от применения азоллы был так велик, чтопосле смерти крестьянку обожествили в деревне, где она жила,и построили пагоду в честь «богини Азоллы». Сейчас азоллу исполь-зуют в некоторых странах Азии.

Для практического применения водный папоротник размно-жают в небольших водоемах, откуда переносят на залитые водой ри-совые поля. С наступлением жаркой погоды, примерно в фазу ку-щения риса, зеленый ковер размножившегося папоротника отмира-ет и растительная масса минерализуется. Азолла накапливает завегетационный период на 1 га около 120 кг азота, часть которогоиспользуется в текущем году.

Помимо того, растение образует большое количество органи-ческого вещества, удобряющего почву. Иногда азоллу культивируютперед посевом риса в течение трех недель в чеках, залитых на 3—5 см водой. За этот период масса водоросли достигает 10 т/га и в нейсодержится около 20—25 кг азота. Папоротник запахивают, затемсеют рис.

17.4. Биопрепараты на основе ассоциативныхазотфиксирующих бактерий

Открытие способности ряда азотфиксирующих бактерий к ассоци-ативному симбиозу с небобовыми растениями обусловило возмож-ность создания биопрепаратов для использования под овощные,технические и зерновые культуры. Впервые ассоциативные азот-фиксирующие бактерии, относящиеся к семейству Azotobacteriaceae —Azospirillum brasilense и Azospirillum lipoferum, были выделены бразиль-ским ученым И. Доберейнер из ризосферы травянистых растенийтропической зоны, где они часто встречаются. У кукурузы, сорго,риса, сахарного тростника и кормовых растений это обычные ком-поненты микрофлоры ризосферы.

348

Бактерии рода Azospirillum имеют палочковидную изогнутуюформу. A. brasilense отличается от близкого вида. A. lipoferum по не-которым физиологическим признакам.

Если азотобактер развивается в некотором отдалении от по-верхности корня (в ризосфере), то азоспириллы находятся на самойего поверхности и могут даже проникать в ткани корня. Теснаясвязь азотфиксаторов рода Azospirillum с растениями проявляется втом, что эти микроорганизмы находятся даже на стеблях и листьях.

Была изучена возможность использования культур Azospirillumдля усиления процесса азотфиксации в зоне корня сельскохозяйст-венных растений. Поставлены опыты с разными культурами, как ввегетационных, так и в полевых условиях. В подавляющем боль-шинстве случаев внесение бактерий дает прибавку урожая в преде-лах 15—30%. При дозах минерального азота выше 60 кг/га, а такжепри недостаточном освещении положительного действия азоспи-рилл не наблюдается.

К настоящему времени выявлено более 200 видов бактерий,обладающих различными уровнями активности азотфиксации. Наи-более распространенные ассоциативные азотфиксирующие бакте-рии, живущие в ризосфере, ризоплане (на поверхности корня) игистосфере (в тканях внутренней поверхности корня и между кле-точными стенками), принадлежат к родам: Agrobacterium, Arthro-bacter, Azospirillum, Enterobacter, Bacillus, Flavobacterium, Pseudomonas,Klebsiella и др.

На основе отобранных штаммов бактерий в НИИ сельскохо-зяйственной микробиологии РАСХН создан ряд биопрепаратов дляинокуляции семян и другого посадочного материала многих небобо-вых растений.

Агрофил — создан на основе штамма, относящегося к роду Agro-bacterium (A. radiobacter, штамм 10). Представляет собой порошковидныйторфяной субстрат, обогащенный углеводами, витаминами, микроэлемента-ми, с влажностью 50—55%; инокулированный бактериями. В 1 г препаратасодержится не менее 10 млрд активных бактериальных клеток. Биопрепаратнаходит широкое применение при выращивании овощей в условиях закры-того грунта. Повышает устойчивость к инфекционным заболеваниям и уве-личивает урожайность огурцов, томатов, перца, моркови, капусты, салата идругих овощных культур. Препарат хорошо действует при обработке корне-вой системы клубники, крыжовника, малины, яблони, облепихи и другихягодных и плодовых культур. Улучшает всхожесть семян, стимулирует рости развитие растений, повышает их устойчивость к корневым гнилям, уско-ряет созревание урожая на 7—10 дней.

В условиях закрытого грунта прибавки урожая овощей составляют2—4 кг/м2. В открытом фунте он обеспечивает прибавку урожайности на20—50 ц/га в зависимости от культуры, сорта, почвенно-климатических ус-ловий. Расход препарата для открытого грунта: салат, редис, морковь, ук-роп, петрушка, цикорий — 400 г на гектарную норму семян; капуста, свек-

349

ла, лук — 600 г на 1000 растений; картофель — 1200 г на гектарную норму;земляника, черенки плодовых — 200 г на 1 л воды.

Агрофор — создан на основе штамма, относящегося к роду Agro-bacterium (A. radiobacter, штамм 57/136). Применяется для ускорения деток-сикации пестицидов в тепличных грунтах и в почве. Одновременно стиму-лирует рост растений, особенно на ранних этапах развития. Улучшает каче-ство и приживаемость рассады: кочанного салата, цветной и белокочаннойкапусты, томатов и других овощных культур. У обработанных растений уве-личивается площадь листовой поверхности, возрастает мощность корневойсистемы и повышается продуктивность.

А з о р и з и н ( д и а з о б а к т е р и н ) и аналогичные им препараты со-зданы на основе штаммов, относящихся к роду Azospirillum. Азоспириллыэффективны при внесении в посевы пшеницы, ячменя, риса, сорго, кормо-вых злаков и других культур.

Биоплант-К — создан на кафедре микробиологии МСХА на осно-ве штамма бактерий рода Klebsiella (К. planticola, штамм ТСХА-91). Рекомен-дован в качестве бактериального удобрения под овощные культуры. Бакте-рии обладают высокой азотфиксирующей активностью, способны к синтезуростовых веществ и проявляют фунгистатическое действие по отношениюк фитопатогенным грибам: Penicillum, Aspergillus, Altemaria, Mucor и др. При-менение препарата позволяет увеличить урожайность огурцов на 21—23%,томатов и тыквы — на 31%, картофеля — на 21%.

М и з о р и н — создан на основе штамма, относящегося к роду Arthro-bacter (A. mysorens, штамм 7). В 1 г торфяного препарата содержится 8—10 млрд клеток бактерий. Представляет собой порошковидный торфянойсубстрат с влажностью 45—55%, обогащенный питательными веществами.Высокоэффективность препарата проявляется в посевах пшеницы, ячменя,риса, сорго, кормовых трав и овощных культур. При посевной обработке се-мян препаратом повышает урожайность кормового сорго на 2,5—3,0 т/га,кормовых трав на 1,0—1,5 т/га. Обработка препаратом увеличивает всхо-жесть семян, стимулирует рост и повышает устойчивость растений к корне-вым гнилям и грибным болезням. В последние годы выявлена эффектив-ность препарата при выращивании картофеля. Прибавка урожая клубнейсоставляет 20—30 ц/га. Перспективно применение мизорина для улучшенияприживаемости безвирусного картофеля. При применении его в полевыхопытах прибавка урожая клубней составляла 17—29%.

М и к о л и н — создан на основе штамма, относящегося к роду Bacil-lus, (В. cereus var. mycoides). Бактерии хорошо приживаются в ризосфере ка-пусты и картофеля, проявляя стимулирующее действие на их рост. Особен-ность используемых бактерий — устойчивость к высоким концентрациямаммиака в почве. Это позволяет получить высокую эффективность препара-та при внесении высоких доз азотных удобрений в виде сульфата аммонияи мочевины.

Р и з о а г р и н — создан на основе штамма, относящегося к роду Agro-bacterium (A. radiobacter, штамм 204). В 1 г торфяного препарата содержится8—12 млрд клеток бактерий. Бактерии хорошо приживаются в ризосферепшеницы, риса, ряда кормовых злаков и других сельскохозяйственных рас-тений. При использовании этого бактериального препарата урожайностьпшеницы повышается на 2—5 ц/га, при увеличении содержания белка на0,5—1,0%. Расход препарата: зерновые, рис — 600 г. на гектарную норму се-мян.

350

Р и з о э н т е р и н — создан на основе штамма, относящегося к родуEnterobacter (Е. aerogenes, штамм 30). В 1 г торфяного препарата содержитсяоколо 6 млрд бактериальных клеток. Представляет собой порошковидныйторфяной субстрат, обогащенный питательными веществами с влажностью45—50%. Расход препарата 300 г на гектарную норму семян. Применяетсядля повышения урожайности риса, озимой пшеницы и ржи. Получены хо-рошие результаты при выращивании ячменя. Урожайность его повышаетсяна 2—5 ц/га. В результате формирования активной азотфиксирующей ассо-циации бактерий с растением улучшается снабжение последних биологиче-ским азотом.

Ф л а в о б а к т е р и н создан на основе штамма, относящегося к родуFlavobacterium sp. штамм 130. В 1 г торфяного бактериального препарата со-держится 5—10 млрд клеток бактерий. Представляет собой порошковидныйторфяной субстрат, обогащенный питательными веществами с влажностью45—50%. Отличительной особенностью препарата является его широкийспектр действия: положительные результаты получены в посевах пшеницы,ячменя, ржи, риса, сорго, кормовых трав, картофеля, капусты, свеклы,огурца, томатов и других. Положительное действие препарата определяетспособность бактерий использовать молекулярный азот, стимулироватьрост, продуцировать фитогормоны, улучшать минеральное питание, водныйобмен и активизировать другие физиологические процессы растений. Ис-пользование препарата позволяет получить дополнительно 3—5 ц/га зерна,20—60 ц/га овощей, 60—70 ц/га сахарной свеклы. При получении безвирус-ного посадочного материала картофеля и выращивании его в рулоннойкультуре использование флавобактерина стимулировало приживаемость,увеличивало количество формирующихся микроклубней и снижало поража-емость растений фитофторой. Расход препарата: многолетние злаковые тра-вы — 400 г на гектарную норму семян, зерновые, подсолнечник, кукуруза,сахарная и кормовая свекла — 600 г, для картофеля-1200 г.

На основе представителей рода Pseudomonas создан ряд перспектив-ных препаратов, имеющих широкий спектр действия. К их числу относят-ся: псевдобактерин-2 (на основе штамма P. aureofaciens BS 1393) ипсевдобактерин-3 (на основе штамма P. putida BS 1398). Эффект дости-гается за счет способности бактерий синтезировать некоторые антибиотиче-ские вещества и сидерофоры, связывающие железо и переводящие его в недо-ступное состояние. Выявлена эффективность против септориоза, бурой ржав-чины, твердой головни пшеницы и других болезней. Штаммы продуцируютфитогормоны, которые стимулируют рост растений и переводят труднораст-воримые неорганические соединения фосфора в доступные для поглощениякорневой системой.

В опытах с картофелем и другими овощными культурами перспек-тивным является применение бактериальных препаратов на основе штам-мов рода Serratia (S. marcescens, штамм 218 Lg). В каждом грамме приготов-ленного на их основе торфяного препарата содержится не менее 6 млрд кле-ток, в жидком препарате — не менее 10 млрд клеток в 1 мл. Расходторфяного препарата на гектарную норму посадочных клубней составляетоколо 3 кг. Бактериальные препараты на основе серратии проявили эффек-тивность на овощных культурах за счет хитинолитической способности ото-бранных штаммов по отношению к некоторым патогенам, в частности к фу-зариозной инфекции.

За последние годы во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологииРАСХ была разработана новая группа биопрепаратов комплексного дейст-

351

вия — э к с т р а с о л , являющаяся частью устойчивого биоорганическогоземледелия. В состав биопрепаратов экстрасол входят следующие предста-вители почвенных и ризосферных бактерий: Arthrobacter mysorens К, Fla-vobacterium sp., L20, Agrobacterium radiobacter 204, Azomonas agilis 12, Bacillussubtilis 4—13, Pseudamonas fluorescens 2137, Azospirillum lipoferum 137. Для изго-товления препаратов указанной серии используют индивидуальные штаммыили несколько видов (ассоциаций) применительно для данного вида или со-рта растения. Выпускается экстрасол в трех модификациях: экстрасол-90 —фунгицидного действия, экстрасол-09 — стимулирующего действия и экс-трасол-55 — фунгицидно-стимулирующего действия.

Указанные выше биопрепараты безвредны для человека, животных инасекомых, не оказывают какого-либо вредного воздействия на окружаю-щую среду.

17.5. Другие микробные землеудобрительныебиопрепараты

Для практического использования предложен бактериальный земле-удобрительный препарат ф о с ф о р о б а к т е р и н . Действующим на-чалом в нем служит спороносная бактерия Bacillus megaterium, спо-собная разрушать фосфорорганические соединения и переводить ихв доступную для растений форму. В. megaterium легко образует спо-ры, которые после размножения культуры смешивают с инертнымнаполнителем. В жизнеспособном состоянии споры могут сохра-няться длительное время.

Фосфоробактерин наносят на семена перед посевом. Предпо-лагается, что в почве бактерии переходят на развивающуюся корне-вую систему растений. Здесь их размножение и биохимическая де-ятельность вызывают разложение органических соединений фосфо-ра, что улучшает питание растений.

Препарат оказывает положительное влияние на рост растенийи увеличивает урожай примерно на 10%. Вместе с тем оказалось, чтоэффективность фосфоробактерина на почвах, удобренных супер-фосфатом, не снижается, как это можно было ожидать, а, наоборот,часто возрастает.

Установлено, что фосфоробактерин усиливает рост корневойсистемы растений. Это можно объяснить тем, что В. megaterium вы-рабатывает биологически активные вещества, среди которых имеют-ся тиамин, пиридоксин, биотин, пантотеновая и никотиновая кис-лоты, витамин В12 и другие соединения. Эти вещества несколькоусиливают рост растений на первых этапах развития.

Для высвобождения калия из алюмосиликатов в целях улуч-шения питания растений В. Г. Александров предложил использо-вать п р е п а р а т «силикатных» бактерий, который представ-ляет собой спорообразующую культуру — Bacillus mucilaginosus var.siliceus.352

Разрушение алюмосиликатов происходит под влиянием раз-ных кислот и даже диоксида углерода, образуемого микроорганиз-мами. Это неспецифический процесс. Гидролиз силикатов подвлиянием, например СО2 (угольный кислоты), идет по следующейсхеме:

K2Si03 + H2CO3 = К2СО3 + H2Si03 = К2СО3 + Н2О + SiO2

Препарат «силикатных» бактерий применяют для бактериза-ции семян, так как предполагается, что при прорастании семянмикроорганизм будет размножаться в ризосфере растений. Однакобациллы в зоне корней растений размножаются плохо, поэтомупредложенную культуру нельзя признать удачной. В производствен-ных опытах препарат «силикатных» бактерий дает небольшие и не-стабильные прибавки урожая, поэтому он не получил широкогоприменения.

П р е п а р а т АМБ предложен Н. М. Лазаревым для активациибиодинамики окультуриваемых почв северной зоны. Готовят препа-рат на месте использования из измельченного низинного торфа илиторфяной почвы. На 1 т торфа прибавляют 100 кг мелко раздроб-ленного известняка, 2 кг фосфоритной муки и 1 кг маточной куль-туры. Полученный компост увлажняют и выдерживают в теплом по-мещении при температуре около 20 °С в течение трех недель, пери-одически перелопачивая. На 1 га вносят 0,5 т компоста.

В состав маточной закваски препарата АМБ входит большойкомплекс микроорганизмов (аммонификаторы, целлюлозоразлагаю-щие микроорганизмы, автохтонная микрофлора и т. д.).

Препарат целесообразнее применять в защищенном грунте.Однако в связи со сложностью изготовления широко его не исполь-зуют.

В настоящее время в сельском хозяйстве применяется целыйряд биопрепаратов, активизирующих почвенно-микробиологическиепроцессы.

Б а к т о г у м и н — отселекционированный биопрепарат микроорга-низмов комплексного действия. Биопрепарат предназначен для изготовле-ния биологически активных: грунтов, Используемых для выращиванияовощных и цветочных культур в теплицах. Биологически активные грунтыспособствуют ускоренному разложению пестицидов, снижению их токсич-ности и оздоровлению грунтов за счет антагонизма микроорганизмов био-препарата к фитопатогенам.

Бамил — биоудобрение из отходов животноводческих комплексов.Бамил содержит значительное количество органического азота, фосфора,широкий набор микроэлементов. Основным исходным компонентом бами-ла является высушенная микробная биомасса, полученная при переработкеживотноводческих отходов. Бамил наиболее эффективен на овощных куль-турах в закрытом грунте, где он повышает урожай на 40—60%. При этомзначительно улучшается качество продукции.

12 Микробиология353

Б и о т р о н — комплексный биопрепарат почвенных микроорганиз-мов, применяемый под овощные и плодовые культуры (производство США).

Е - 2 0 0 1 — комплексный биопрепарат почвенных бактерий, приме-няемый под овощные культуры (производство Греции).

17.6. Микоризация растенийВ некоторых случаях существенное значение имеет заражение расте-ний грибами-микоризообразователями, или микоризация растений.На полевых сельскохозяйственных культурах нормальная микоризаобычно формируется без специальной инокуляции. Это свидетель-ствует о широком распространении грибов-микоризообразователейи, по существу, снимает вопрос о дополнительном заражении высе-ваемых семян.

Сложнее обстоит дело с микоризацией сеянцев и саженцевдревесных пород. В лесной зоне грибы-симбионты деревьев широкораспространены в почве. Однако на юге, где лесная растительностьвстречается редко, ее нет.

Г. Н. Высоцкий, А. В. Бараней и другие пришли к заключению,что при посадке леса на черноземах, темно-каштановых и другихюжных почвах, где длительное время не было лесных насаждений,следует вносить почву, содержащую грибы-микоризообразователи.Для этого берут лесную почву из одноименного насаждения (на 1 гапосадок 30—50 кг почвы). Еще лучше вносить лесную почву передпосевом под семена в лунки, по 25—50 г в каждую.

Одновременное внесение органических и минеральных удоб-рений, особенно фосфорных, значительно улучшает развитие мико-ризы и рост растений. Микоризация, несомненно, полезна при ре-культивации земель, так как создаваемый поверхностный слойобычно беден микроорганизмами. В таких случаях микоризациянужна как древесной, так и травянистой растительности. В Велико-британии хорошие результаты получены при микоризации посевовклевера ползучего (белого), высеваемого на бедных фосфором гор-ных торфяных почвах.

Искусственное культивирование грибов-микоризообразовате-лей не удается, поэтому из них нельзя готовить соответствующиепрепараты. В целом вопрос о микоризе растений, в том числе куль-турных, изучен пока недостаточно. В будущем, вероятно, будут вы-явлены наиболее продуктивные симбионты многих других культур-ных высших растений для использования в сельском хозяйстве.

Контрольные вопросы и задания

1. Где и когда применили препараты клубеньковых бактерий для заражениябобовых культур? 2. Объясните положительный результат заражения бобо-вых растений специфичными культурами Rhizobium на окультуренных поч-вах. 3. Бактерии каких родов используют при создании землеудобрительныхпрепаратов? 4. В каких случаях проводят микоризацию растений?

354

Глава 18 Применение микроорганизмови микробных биопрепаратовдля борьбыс болезнями и вредителямисельскохозяйственных растений

1 8.1. Микробы-антагонистыи их применение для защиты растений

Известно, что болезни растений распространены широко и причиняютсущественный вред сельскому хозяйству. Для борьбы с ними исполь-зуют химические средства, а также более безопасные для окружаю-щей среды биологические методы.

Освобождению почвы от фитопатогенных организмов способ-ствует усиление размножения в ней микробов-антагонистов по от-ношению к возбудителям тех или иных заболеваний. Например,после посева люцерны почва очищается от возбудителя вертицил-лезного вилта хлопчатника (Verticillium dahliae). Очевидно, это объ-ясняется не только тем, что корневая система люцерны выделяет впочву алкалоиды, угнетающие многие микроорганизмы, но и тем,что она стимулирует размножение в почве антагонистов возбудителявертициллеза. Подобными свойствами обладают и растения рапса,промежуточная культура которого может быть использована на югемежду посевами других культур.

Возделывание некоторых растений, например клевера и вики,способствует освобождению почвы от возбудителя сибирской язвыBacillus anthracis; житняк, картофель, наоборот, благоприятствуютразмножению этой бактерии. Таким образом, в принципе возможнаборьба с болезнетворными микробами почвы путем введения в се-вооборот тех или иных растений. Однако для широкого практиче-ского применения этого приема необходима его экспериментальнаядоработка.

Внимание микробиологов привлекает использование микро-бов-антагонистов для лечения растений. На грибах-паразитах не-редко паразитируют другие грибы, так называемые грибы-паразитывторого порядка. Так, на мучнисторосяных грибах паразитируетпикнидиальный гриб Cicinnobolus cesati; на возбудителе бурой ржав-чины пшеницы Puccinia triticina — также пикнидиальный гриб Dar-luca filum. Эксперименты с грибами-паразитами второго порядка,которых наносили в виде водных суспензий на поверхность расте-

355

ний в профилактических целях или при борьбе с заболеваниями,дали обнадеживающие результаты. Однако для профилактическихцелей перечисленные микроорганизмы пока не применяют.

Хороший эффект дают культуры микробов-антагонистов приобработке семян, зараженных фитопатогенами, или при внесениина поверхность вегетирующих растений, а также в зараженную поч-ву. Микроб-антагонист, уничтожая вредителя, не причиняет вредарастению-хозяину. Микробы-антагонисты угнетают фитопаразитовне только в зоне корня. Вырабатываемые ими антибиотики прони-кают в ткани растений, повышая их устойчивость к возбудителямболезней.

Я. П. Худяков (1935) выделил бактерии рода Pseudomonas, ли-зирующие мицелий фитопатогенных грибов Sclerotinia и Botrytis.Этих микробов-антагонистов успешно использовали в полевыхопытах для борьбы с фузариозом пшеницы, льна и т. д. КультуройPseudomonas бактеризовали семена растений. Оздоровлению сеянцеви саженцев сосны способствовало применение Н. А. Красильнико-вым миколитических бактерий для борьбы с фузариозом. Как ужебыло отмечено, культура Azotobacter chroococcum предупреждает за-болевания сельскохозяйственных растений, вызываемые рядом гри-бов, например Altemaria.

Успешно бороться с мучнистой росой крыжовника, вызывае-мой грибом Sphaerotheca morsuvae, позволяет опрыскивание расте-ний настоем навоза. Это стимулирует размножение микроорганиз-мов на поверхности растения. В составе эпифитной микрофлорынаходятся бактерии-антагонисты, которые после такого опрыскива-ния начинают размножаться.

Микробов-антагонистов, вероятно, можно использовать нетолько против возбудителей болезней растений, но и против расте-ний-паразитов культурных растений. Так, положительные результа-ты были получены при борьбе с заразихой арбуза (Orobanche aegipty-аса) с использованием патогенного для заразихи гриба Fusariumorobanches. Чистая культура указанного гриба, размноженная на пи-тательном субстрате (кукурузная мука и т. д.), предложена для прак-тического применения.

Не исключена возможность подбора микробных культур, дей-ствующих как гербициды на определенные группы сорных расте-ний.

Культуры некоторых грибов-антагонистов применяют в борь-бе с почвенной инфекцией. Установлено, что грибы рода Trichoder-ma выделяют токсичные вещества, поражающие микробов-фитопа-разитов. При внесении в почву культуры Trichoderma lignorum суще-ственно уменьшается увядание хлопчатника, пораженного Verticilliumalbo-atrum, снижаются грибные заболевания картофеля и другихсельскохозяйственных культур. Вносят культуру указанного гриба

356

в почву при посеве растений. На основе культуры Trichoderma li-gnorum готовят препарат триходермин.

Кратко остановимся на технике использования микробов-анта-гонистов. Для обеззараживания семена опрыскивают культурой мик-роорганизмов, разведенной в воде. Стерилизуется не только поверх-ность семени, но и зона корня, куда переходят микроорганизмы иначинают там размножаться. При высадке рассады и саженцев ихкорни смачивают взвесью в воде соответствующих микробов-анта-гонистов. Водную взвесь микробов можно использовать и для оп-рыскивания надземных частей поврежденных растений, а также дляпрофилактических целей.

Препараты для борьбы с почвенной инфекцией типа трихо-дермина вносят в почву при посеве. Однако пока микробы-антаго-нисты систематического применения в сельском хозяйстве не полу-чили.

Широко используют микробиологический метод борьбы с гры-зунами — домашними мышами, полевками, крысами. Известно не-сколько культур микроорганизмов, вызывающих у грызунов кишеч-ные заболевания, напоминающие брюшной тиф. Для человека и до-машних животных данные микроорганизмы безопасны.

Впервые бактерию мышиного тифа — Bacterium typhimurium —выделил в 1892 г. в Германии Ф. Леффлер. Позднее С. С. Мережков-ский, Б. Л. Исаченко и другие ученые обнаружили ряд близкихформ микроорганизмов. Эти бактерии относятся к роду Salmonella(семейство Enterobacteriaceae), они патогенны для человека и жи-вотных.

18.2. Применение антибиотиков для защиты растений

Среди микроорганизмов-антагонистов выявлены виды, угнетающиерост других микроорганизмов при помощи вырабатываемых ими ве-ществ, называемых антибиотиками. Каждый антибиотик имеет свойхарактерный спектр действия, т. е. подавляет развитие определен-ной группы микроорганизмов.

Антибиотики отличаются друг от друга характером воздейст-вия на микроорганизмы. Одни из них приостанавливают рост мик-роорганизмов или оказывают бактериостатическое действие, другиеубивают микробные клетки, т. е. действуют бактерицидно, третьивызывают не только гибель, но и лизис микробных клеток. Частовоздействие антибиотика меняется в зависимости от его дозировок.

На практике антибиотики стали применять в 40-х гг. XX сто-летия. Однако явление антагонизма у микроорганизмов было извест-но давно. Еще Л. Пастер отметил угнетение сибиреязвенной бацил-лы (Bacillus anthracis) культурой синегнойной палочки {Pseudomonas

357

aeruginosa), И. И. Мечников изучал явление антагонизма у кишеч-ной микрофлоры и т. д.

В последнее время внимание исследователей привлекает ис-пользование для борьбы с некоторыми болезнями растений антиби-отических веществ, имеющих ряд преимуществ по сравнению с хи-мическими. Химические препараты вредно действуют не только нафитопаразитов, но и на высшие растения и микрофлору почвы, в товремя как антибиотики обладают селективным действием — убива-ют вредителя и не вредят растению, в некоторых случаях оказываядаже стимулирующее действие. Среди антибиотиков могут быть ивещества, токсичные для растений, их не следует использовать в за-щите растений.

Применение в сельском хозяйстве антибиотиков медицинско-го назначения также опасно. Это может содействовать появлениюрезистентных форм патогенных для человека и животных микроор-ганизмов. Поэтому микробиологи изыскивают антибиотики, кото-рые могут быть использованы в растениеводстве.

Антибиотические препараты широко применяют в мире. В Рос-сии готовят препарат т р и х о т е ц и н из культуры гриба Trichotheci-ит roseum. Этот препарат хорошо действует против корневых гнилейпшеницы и ячменя, а в теплицах — против мучнистой росы огурца.Используют также ф и т о б а к т е р и о м и ц и н (ФБМ), продуцентомкоторого является Streptomyces lavandula. Препарат применяют дляобработки семян фасоли и сои в борьбе с бактериозами; семян пше-ницы — против корневых гнилей. Препарат т р и х о д е р м и н ис-пользуют для борьбы с вилтом хлопчатника. Продуцент этого пре-парата — гриб Trichoderma lignorum.

Представляет интерес отечественный препарат г р и з и н —продуцент Streptomyces griseus, — эффективный в борьбе с рядомгрибных и бактериальных болезней растений (гоммоз хлопчатника,бактериальное увядание абрикоса и т. д.). Он обладает также стиму-лирующим действием на растения.

За рубежом используют в а л и д о м и ц и н — (продуцент S. hy-groscopicus), — специфично активный против фитопатогенных гри-бов рода Rhizoctonia, вызывающих увядание листового влагалищариса. Данный антибиотик применяют также при борьбе с чернойпаршой и коричневой гнилью картофеля.

В США и Японии выпускают несколько препаратов, содержа-щих антибиотик а к т и д и о н (циклогексимид), который гото-вят на основе S. griseus. Упомянутые препараты активны противржавчины сосны, вилта дуба, цитоспороза персика и сливы, муч-нистой росы роз. Препараты на основе актидиона используют призаболеваниях пшеницы и кукурузы, вызываемых грибами родовFusarium, Helmintosporium, против твердой и пыльной головни ячме-ня, стеблевой ржавчины пшеницы и т. д.

358

В Японии для предупреждения заболевания риса очень опас-ной грибной болезнью — пирикуляриозом и для лечения больныхпосевов широко используют антибиотик б л а с т и ц и д и н S, проду-центом которого является актиномицет Streptomyces griseochromoge-nes. Однако этот антибиотик дает соединение, которое в 10—100 разтоксичнее ртутно-органических препаратов. При частой обработкепосевов он вызывает некротичную пятнистость листьев риса и не-безвреден для людей.

Поэтому сейчас для борьбы с пирикуляриозом чаще использу-ют другие антибиотики, особенно к а с у г о м и ц и н (касумин), ко-торый получают из культуры S. casugoensis. Упомянутый антибиотикубивает также ряд грибов, поражающих овощные, техническиекультуры и плодовые насаждения, он нефитотоксичен, безвредендля людей и животных.

Против увядания листового влагалища риса, альтернариозагруши и яблони в Японии применяют и антибиотик п о л и о к с и н .Помимо отмеченных для борьбы с фитопатогенными микроорга-низмами, за рубежом выпускают и другие антибиотики, продуцен-тами которых служат преимущественно актиномицеты и грибы.

18.3. Использование микробных биопрепаратовдля борьбы с насекомыми-вредителямисельскохозяйственных культур

Насекомые тоже болеют — это известно давно. Еще Аристотель(IV в. до н. э.) описал болезнь пчел. Итальянский ученый А. Бассив 30-х гг. XIX в. обнаружил болезнь тутового шелкопряда, возбуди-телем которой был гриб, названный им Botrytis paradossa. Это былабелая мускардина Beauveria bassiana. Басси выяснил способ перено-са инфекции и условия, способствующие заражению шелкопряда,что позволило рекомендовать средства борьбы с данной болезнью.Таким образом, А. Басси следует признать первым патологом насе-комых. В 60-х гг. XIX в. Л. Пастер установил, что ряд заболеванийшелковичного червя имеет инфекционный характер. Некоторые изних вызывают бактерии.

Несколько позднее И. И. Мечников, работая в Пастеровскоминституте, также столкнулся с бактериальными заболеваниями на-секомых. Он считал возможным практическое использование пара-зитов насекомых и писал, что на них следует возлагать большиенадежды для защиты растений. В интересах сельского хозяйстваследует распространить эпизоотии среди вредителей и таким обра-зом бороться с возможными потерями урожая. И. И. Мечников об-наружил у личинок хлебного жука Anisoplia austriaca — опасноговредителя зерновых культур — болезнь, вызываемую зеленой мус-кардиной Metarrhizium anisopliae и грибом Entomophthora anisopliae.

359

В 1892 г. сотрудник Пастеровского института И. М. Красиль-щик из больных личинок хлебного жука выделил две энтомопатоген-ные бактерии — Bacillus tracheites sivegraphitosis и В. septicus insectorum.Наблюдения других исследователей также показали, что насекомыемогут страдать от инфекционных заболеваний, возбудителями кото-рых служат бактерии, грибы и вирусы. Все это обусловило исполь-зование микроорганизмов для борьбы с насекомыми — вредителямисельскохозяйственных культур или для биологического контролявредных насекомых.

Целесообразность микробиологического метода заключается втом, что энтомопаразиты вызывают заболевание какой-то узкойгруппы насекомых-вредителей. Для человека и прочих разнообраз-ных представителей зооценоза используемый микроорганизм совер-шенно безопасен.

Кроме того, болезни насекомых принимают характер эпизоо-тий и широко распространяются. Химические же средства защитырастений действуют локально и нередко загрязняют окружающуюсреду.

В первой половине XX в. культуры патогенных для насекомыхбактерий стали применять на практике и в ряде случаев получилихорошие результаты. Особенно больших успехов добился сотрудникПастеровского института С. Метальников в борьбе с вредителяминекоторых сельскохозяйственных культур, в том числе хлопчатника.Он испытывал смеси микроорганизмов против разных вредителейсельскохозяйственных культур. Высокая эффективность биопрепа-ратов Метальникова, очевидно, объясняется тем, что в их составвходит культура Bacillus thuringiensis, выделенная в 1915 г. немецкимученым Е. Берлинером. К токсину, образуемому данной бактерией,чувствительны многие чешуекрылые.

Работы по дальнейшему совершенствованию микробиологи-ческого метода борьбы с насекомыми-вредителями широко прово-дятся в настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом.

Ряд бактерий, грибов и вирусов нашли распространение в ка-честве промышленных биоинсектицидов.

Бактерии. Описано свыше 90 видов бактерий, инфицирую-щих насекомых. Большая часть принадлежит к семействам Pseudo-monadaceae, Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Micrococcaceae и Bα-cillaceae.

Большинство промышленных штаммов бактерий принадле-жит к роду Bacillus, основная часть широко распространенных био-препаратов изготовлена из Bacillus thuringiensis. Представители этоговида токсичны для бабочек, жуков и двукрылых. Штаммы В. thuringi-ensis используются также для борьбы с вредителями — гусеницами,комарами и мошкой. Второй промышленный вид — Bacillus popilliae —используется для борьбы с японским хрущиком. Третий микроор-

360

ганизм, Bacillus sphaericus, характеризуется высокой патогенностьюи применяется для борьбы с комарами.

В настоящее время в мире выпускается более 50 биопрепара-тов, используемых для борьбы со 160 видами насекомых. При этомболее 30 биопрепаратов производится на основе В. thuringiensis. Та-кое повышенное внимание к данному организму объясняется еговысокой инсектицидностью.

Клетки В. thuringiensis образуют устойчивые споры и белковыйкристалл. Кристалл, или параспоральное тело, содержащее эндоток-син, становится инсектицидным после переваривания благодарявоздействию щелочной среды и протеаз в средней кишке восприим-чивых видов насекомых. Освобожденный эндотоксин атакует эпите-лиальную выстилку кишечника насекомых, разрушая мембрану, чтоприводит к разрушению стенки кишечника; его содержимое смеши-вается с гемоцелем, и вскоре наступает смерть насекомого.

Ниже приводятся краткие характеристики и назначения основных ин-сектицидных биопрепаратов, разработанных в нашей стране Для борьбы с вред-ными насекомыми в России выпускаются следующие биопрепараты:

• битоксибациллин, дендробациллин, лепидоцид, бацикон — дляконтроля численности вредных видов насекомых (колорадского жу-ка, совок, белянок, шелкопрядов и др.), которые заменяют многиехимические инсектициды;

• бактокулицид — для подавления численности личинок кровососу-щих комаров в водоемах;

• бактороденцид — бактериальный препарат для контроля числен-ности мелких мышевидных грызунов — вредителей на посевах,складах, овощехранилищах;

• актинин — актиномицетный препарат, предназначенный для борь-бы с паутинным клещом в закрытом грунте.

Применение препаратов позволяет сохранить нецелевые объекты(рыб, полезных насекомых, энтомофагов, опылителей). Они безопасны длячеловека и теплокровных животных, способствуют уменьшению пестицид-ной нагрузки на природу и человека, оберегают ландшафты, водные ресур-сы, обеспечивают получение экологически чистой сельскохозяйственнойпродукции.

Б и т о к с и б а ц и л л и н ( Б Т Б ) . Микробный биопрепарат на основеВ. thuringiensis (Н-1) subsp. thuringiensis широко используется в СНГ в качест-ве биологического средства защиты растений от вредных насекомых и в пер-вую очередь против колорадского жука (Leptinotarsa decemlineata) и совок(Noctuidae). Препарат предназначен для борьбы с вредителями: на овощныхкультурах и картофеле (колорадский жук, белянки, моли, капустная совка,луговой мотылек); хлопчатнике (хлопковая, озимая совка, карадрина); пло-дово-ягодных культурах (ягодная и плодовая моли, боярышница, американ-ская белая бабочка, листовертки, шелкопряды, пяденица, златогузки, кры-жовниковая огневка, пилильщики, паутинный клещ); розе эфиромасличной(листовертки, пяденицы); хмеле (хмелевая тля, листогрызущие соки луговойи стеблевой мотыльки); лекарственных растениях, например — ревень тан-гузский, паслен дольчатый (озимая совка), шиповник (листовертки); ро-машка аптечная (луговой мотылек).

361

Технология производства битоксибациллина разработана во ВНИИсельскохозяйственной микробиологии. Производство препарата осуществ-ляется промышленным способом на Бердском заводе биопрепаратов.

БТБ относится к веществам с малой токсичностью для теплокровных(ЛД 50 равен 6—9 г/кг). Препарат безвреден для человека, теплокровныхживотных, а также рыб и других гидробионтов.

При применении в сельском хозяйстве БТБ не накапливается в поч-ве, воде и на растениях, не загрязняет окружающую среду. В применяемыхдозах препарат является слаботоксичным для насекомых-энтомофагов, рас-пространенных на картофеле, хлопчатнике, в производственных дозах неоказывает токсического действия на пчел.

Бац и кол. Новое бактериальное средство борьбы с вредными жука-ми на основе В. thuringiensis. Выпускается в режиме опытного производства.Бацикол — высокоспецифическое средство, безопасное для нецелевых объ-ектов (в том числе насекомых-энтомофагов). Эффективен против колорад-ского жука, крестоцветных блошек, пьявицы. Изучение спектра его дейст-вия продолжается. Перспективен в качестве защиты капусты от крестоцвет-ных блошек.

Б а к т о к у л и ц и д . Высокоэффективное бактериальное ларвицидноесредство борьбы с кровососущими комарами, мошками, рисовым комари-ком непосредственно в водоемах. Основным достоинством препарата явля-ется избирательность инсектицидного действия. Бактокулицид специфиче-ски действует на личинок комаров, мошек, рисового комарика и не оказы-вает отрицательного действия на другие группы насекомых. Установлено егодействие на личинок комаров более 70 видов из 12 родов. Бактокулицид —высокоселективное средство, абсолютно безопасное для человека, скотаи других теплокровных животных, рыб, тутового шелкопряда, пчел и другихполезных насекомых, нецелевых гидробионтов.

Бактокулицид вызывает полную гибель личинок комаров рода Aedesв дозе 0,5—1 кг/га, Culex — 0,5 кг/га, Anopheles — 1,5—2 кг/га водной по-верхности через 48—72 часа после обработки. Хорошо себя зарекомендовалв различных эколого-географических регионах, естественных и искусст-венных водоемах различного типа, в том числе затопляемых подвалах жи-лых домов, метрополитене и т. д. Успешные результаты получены прииспытании бактокулицида против личинок малярийных комаров в субтро-пической и тропической зонах (Индия, Шри-Ланка). Актуальность приме-нения бактокулицида определяется широким распространением маляриив этих странах.

А к т и н и н — экологически чистый акарицидный препарат. Он без-вреден для акарифагов, энтомофагов, пчел. Безопасен для человека и тепло-кровных животных. Не фитотоксичен. Использование актинина позволитсократить масштабы химических обработок, щадя тем самым природу и здо-ровье человека. Отличительная черта актинина — очень высокая эффектив-ность. Доза его применения — 30 граммов на 1 га.

Б а к т о р о д е н ц и д . Микробный препарат на основе Salmonella ente-riditis var. Issatschenko широко используется для борьбы с мышевиднымигрызунами — домашними мышами, полевками, крысами. Человек и домаш-ние животные невосприимчивы к данному микроорганизму. Для борьбыс грызунами размноженную культуру бактерий наносят на хлеб или на нейзамешивают тесто. При изготовлении приманок используют и другие про-дукты. Продукты раскладывают в норах или других наиболее посещаемых

362

грызунами местах. Бактериальный способ борьбы с грызунами дешев и име-ет преимущества перед химическим, так как он безвреден для человека, до-машних животных, хищных птиц и мелких хищников (ласка, хорь и.т. д.).Эффективность метода высока.

За рубежом выпускается целый ряд микробных биопрепаратовинсектицидного действия, созданных главным образом на основеВ. thuringiensis.

Следует подчеркнуть, что в целом применение биопрепаратовзащитного действия не дороже химических, а зачастую и дешевле.

Грибы. Известно более 400 видов грибов, поражающих насе-комых и клещей, в том числе вредителей сельского хозяйства. Боль-ше всего полезных для человека видов имеется среди дейтеромице-тов и фикомицетов. Грибы обычно заражают насекомых путем пря-мой инвазии и, следовательно, способны вредить своим хозяевам,не будучи ими съеденными. Кроме того, один из основных призна-ков грибов — их способность спорулировать в мертвом теле хозя-ина. Таким образом, они могут распространяться в популяции, вы-зывая эпизоотии. Они не только губят те особи, на которых поселя-ются, но и контролируют численность всей популяции хозяина втечение длительного периода. К сожалению, эффективность грибовв достаточной степени зависит от влажности и температуры. Есливлажность или температура сильно отличаются от оптимальногозначения, угнетение вредителей будет слабым и желаемая эпизоотиявряд ли начнется.

По этой причине некоторые из ныне существующих промыш-ленных биоинсектицидов на основе грибов нацелены против теп-личных и оранжерейных вредителей, поражающих внесезонныеовощи и цветы. Несмотря на указанные ограничения, грибы обеща-ют быть экономически выгодными биопестицидами. Ряд грибов ужесейчас широко используется либо исследуется. В частности, приме-няется Metarrhisium anisopliae. Это наиболее известный энтомопато-генный гриб, описанный около 100 лет назад как зеленый мускат-ный гриб. Он был также первым грибом, который стали производитьв промышленных масштабах. Используя отростки, проникающиечерез эпикутикулу, грибы образуют субэпикутикулярную бляшку, изкоторой прорастают гифы. Пораженное насекомое погибает, а грибспорулирует на его останках. М. anisopliae поражает разные группынасекомых.

Уже много лет в нашей стране используется гриб Beauveria bassianaв виде промышленного биопрепарата боверина. Он был объектом интен-сивных экспериментов в США и других странах и оказался почти таким жеэффективным, как и лучшие из доступных биоинсектицидов. После зараже-ния насекомого В. bassiana выделяет боверицин, токсин, вызывающий егогибель. По химической природе токсин является циклодепсипептидом.

Биопрепарат «Боверин» применяют против колорадского жука, такжепротив других видов вредителей сельскохозяйственных растений (гусениц

363

бабочек соснового и тутового шелкопряда, яблонной плодожорки, стеблево-го мотылька, репной белянки, свекловичного долгоносика, вредной чере-пашки и других).

Entomophthora thaxteriana. На основе этого гриба создан препаратэ н т о м о ф т о р и н . Этот препарат особенно эффективен против тлей в ус-ловиях теплиц и оранжерей.

Verticillium lecanii. На основе этого энтомопатогенного гриба успешновыпускаются промышленные биопрепараты. Эти препараты в условияхоранжерей могут контролировать численность тлей и алейродид. Успешныеиспытания были проведены во многих странах. Например, в Англии на ос-нове V. lecanii выпускаются два биопрепарата: м и к о т е л и вартолек;препараты содержат споры гриба и могут храниться 6 месяцев.

Вирусы. Описано свыше 1200 вирусных болезней насекомых,причем три четверти из них приходится на болезни чешуекрылых.Основное внимание было обращено на одну группу вирусов—возбу-дителей болезней насекомых, это — бакуловирусы. В этой группеотсутствовали вирусы, патогенные для позвоночных.

Бакуловирусы — двухцепочечные ДНК-вирусы, среди которых био-пестициды образуются в трех группах: вирусы ядерного полиэдроза (ВЯП),вирусы гранулеза (ВГ) и фильтрующиеся вирусы. Они заражают насекомых,будучи съеденными; восприимчивость многих видов насекомых варьирует нанесколько порядков в зависимости от возраста насекомых. Эффективностьвирусных препаратов определяется временем и частотой применения, дозой,методом и скоростью обработки. Наибольшее практическое значение имеютвирусы ядерного полиэдроза (ВЯП) и вирусы гранулеза (ВГ). В настоящеевремя на основе вирусов ядерного полиэдроза создано несколько вирусныхбиопрепаратов: Вирин-КШ, Вирин-ЭНШ, Вирин-ОС, Вирин-ХСи В и р и н - Э К С , рекомендованных для применения против капустной, ози-мой и хлопковой совок, непарного и кольчатого шелкопряда, американскойбелой бабочки, соснового пилильщика, яблонной плодожорки.

В США на основе вируса ядерного полиэдроза выпускают биопрепа-рат э л ь к а р , эффективный против шести видов совок. Вирусные препара-ты на основе вируса гранулеза широко используются в Англии, США, Ка-наде, Швейцарии и других странах. Узкое место вирусных биопрепаратов —технология их производства. Будучи облигатными патогенами, вирусы раз-множаются только в живом организме — в насекомых-вредителях и в мень-шей степени в культуре клеток. Однако считается, что будущее в борьбес вредными насекомыми принадлежит вирусным биопрепаратам.

В последние годы в биотехнологии биоинсектицидов сталоразвиваться новое направление — создание биопрепаратов на осно-ве протозойных микроорганизмов. В США разработан биопрепаратна основе микроспоридий Nosema locustae, который эффективно ис-пользуется против саранчовых. Разведение N. locustae, являющегосяоблигатным паразитом, осуществляется в промышленных масшта-бах на живых кузнечиках или в культуре клеток насекомых. В на-стоящее время исследователи работают над новой проблемой — со-зданием химических средств защиты растений путем микробногосинтеза. Вещества с подобной активностью описаны среди продук-тов жизнедеятельности микроорганизмов, в частности этоB-экзо-

364

токсин В. thuringiensis, действующий на представителей бабочек, жу-ков, перепончатокрылых, двукрылых, прямокрылых. На основе B-экзотоксина в США разработан препарат, который применяетсяпротив колорадского жука.

18.4. Стимуляция роста растенийбиологически активными веществами

В 1880 г. была опубликована книга Ч. Дарвина «Способность к дви-жению у растений», в которой он впервые описал вещество, обра-зующееся в верхушках проростков овса и канареечной травы и регу-лирующее рост указанных растений.

После работы Дарвина потребовалось еще полвека исследо-ваний, прежде чем сформировались теоретические и эксперимен-тальные основы науки о биологически активных веществах расте-ний.

Вещества, влияющие на рост растений, вырабатывают многиекак сапротрофные, так и паразитические микроорганизмы. По хи-мической природе эти соединения весьма разнообразны, но в ос-новном представлены безазотными и сравнительно низкомолеку-лярными веществами. Вырабатываемые микроорганизмами регуля-торы роста можно разделить на следующие четыре группы. Перваягруппа — гиббереллины. Они были выделены в 1926 г. Е. Куросавойиз гриба Gibberella fujikuroi, поражающего рис и вызывающего егогигантский рост («баканое»). Gibberella fujikuroi представляет собойконидиальную стадию гриба Fusarium moniliforme. Гиббереллоподоб-ные вещества найдены и у растений. Они стимулируют рост и цве-тение, выход из состояния покоя и т. д.

Вторая группа — ауксины. Открыты Ф. Кеглем. Они имеютсяу растений и микроорганизмов и влияют на рост клеток в фазе рас-тяжения, на дифференцировку ксилемы и закладку корней, цветениеи т. д.

Третья группа — кинины. Это вещества, стимулирующие кле-точное деление и влияющие на другие ростовые процессы.

Четвертая группа — биогенные ингибиторы. Это сложные ве-щества, обладающие способностью подавлять активность ауксинови тормозить рост растений. Они входят в систему, управляющуюпокоем семян и почек. В группу относят вещества, задерживающиепрорастание картофеля и корнеплодов сахарной свеклы при хране-нии, а также этилен и абсцизовую кислоту.

Биологически активные вещества широко применяют в сель-скохозяйственной практике. Большинство из них получают химиче-скими методами, за исключением гиббереллина, который выраба-тывается лишь микробиологическим путем.

365

Гиббереллины составляют большую группу родственных со-единений. Насчитывается до 60 веществ этого типа. Наиболее ха-рактерное соединение группы имеет следующую структуру:

Гиббереллины обладают поразительно высокой физиологиче-ской активностью. Раствор, в котором на миллион частей воды при-ходится лишь одна часть данного вещества, оказывает сильное сти-мулирующее действие на рост растений. Гиббереллины наиболеесильно стимулируют рост стеблей, побегов, листьев, плодов, в мень-шей степени — рост корней. Рост стеблей и побегов происходитвследствие удлинения междоузлий или увеличения их числа. Подвлиянием гиббереллинов увеличивается урожай вегетативной массырастений, ускоряется цветение и плодоношение.

Применение гиббереллинов дает хороший результат на ви-ноградниках. Опрыскивание соцветий бессемянных сортов приво-дит к значительному увеличению размеров ягод и гроздей. Влияниегиббереллина на эти сорта винограда столь велико, что основноеколичество выпускаемого препарата используют в виноградарстве.

Из фитогормонов, вырабатываемых почвенными микроорга-низмами, в том числе находящимися в ризосфере, следует упомя-нуть ауксины, представителем которых может служить гетероаук-син, или B-индолилуксусная кислота:

Гетероауксин применяют для улучшения образования корнейу черенков плодовых и ягодных культур и более быстрого укорене-ния. Получают это соединение химическим путем.

Контрольные вопросы и задания1. Расскажите о перспективах использования микробов-антагонистов про-тив возбудителей болезней растений и растений-паразитов. 2. Каковы осо-бенности применения антибиотиков в сельском хозяйстве? 3. Каковы пре-имущества использования энтомопаразитов в борьбе с вредителями расте-ний?

366

Использование продуктовмикробного синтезадля кормления животных

Корма, содержащие недостаточно протеина, незаменимых ами-нокислот и витаминов, неэффективны и невыгодны. В условиях ин-тенсивного ведения хозяйства важно не только обеспечить доста-точное производство кормов, но и получать корма с высоким содер-жанием белка и сбалансированные по аминокислотному составу.

19.1. Синтез кормового белка и аминокислотБелковый и аминокислотный обмен различны у жвачных и нежвач-ных животных. У последних желудок однокамерный, и микроорга-низмы желудочно-кишечного тракта проявляют активность в ки-шечнике. Существенные синтетические процессы микробиологиче-ского характера в желудке нежвачных животных не протекают. Подвлиянием желудочного сока здесь из белков корма образуются ами-нокислоты и осуществляется реакция переаминирования. Однакотакие незаменимые аминокислоты, как лизин, треонин, аргинин,в результате переаминирования не синтезируются вовсе или синте-зируются в таком малом количестве, что не имеют практическогозначения. Поэтому для нежвачных животных перечисленные ами-нокислоты в необходимых количествах должны присутствовать в пи-щевом рационе.

Жвачные животные менее требовательны к полноценностибелков корма, так как обитающая в их преджелудках богатая микро-флора синтезирует даже из простых, содержащих азот веществ всеаминокислоты, в том числе и незаменимые. Микроорганизмы синте-зируют белок в своих клетках, после отмирания которых аминокис-лоты освобождаются и становятся достоянием животного-хозяина. .

Указанная особенность жвачных животных позволяет для час-тичного восполнения дефицита белков использовать в их рационесодержащие азот простые химические вещества — мочевину и солиаммония. В рубце жвачных животных микроорганизмы синтезируютв больших количествах глутамин, глутаминовую кислоту, глицин ивалин. Последние транспортируются в печень для синтеза другихаминокислот.

В существующих кормовых рационах далеко не всегда доста-точно белка, необходимых аминокислот и витаминов. Поэтому не-обходимо вводить эти вещества в корм в виде тех или иных препа-ратов, в частности полученных с помощью микроорганизмов. Вни-

367

мание ученых привлекает вопрос получения кормового белка путеммикробного синтеза.

Вследствие быстрого размножения продуктивность микроор-ганизмов по сравнению с высшими организмами несопоставимо ве-лика. Например, сравнительно небольшой дрожжевой завод в суткивыпускает около 30 т массы, содержащей 15 т белка, т. е. 5500 тв год. Чтобы получить такую продукцию от крупного рогатого ско-та, надо иметь стадо в несколько десятков тысяч голов.

Освоено производство кормовых дрожжей на отходах спирто-вой, сахарной промышленности, а также на целлюлозных гидроли-затах. Использование в этих целях целлюлозных гидролизатов нача-лось в нашей стране в 1935 г.

Позднее, в шестидесятых годах, французский ученый А. Шам-панья с сотрудниками разработал метод выращивания дрожжей насредах, содержащих дизельное топливо. Однако получаемая массануждалась в очистке, что требовало больших затрат. В России в се-редине шестидесятых годов XX в. дрожжи начали выращивать наочищенных жидких углеводородах.

Ставится вопрос о получении кормового белка на материалах,более дешевых, чем жидкие парафины. Идет экспериментальная ра-бота по получению бактериального белка из метана. Бактерии, разм-ножающиеся на метане, весьма своеобразны, так как растут толькона одноуглеродных соединениях, что облегчает их культивированиев связи с отсутствием конкурентов.

С экономической точки зрения выгоднее, однако, метан ката-литически окислять в метанол. Метанол хорошо растворим в водеи легко усваивается многими микроорганизмами, как бактериями,так и некоторыми дрожжами. В Великобритании действует завод,вырабатывающий дрожжевой белок на метиловом спирте. Изучаетсявозможность производства микробного белка на этиловом спирте,на котором развивается более высокая биомасса дрожжей.

Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяют по-лучению белка с помощью автотрофных водородных бактерий. Ис-пользуя окисление водорода как энергетический процесс, в качествеисточников питания они довольствуются лишь минеральными со-единениями. Следует отметить, что по некоторым химическим по-казателям дрожжевой белок имеет некоторые преимущества посравнению с бактериальным. Разрабатываются методы получениякормового белка из различных отходов. Одни методы пригодны дляпромышленного получения белка, другие — в условиях небольшиххозяйств.

Возможным сырьем для получения микробного белка пред-ставляются различные целлюлозосодержащие отходы промышлен-ности и сельского хозяйства. Для обогащения белком измельченныхцеллюлозных отходов целесообразнее использовать культуры мик-

368

роскопических грибов, которые активно разрушают целлюлозу, од-новременно накапливая белок. Успешно работают в этом направле-нии В. И. Билай (Украина), которая использует гриб Trichoderma viri-de, и А. Г. Лобанок (Белоруссия), применяющий гриб рода Penicillium.Таким путем можно получать корм, содержащий до 30% белка.

Работы по получению кормового белка на отходах лесной ицеллюлозной промышленности проводят в Швеции и Финляндии,где для этого используют грибы. В Канаде в провинции Онтариовступил в производство небольшой завод по переработке на кормдревесных отходов с помощью микроскопического гриба Chaetomium.

Для выработки грибного мицелия можно использовать не толь-ко целлюлозу, но и другие вещества — крахмальные гидролизаты, от-ходы зерна и т. д. Так, в Институте микробиологии Белоруссии раз-работан метод глубинного культивирования мицелия базидиальноготрутового гриба Daedaleopsis confragasa на средах с молочной сыворот-кой. Из 1 т молочной сыворотки может быть выработано 20 кг высу-шенной измельченной массы, имеющей около 50% белка и содер-жащей ряд незаменимых аминокислот.

На молочной сыворотке с успехом размножается базидиаль-ный съедобный гриб Panus tigrinus (пилолистник тигровый). Выра-щенный и измельченный мицелий гриба содержит около 45% сыро-го белка, близкого по составу к животным белкам.

Институт микробиологии и вирусологии Казахстана рекомен-дует в качестве белковой добавки к бедным кормам кормовые дрож-жи Candida, выращенные на разваренной зерновой дерти, муке илидругих субстратах. Перед использованием дрожжевую массу прогре-вают для разрушения дрожжевых клеток, что повышает их усвояе-мость. Кормовые дрожжи следует готовить в местах их потребления,а не на заводах.

Перерабатывать на корм можно многие пищевые и промыш-ленные отходы и даже навоз. Изучался вопрос об использовании вкачестве корма микроводорослей. Проведенные работы не дали вы-сокого эффекта и практически прекращены, что в значительнойстепени связано со слабой усвояемостью животными ценных ком-понентов клеток водорослей.

Тем не менее в некоторых случаях водорослевые препаратыдают положительный эффект. Так, в Институте микробиологии Уз-бекистана использовали жидкие препараты водорослей рода Chlorel-Iα. В культуральной жидкости водоросли содержится небольшоеколичество белка, но присутствует ряд биологически активных со-единений. Там же ведутся работы с цианобактерией рода Spirulina,которая обитает в водоемах Африки. Местные жители используютее для кормления скота.

Многие микроорганизмы пригодны для получения на их ос-нове незаменимых кормовых аминокислот и витаминов. Только

369

правильное сочетание всех компонентов корма дает наилучший ре-зультат, а недостаток хотя бы одного из них снижает эффективностьостальных. В таблице 21 показано влияние добавок к корму на про-изводство яиц.

Т а б л и ц а 2 1

Влияние характера пищи на продуктивность кур-пеструшек (по: В. Н. Букин)

Показатель

Ежегодная продуктив-ность несушки, яиц

Затраты корма на произ-водство десяти яиц, кг

Контроль

80

6,84

Полноценные комбикорма

с добавкой

витаминов,

аминокислот,

микроэлементов,

антибиотиков

только

витаминов

200 160

2,3 3,42

Сбалансированное питание в ряде случаев упрощает и уде-шевляет набор ингредиентов, входящих в комбикорм. Например,обогащение кормов витамином В12 позволяет заменять дефицитныйи дорогой животный белок растительным. При этом продуктивностьживотных не снижается.

До Второй мировой войны производства аминокислот не бы-ло почти ни в одной стране. Сейчас уже доказана целесообразностьиспользования аминокислот в животноводстве, где их применениеобеспечивает огромный экономический эффект. Для кормленияживотных нет нужды в получении чистых препаратов, достаточноиметь концентраты, производство которых дешевле и проще.

Замечательное свойство многих микроорганизмов — накап-ливать в среде огромное количество некоторых ценных аминокис-лот. Объем такого «сверхсинтеза» может быть очень большим. Так,некоторые микроорганизмы на 1 л среды производят до 200 г аспа-рагиновой кислоты, до 100 — глутаминовой, до 16 г валина. Су-ществуют микроорганизмы, синтезирующие значительные количе-ства L-лизина, L-валина, L-метионина и триптофана.

В России микробиологическим способом получают лизин.Для синтеза L-лизина используют культуру Brevibacterium sp., сырь-ем служат уксусная кислота, минеральные соли, меласса, кукуруз-ный экстракт и некоторые отходы пищевой промышленности. Ли-зин выпускают в виде жидкого концентрата (ЖКЛ), сухого кон-центрата и кристаллического препарата.

За рубежом микробиологическим способом помимо L-лизииаполучают L-глутаминовую кислоту, используя культуру Micrococcus

370

glutaminus и некоторые бактерии рода Brevibacterium. В небольшихколичествах готовят L-алании, продуцируют который некоторые ак-тиномицеты, а также бактерии рода Brevibacterium и Cotynebacterium.Возможно получение триптофана с использованием культуры грибаCandida utilis.

19.2. Синтез витаминов и ферментов микроорганизмамиВитамины представляют собой низкомолекулярные органическиесоединения, необходимые для поддержания жизни животных, кото-рые должны получать их с кормом. Отдельные витамины (напри-мер, витамин С) организм животного может синтезировать. Витами-ны комплекса В и витамин К синтезируются микрофлорой рубцавзрослых жвачных животных в достаточном количестве. Живот-ные-копрофаги, например кролики, получают витамины, поедаясобственный кал, в котором бактерии накапливают значительноеколичество витаминов.

Однако в ряде витаминов животные нуждаются, так как в обыч-ном корме их не хватает. Это относится прежде всего к витамину В12,каротину и в некоторой степени к витаминам группы В. Последниеособенно требуются для откорма свиней и птицы.

Производство витаминов в промышленном масштабе можетбыть осуществлено микробиологическим путем. В России произво-дят витамин В12 (цианкобаламин). Синтез этого витамина ведут пометоду, разработанному в Институте биохимии им. Баха РАН. В ка-честве субстрата используют ацетонбутиловую барду — отход бро-дильной промышленности. Процесс непрерывный, осуществляютего в анаэробных условиях при температуре 50 °С. В результатеобразуется ряд продуктов, в том числе витамин В12 и метан. Сбро-женная барда поступает в выпарной аппарат, где сгущается, а затемв сушку и расфасовку.

Предложены и другие методы получения витамина В12, на-пример с использованием пропионовокислых бактерий, которыепри сбраживании спиртовой барды в анаэробных условиях образуютзначительное количество витамина В12. Существуют разработки, по-зволяющие в ближайшее время организовать крупномасштабноепроизводство ряда других витаминов.

Так, используя гриб Eremothecium ashbyi, можно получать пре-парат витамина В2 (рибофлавина). Как субстрат для производстварекомендуется питательная среда из соевой муки, кукурузного экс-тракта и мелассы. Ферментация идет около трех суток при 28 °С.Культуральная жидкость сгущается в вакуум-аппарате при темпера-туре, не превышающей 80 °С, а затем высушивается на вальцовойсушилке. Идет работа по подбору более дешевой среды из непище-вого сырья.

371

Гриб Blakeslea trispora продуцирует провитамин А (В-каротин).Процесс может проходить на гидролизате сои или на отходах пище-вой промышленности. Брожение осуществляется в течение трехдней при 25 °С, после чего мицелий гриба сепарируют или отделяютфильтрацией. Затем мицелий сушат в вакууме и расфасовывают.Препарат представляет собой мелкопластинчатую или песчануюмассу красного цвета.

Некоторые микроорганизмы (Streptomyces aurantiacus), культи-вируемые на отходах животноводческих ферм или гидролизате дре-весины, позволяют получить массу, содержащую не только р-каро-тин, но и витамины группы В и антибиотики.

Не представляет сложности получение витамина D (кальци-ферол), дефицит которого в кормах сельскохозяйственных живот-ных наблюдается наиболее часто. Основным источником витаминаD служат облученные кормовые дрожжи. Готовый препарат пред-ставляет собой мелкозернистый порошок светло-желтого цвета. Зарубежом кроме отмеченных препаратов производят микробиологи-ческим способом треонин, аланин, идет интенсивная работа посинтезу триптофана.

В России и за рубежом изучают влияние различных фермент-ных препаратов, добавляемых в корм, на продуктивность сельскохо-зяйственных животных. Как добавки в корм используют амилазу,глюкоамилазу, липазу, пектиназу, целлюлазу и т. д. Стремятся вы-яснить возможность производства мультиферментных препаратовдля различных видов и возрастных групп животных с учетом осо-бенностей их кормления.

Возможно, ферменты найдут широкое применение при про-изводстве заменителей молока для кормления молодняка (телят, по-росят, ягнят). Их можно использовать в ветеринарии при лечениижелудочно-кишечных заболеваний и т. д.

19.3. Использование пробиотиков в сельском хозяйстве

Осуществляемое в последние десятилетия беспорядочное примене-ние антибиотиков в животноводстве, которые используются в ма-лых дозах как стимуляторы роста, а также в качестве превентивноймеры против вызванных стрессом желудочно-кишечных расстройству животных на фермах, приводят к все более широкому распростра-нению в микробных популяциях факторов устойчивости к антиби-отикам (R-факторов), передающихся от одной бактериальной клет-ки к другой при конъюгации. Передача происходит через плазмиду —кольцевую экстрахромосомную молекулу ДНК, способную к реп-ликации.

Антибиотики, применяемые в малых дозах длительное время,приводят к заметному возрастанию числа устойчивых к лекарственным

372

препаратам микроорганизмов, в частности энтеробактерий (Е. coli,Salmonella и др.). Передающаяся устойчивость к лекарствам, полу-ченная сначала сельскохозяйственными животными, сейчас обнару-жена у представителей кишечной микрофлоры человека. Попадая кчеловеку через зараженное мясо, сальмонеллы, содержащие R-фак-тор, могут передавать его бактериям, живущим в желудочно-кишеч-ном тракте человека, которые, в свою очередь, передают фактор ус-тойчивости патогенным энтеробактериям человека. Этот, кажущийсябесконечным, порочный круг может повториться со многими анти-биотиками, в результате чего будут возникать более сложные R-фак-торы, несущие гены множественной устойчивости к антибиотикам.Благодаря этому механизму многие патогенные микроорганизмы те-перь проявляют возросшую устойчивость к. антибиотикам. Все этовызвало ряд исследований, в которых препараты молочнокислыхбактерий использовались как безопасная альтернатива низким до-зам антибиотиков для предотвращения и, возможно, лечения желу-дочно-кишечных расстройств, вызванных стрессом у сельскохо-зяйственных животных. Считают, что антибактериальная роль мо-лочнокислых бактерий обусловлена их способностью производитьдостаточное количество молочной кислоты, чтобы ингибироватьразвитие других организмов, а также способностью прикреплятьсяк кишечным ворсинкам, «оттесняя» других бактерий. Более того,некоторые представители молочнокислых бактерий не только обла-дают активностью против Е. coli, но также производят метаболиты,которые способны нейтрализовать эффект энтеротоксинов, выде-ляемых многими живущими в желудке микроорганизмами. Средимногочисленных видов молочнокислых бактерий, обнаруживаемыхв природных субстратах, указанными выше свойствами обладаютпалочковидные бактерии рода Lactobacillus: L. acidophilus и L. bulga-ricus, а также бактерии рода Bifidobacterium — В. bifidum.

Изучение этих бактерий показало, что ингибирующее действие их надругие микроорганизмы обусловлено способностью лактобацилл вырабаты-вать молочную кислоту. Так, L. acidophilus при сбраживании глюкозы выра-батывает более 80% молочной кислоты. Именно молочная кислота поддер-живает кислую реакцию среды в кишечнике большинства животных. Мно-гие энтеропатогенные бактерии предпочитают нейтральную или слегкащелочную среду, так что сама по себе кислотность может их угнетать. Дру-гой важной особенностью молочнокислых бактерий является их способ-ность «прилипать» к эпителиальным поверхностям, выстилающим желудоч-но-кишечный тракт животных. Специальные исследования показали, чтоэта «приверженность» оказывается не только тканеселективной по различ-ным отделам пищеварительного тракта, но и в некоторых случаях также ви-доспецифичной. Так было обнаружено, что лактобациллы прикрепляются кэпителиальной выстилке зоба цыпленка, а у свиней и телят молочнокислыебактерии способны прикрепляться к желудочному эпителию. Способностьмолочнокислых бактерий к прикреплению и размножению на эпителиаль-ных поверхностях желудочно-кишечного тракта обуславливает их домини-

373

рование в составе кишечной микрофлоры, при этом содержание колиформ-ных бактерий сохраняется на низком уровне (обычно, одним из домини-рующих кишечных организмов у млекопитающих является кишечнаяпалочка — Е. coli).

Установлено также, что молочнокислые бактерии продуциру-ют различные антимикробные метаболиты. В частности, L. acidophi-lus выделяет такие антибиотикоподобные вещества, как лактоцидин,ацидолин, ацидофилин и бактериоцины, угнетающие развитие ки-шечных энтеропатогенных бактерий. A L. bulgaricus, как уже отмеча-лось, обладает внеклеточной антиэнтеротоксинной активностью,способной нейтрализовать энтеротоксины кишечной палочки —Е. coli. Поэтому скармливание L. bulgaricus животным ведет к умень-шению поносов и снижению их смертности. Таким образом, нор-мальные условия жизнедеятельности кишечника сельскохозяйствен-ных животных создаются и поддерживаются благодаря особымсвойствам молочнокислых бактерий (образованию молочной кисло-ты, способностью прикрепляться к эпителию кишечника животных,антимикробной и антиэнтеротоксинной активностью, высокой ус-тойчивостью к низким значениям рН). Именно эти свойства долж-ны сохраняться в промышленных препаратах молочнокислых бакте-рий, предназначенных для употребления в качестве пробиотиков.Весьма важной является селекция штаммов молочнокислых бакте-рий и подбор условий ферментации для получения полноценнойпродукции Lactobacillus. Хотя биологическая активность препаратовимеет первостепенное значение для использования их в качествепробиотиков, не менее важны жизнеспособность и стабильностьмолочнокислых бактерий в препаратах. В заключение необходимоподчеркнуть, что молочнокислые бактерии, широко распространен-ные в природе, становятся важным компонентом кишечной микро-флоры молодых теплокровных животных вскоре после их появленияна свет. Уместно предположить, что лечение пробиотиками можетбыть чрезвычайно полезным для животных в стрессовых ситуациях,как альтернатива профилактике стресса низкими дозами антибиоти-ков. Кроме того, пробиотики, без сомнения, найдут свое место в ка-честве безопасной альтернативы антибиотикам для предотвращенияи лечения стрессовых желудочно-кишечных расстройств у сельско-хозяйственных животных.

В настоящее время во ВНИИ сельскохозяйственной микро-биологии РАСХН создано два вида биопрепаратов-пробиотиков —ц е л л о б а к т е р и н , предназначенный для использования в рацио-нах при выращивании цыплят, молодняка крупного рогатого скота,поросят-отъемышей и гастробакт, который применяется придиспепсии, колитах, энтеритах, нарушениях ферментации у молод-няка и взрослых животных.

374

Контрольные вопросы и задания1. Для каких видов сельскохозяйственных животных особенно важны бел-ковые кормовые добавки? 2. Расскажите об использовании жидких угле-водородов для синтеза кормового белка. 3. Дайте характеристику микро-организмам, используемым для получения кормового белка. 4. Какие мик-роорганизмы используют для получения незаменимых аминокислот,необходимых в животноводстве? 5. Что такое пробиотики?

Превращениемикроорганизмами растительногосырья (биоконверсия)

Во второй половине XX в. в мировой экономике остро сталощущаться дефицит энергии, пищи и сырья для промышленности.Возникла угроза загрязнения окружающей среды. Эти явления при-няли характер глобальных проблем.

Все больше мысль человека стала обращаться к продуктамфотосинтеза как возобновляемому и практически неисчерпаемомуисточнику энергии, как перспективному сырью для получения про-дуктов питания и производства различных материальных ценностей.Одновременно внимание было обращено на микроорганизмы какмощную и многообразную каталитическую систему, способнуютрансформировать природные органические вещества растительногопроисхождения в любые нужные человеку формы в технически не-сложных сооружениях, в управляемых, независимых от климата ус-ловиях, при сравнительно небольших затратах энергии и труда. Сле-довательно, целью биоконверсии является получение из недефицит-ного возобновляемого сырья пищевых и кормовых продуктов,жидких и газообразных видов топлива, химических продуктов и ме-дикаментов, а также защита окружающей среды.

Следовательно, человечество с каждым годом все большеубеждается в том, что основное наше богатство — растительная био-масса (возобновляемые ресурсы органического вещества), котораяежегодно образуется в реакциях фотосинтеза в количестве 2 .1011 тпо углероду или 3 • 1012 Гкал по запасенной энергии. При этом дляпитания человека требуется 0,5%, а для покрытия всех мировыхэнергетических нужд около 10% этой энергии.

Мощные фотосинтезирующие системы компенсированыстоль же мощными гидролитическими системами, причем главнымобразом за счет ферментов микробного мира. Однако в природныхусловиях, например в почве, разрушение растительных остатков

375

идет медленно — неделями и месяцами. Другое дело — биоконвер-сия в реакторах в управляемых условиях.

Под управляемой биоконверсией растительного сырья необхо-димо понимать превращение компонентов растительной массымикробиологическим или ферментативным путем в различные по-лезные вещества и продукты в регулируемых условиях.

Для биоконверсии углеводов растительного сырья используютразличные микроорганизмы — бактерии, актиномицеты, дрожжи,микромицеты. Продукты биоконверсии растительного мира широкоприменяются в питании человека (хлеб, квашеные продукты, алко-гольные и др. напитки, кислоты и т. д.), в кормлении животных (си-лсс, сенаж, дрожжи, продукты биосинтеза и др.), а также в произ-водстве медикаментов, химикатов, жидких и газообразных видовтоплива и др.

Растительное сырье делят на растворимое и нерастворимое.Процессы ферментации наиболее изучены при биоконверсии рас-творимых субстратов. Известно много в а р и а н т о в фермента-ц и о н н ы х п р о ц е с с о в : глубинная и поверхностная ферментация;аэробная и анаэробная; периодическая и непрерывная; монокуль-турная и поликультурная; спонтанная; мезофильная и термофиль-ная ферментация и др.

Ферментация нерастворимых субстратов также существуетв разных вариантах. Так, в сельском хозяйстве практикуют твер-дофазную ферментацию растительной массы в анаэробных условияхс целью консервирования кормов. Твердофазная ферментация пред-ставляет большой интерес при биоконверсии такого нерастворимогорастительного сырья, каким является большинство крахмал- и цел-люлозосодержащих сельскохозяйственных продуктов и отходов про-изводства.

Важное значение в создании процессов получения нужныхцелевых продуктов методами биоконверсии имеет выбор раститель-ного сырья. Прежде всего анализируются затраты энергии на полу-чение этого сырья. Считают, что высоким выходом энергии отли-чаются травы (люцерна и др.), а поэтому получение различных про-дуктов из трав считается весьма перспективным направлением.Большой интерес представляет фракционирование зеленой массы сцелью получения белковых концентратов кормового и особенно пи-щевого назначения.

Говоря о биоконверсии крахмалсодержащего сырья, необхо-димо отметить возможность получения белка из крахмала путемпрямого культивирования на этих субстратах микробов с амилазнойактивностью, в том числе дрожжей.

В настоящее время интенсивно изучается энзимная биокон-версия целлюлозы. Это направление открывает перспективу получе-ния из нее всех продуктов, которые сегодня производят из глюкозы.

376

2 0 . 1 . Применение методов биоконверсиив сельском хозяйстве

Можно выделить ряд перспективных направлений применениямикробной биоконверсии растительного сырья для нужд сельскогохозяйства: получение белковых концентратов пищевого и кормовогоназначения из зеленой массы растений с использованием микроби-ологических процессов; микробная протеинизация крахмала и цел-люлозосодержащего сырья; нетрадиционные пути биоконверсиирастительных углеводов в этанол; получение биогаза из отходовферм и растительных остатков; консервирование кормов продукта-ми брожения (силосование).

Биоконверсия местного сельскохозяйственного сырья — зеле-ной массы, зерновых, а также отходов их переработки и отходовферм может оказать существенное влияние на рационализациюсельскохозяйственного производства. Комплексный подход при раз-работке биотехнических систем в сфере сельского хозяйства можетдать ключ к созданию безотходной технологии, к полному исполь-зованию растительного сырья, а также способствовать решению та-ких проблем, как получение белка из местных ресурсов; использо-вание новых видов энергии; защита окружающей среды.

Исключительно важное значение имеет микробиологическаяобработка грубых кормов, например соломы.

Силосование и сенажирование зеленой массы трав являются внастоящее время широко используемыми на практике методамимикробиологического консервирования кормов. Однако достиже-ния современной микробиологии и энзимологии позволяют смот-реть на силосование и сенажирование не только как на процессыконсервирования. Показана целесообразность применения в качест-ве специальных заквасок микробов, обладающих гидролазной ак-тивностью в отношении полисахаридов. Развитие таких микроорга-низмов на целлюлозосодержащих субстратах во время силосованиякорма приводит к деструкции полисахаридов с образованием усво-яемых животным организмом форм органических веществ. Анало-гичный эффект достигается, если при закладке силоса (сенажа)применяются соответствующие ферментные препараты. Экономи-чески оправдана разработка технологии обработки соломы и другихподобных субстратов. Известно, что при производстве каждой тон-ны зерна образуется тонна соломы, в которой заключено почтистолько же энергии, сколько в зерне. Если мировое производствозерна составляет 1 млрд 600 млн т, из которых 1 млрд т использует-ся в пищу человека, и 600 млн т — в корм животным, то это значит,что мировые ресурсы соломы также составляют около 1600 млн т.Отсюда девиз «Зерно — для человека, а конвертированная солома —для корма животных».

377

Большой интерес представляют работы по обогащению цел-люлозо- и лигнинсодержащего сырья микробным белком.

Биологическим способом можно консервировать не толькогрубые корма. В мировой практике накоплен опыт консервированиявлажного зерна как при помощи химических консервантов, так ипутем хранения влажного (до 30%) зерна в герметичных емкостях,например траншеях в атмосфере СО2.

Таким образом, в области сельского хозяйства биотехнологияпозволяет более полно использовать урожай, уменьшить количествопобочных отходов и потери.

20.2. Нетрадиционные пути биоконверсиирастительных углеводов в этанол

Один из путей решения глобальной проблемы биотрансформациипродуктов фотосинтеза — получение этанола из растительной массыс помощью микроорганизмов. Можно указать несколько причин,обусловливающих огромный интерес к исследованиям в данном на-правлении.

Во-первых, этанол, получаемый из растительной массы,так называемый биоэтанол, может использоваться для восполненияэнергетических ресурсов. В связи с тем что запасы природных иско-паемых — нефти, угля и газа — истощаются, поиск других источни-ков энергии весьма актуален.

Во-вторых, для получения этанола используется недефи-цитное сырье. Например, значительный сырьевой запас представля-ют сельскохозяйственные отходы.

В-третьих, спиртовое брожение — самая старая отрасльбиотехнологии — имеет готовые технологические системы и разви-тую промышленную базу. Следует отметить, что конверсия расти-тельной биомассы в этанол энергетически более выгодна, чем ееконверсия в микробную биомассу (белок).

Микроорганизмы — продуценты этанола. Микроорганизмы,уже используемые, и те, которые могут быть использованы для транс-формации продуктов фотосинтеза в этанол, делят на три группы:

1) дрожжи, традиционно применяемые для конверсии угле-водов в этанол. Однако за последние годы найдены и интенсивноизучаются новые продуценты этанола, которые по ряду свойств пре-восходят дрожжи;

2) м е з о ф и л ь н ы е б а к т е р и и рода Zymomonas (оптималь-ная температура — 30—35°), обладающие в несколько раз более ин-тенсивным метаболизмом, чем дрожжи;

3) термофильные этанолобразующие бактерии (оп-тимальная температура — 60—65°), привлекшие внимание главным

378

образом тем, что в этой группе имеются микроорганизмы, способ-ные трансформировать растительные углеводные полимеры непо-средственно в этанол. В этом случае отпадает необходимость пред-варительной деполимеризации этих субстратов (что характерно дляспиртового брожения, вызываемого дрожжами). Кроме того, бакте-рии по сравнению с дрожжами — более удобный объект для приме-нения генно-инженерных методов улучшения их технологическихсвойств. Резервом повышения продуктивности технологическихсистем конверсии углеводов в этанол является возможность созда-ния стабильных бактериальных ассоциаций.

Существенными преимуществами обладает процесс получе-ния этанола с помощью термофильных анаэробных бактерий. Кро-ме общих технологических преимуществ, которые обеспечиваюттермофильный процесс, следует отметить, что в этой группе микро-организмов находятся представители с целлюлозолитической актив-ностью. С помощью этих бактерий представляется возможнымтрансформировать растительную биомассу прямо в этанол без еепредварительной обработки. Среди термофильных анаэробных бак-терий также ведется поиск новых продуцентов этанола и работа погенетическому улучшению свойств имеющихся штаммов.

В таблице 22 приводятся физиологические и технологическиехарактеристики продуцентов этанола.

Т а б л и ц а 22

Группа Продуценты рНВыход

этанола,%

Темпера-тура, °С

Макси-мальнаяконцент-

рацияэтанола,

г/л

1-я группа Saccharomycescerevisiae

Saccharomycesrosei

2-я группа Zymomonasmobilis

Zymomonasanaerobia

3-я группа Clostridiumthermocellum

Clostridiumthermosaccharo-lyticum

Thermoanaero-bacter ethanolicus

3 - 4

4,6

5,5

5-6

7,0

6,9-7,5

5,8-8,5

100

88

95

90-95

50

70

90

30

35

30

35

62

67-70

69

130

42,5

130

96

1,5

4,0

379

Характерная черта бактерий рода Zymomonas состоит в том, что ониспособны почти полностью перерабатывать глюкозу или фруктозу в этаноли СО2 (в отличие от Zymomonas дрожжи утилизируют большой набор гексоз —около 55% всей растительной массы). У Zymomonas выход этанола колеблет-ся между 1,5—1,9 моль на одну молекулу глюкозы. Учитывая вышеупомяну-тые факты, можно считать Zymomonas одним из перспективных продуцентовспирта.

Очевидно, использование бактерий Z. mobilis с применением новыхтехнологических процессов, таких как иммобилизация, рециклизация и фло-куляция клеток, рециклизация с вакуумным устройством и др., селекциони-рование новых, толерантных к этанолу штаммов, использующих разные при-родные субстраты (крахмал, целлюлозу и др.), откроет новые перспективыв спиртовой промышленности.

Образование этанола термофильными бактериями. В на-стоящее время установлено, что термофильные анаэробные бакте-рии способны превращать целлюлозосодержащие субстраты прямов этанол. Считают, что с помощью этой группы микроорганиз-мов есть возможность создать рентабельную технологию транс-формации продуктов фотосинтеза в этанол. Наиболее изученныйпредставитель этой группы бактерий, образующих этанол, —Clostridium thermocellum. Эти бактерии расщепляют целлюлозу и ге-мицеллюлозу, растут на целлобиозе, глюкозе, но не используютксилозу. С. thermocellum — самый быстрорастущий микроорга-низм, разлагающий целлюлозу, из известных на сегодняшнийдень.

Для этой группы бактерий характерен гетероферментативныйтип брожения, конечными продуктами которого являются этанол,ацетат, лактат, СО 2, Н 2 . С. thermocellum и Thermoanaerobacter ethanoli-cus конвертируют в этанол до 95% субстрата, что близко к макси-мальному выходу этанола у дрожжей и Zymomonas.

Весьма перспективным представляется использование дляполучения этанола из растительных субстратов бактерий, обла-дающих как целлюлозолитической, так и этанолсинтезирующей ак-тивностью. Таковы бактерии С. thermocellum. Однако у них естьнедостаток — сравнительно невысокий выход этанола и узкийспектр используемых субстратов. Оба эти недостатка могут бытьпреодолены в смешанных культурах бактерий, как, например,С. thermocellum + Т. ethanolicus и С. thermocellum + С. thermohydro-sulfuricum. Повышенный выход этанола в случае смешанной куль-туры объясняется тем обстоятельством, что С. thermohydrosulfuricumконвертирует примерно половину углеводов в этанол. Считается,что термофильная анаэробная ферментация целлюлозосодержащихсубстратов станет рентабельной, если удастся поддержать высокуюпродуктивность при концентрации этанола выше 4,5%.

380

20.3. Получение гидролаз из полисахаридови микробного белка на крахмалсодержащем сырье

Крахмалсодержащее сырье и возможности его биоконвер-сии. В настоящее время имеется достаточно много хорошо изучен-ных непатогенных микроорганизмов с высокой амилазной активно-стью (Aspergillus oryzae, A. niger, Rhizopus delemar, Endomycopsis fibuli-gera, Candida japonica, С albicans, Lypomyces starkeyi, Bacillus subtilis,B. mesentericus, B. cereus, B. mycoides, а также термофильные бакте-рии и актиномицеты). Наиболее часто для получения амилолитиче-ских ферментов (амилаз и глюкоамилаз) используются мицелиаль-ные грибы рода Aspergillus и дрожжи рода Endomycopsis.

Используя методы современной биотехнологии, представляет-ся возможным осуществить биоконверсию крахмал'содержащих суб-стратов как с целью получения гидролаз полисахаридов, так и дляобогащения крахмалсодержащего сырья микробным белком.

В качестве продуцента микробного белка используют главнымобразом дрожжи, а также бактерии и мицелиальные грибы. Послед-ние по сравнению с дрожжами способны усваивать более широкийспектр углеводов, в том числе полисахариды и смеси Сахаров. По-этому грибы целесообразно использовать для получения белка припереработке гетерогенных субстратов. Во многих случаях использо-вание крахмалсодержащих отходов при получении белка важно ив экологическом плане. Так, после переработки картофеля остаютсясточные воды, содержащие полисахариды. В Швеции применяетсяпроцесс под названием «Симба», сущность которого в том, что наотходах переработки картофеля последовательно выращивают двекультуры дрожжей: сначала Endomycopsis fibuligera, продуцирующуюамилолитические ферменты, которые гидролизуют крахмал до Саха-ров, а затем Candida utilis, использующую сахара. Полученный пре-парат предназначен в качестве добавки к корму свиней и птиц.

Перспективным является получение микробного белка на крах-малсодержащих средах путем выращивания микромицетов. Послед-ние имеют более тонкую, чем дрожжи, клеточную стенку и поэтомулегко перевариваются без предварительной обработки. Кстати, следу-ет отметить, что при переработке картофеля на картофелеперерабаты-вающих заводах общее количество потерь достигает 40—50% от массыкартофеля. Эти отходы могут служить сырьем для получения белка.

Так, по данным ряда авторов, на 1 м3 среды, приготовленнойиз отходов картофелеперерабатывающих заводов, можно получитьдо 30,4 кг кормовых дрожжей с содержанием сухих веществ около25%. Это выше, чем при выращивании дрожжей на зерновой илизерномелассной барде.

Помимо получения белковых препаратов, выращивание мик-роорганизмов на крахмалсодержащем сырье может быть использо-вано как способ обогащения кормов белком.

381

Получение комплексных белково-ферментных препаратов.Многочисленными исследованиями показано, что добавление гид-ролитических ферментов в корма, комбикорма и премиксы позво-ляет увеличить прирост массы животных и птицы в среднем на 10—15% и снизить затраты корма на 1 кг прироста на 5—7%. Фермент-ные препараты могут использоваться для улучшения усвояемостигрубых кормов, содержащих крахмал и целлюлозу, или могут бытьнепосредственно включены в кормовой рацион животных и птиц.

Для получения комплексных белково-ферментных препаратов сглюкоамилазной активностью применяют как совместное культивиро-вание, так и выращивание монокультур. Преимущество смешанныхкультур показано во многих работах. Так, применение в качестве про-дуцента глюкоамилазы дрожжей End. fibuligera, а целлюлазы — Tricho-derma lignorum на комплексной среде, содержащей солому, пшеничныеотруби и муку, выявило, что дрожжевая культура End. fibuligera способ-на использовать для своей жизнедеятельности продукты гидролиза со-ломы, образовавшиеся под действием гриба. Показано также, что присовместном культивировании продуцента амилолитических ферментовEnd. fibuligera с грибными, дрожжевыми и бактериальными культурамиудается повысить активность ферментной системы-продуцента.

В настоящее время разработан технологический процесс по-лучения белково-ферментного препарата при культивированииEnd. fibuligera на твердых субстратах, в частности пшеничных отру-бях и комбикорме. Прирост белка в этом процессе составлял 36 кгна 1000 кг субстрата, т. е. 27% от использованного крахмала.

Выгода применения белково-ферментных комплексов в ра-ционах некоторых животных очевидна, если учесть их невысокуюстоимость и экономию кормовых средств при достаточно большомприросте живой массы животных.

20.4. Биоконверсия целлюлозо-лигниновых материалов

Биоконверсия целлюлозо-лигниновых материалов в белок в настоящеевремя может быть осуществлена только путем выращивания микроор-ганизмов на этих материалах (или их гидролизатах) в качестве суб-стратов. Внутриклеточный белок ферментов микробов составляетосновную долю целевого белка, но некоторое его количество пред-ставлено внеклеточными ферментами (экзоферментами). Эти фер-менты микроорганизмы выделяют во внешнюю водную среду, и ихфункция состоит в гидролизе полимеров субстрата до мономерныхсоединений. Только такие соединения могут быть усвоены микро-организмами, обладающими целлюлозолитической (или лигнингид-ролизующей) активностью, а также многими другими видами мик-роорганизмов (в первую очередь различными дрожжами).

Следовательно, биоконверсия с целью получения белка можетбыть осуществлена только в аэробных условиях, так как в анаэроб-

382

ных условиях весьма ограничены возможности роста клеточнойбиомассы. В то же время анаэробные условия дают возможностьэффективного получения из целлюлозы (в результате жизнедеятель-ности определенных микроорганизмов) летучих низкомолекулярныхвосстановленных органических соединений — метанола, органиче-ских кислот, метана и т. д.

При осуществлении биоконверсии с целью получения белказадача состоит в многократной интенсификации процесса деструк-ции целлюлозолигниновых материалов и создании условий, в кото-рых происходит эффективное увеличение биомассы микроорганиз-мов (и, следовательно, белка), а не расходование субстрата с выде-лением СО2 и Н2О без роста клеток.

Биоконверсия целлюлозы сводится к двум основным группамбиохимических процессов: гидролизу целлюлозы ферментами и рос-ту клеток на продуктах гидролиза. Оба эти процесса могут быть вы-полнены одним целлюлозолитическим микроорганизмом, и процессбиоконверсии тогда является прямым, или одностадийным. То, чтоиногда в среду вводятся и другие микроорганизмы, ассимилирую-щие продукты гидролиза, не меняет сути процесса — такие способыотносятся к процессам п р я м о й б и о к о н в е р с и и .

Но возможна и н е п р я м а я ( м н о г о с т а д и й н а я ) био-к о н в е р с и я . В непрямой биоконверсии, как правило, стадия гид-ролиза выполняется отдельно от стадии выращивания микроорга-низмов, образующих целевой компонент конечного продукта — белок.Гидролиз может быть выполнен кислотами, целлюлозным фермент-ным комплексом, микроорганизмами в анаэробных условиях.

Возможны и другие разновидности непрямой биоконверсии.В большинстве работ основное внимание уделяется соломе как исход-ному материалу биоконверсии для получения белка, поскольку в на-стоящее время данный субстрат, будучи побочным продуктом сельско-го хозяйства, все еще не находит полного и эффективного использова-ния в пределах своей отрасли, а дефицит белка остается фактором,задерживающим быстрый рост продуктивности животноводства.

Биоконверсия лигнина. Лигнины — аморфные высокомолеку-лярные соединения ароматической природы, которые можно под-разделить на три класса: лигнин древесины хвойных пород; лигниндревесины лиственных пород; лигнин травянистых растений.

Биологическая роль лигнина заключается в придании механиче-ской устойчивости стволам и стеблям растений. Предшественникамилигнина являются ароматические фенилпропановые спирты — кума-ровый, конифериловый и синаповый. В растительных клетках лигнинсвязан с другими биополимерами — целлюлозой и гемицеллюлозой.

Микроорганизмы, разлагающие лигнин. До начала 70-х гг.XX в. основное внимание исследователей было уделено базидиаль-ным грибам, вызывающим гниение древесины, которые условно

383

были разделены на 3 группы: возбудители мягкой гнили, возбудите-ли бурой гнили и возбудители белой гнили.

За последние годы сравнительно много данных получено от-носительно бактериальной деградации лигнина. Показано, чтопредставители родов Corynebacterium, Agrobacterium, Pseudomonas,Klebsiella, Aerobacter и Enterobacter могли использовать лигнин в ка-честве единственного источника углерода, при этом штамм Aero-bacter sp. разлагал 98% лигнина в течение 5 суток.

Практика биоконверсии лигнина. В решении рассматривае-мой проблемы биоконверсии целлюлозолигниновых материалов, втом числе соломы, биоконверсия и деструкция лигнина может обес-печить делигнификацию субстрата, тем самым интенсифицируяпроцесс биоконверсии всего материала. Хотя исключительная мед-ленность биодеградации лигнина препятствует практическому ис-пользованию этого процесса, уже известны микроорганизмы, кото-рые способны в первую очередь в соломе расщеплять лигнин, темсамым способствуя и биоконверсии целлюлозы. Как уже отмечалосьвыше, весьма активными лигнолитическими микроорганизмами яв-ляются грибы белой гнили (они продуцируют внеклеточные фенол-оксидазы). Деградация лигнина может существенно ускоряться привнесении субстрата, легче поддающегося разложению — глюкозы,этанола, солодового экстракта. Данные субстраты могут быть ис-пользованы микробными культурами как доступный источникэнергии, необходимой для деградации лигнина (явление кометабо-лизма).

Биоконверсия соломы. Микроорганизмы, применяемые длябиоконверсии. В практике биологического разложения целлюлозы ча-ще всего используются различные микромицеты-сапротрофы, в изоби-лии встречающиеся в почве и на органических остатках. Это предста-вители родов Chaetomium, Alternaria, Aspergillus, Cladosporium, Fusarium,Penicillium, Trichoderma, Rhizoctonia и др. Для разрушения целлюлозы ибиосинтеза целлюлозолитических ферментов чаще всего используютсямикромицеты Trichoderma viride, Aspergillus niger и A. terreus, превра-щающие нерастворимую целлюлозу в растворимые сахара.

Характеристика твердофазной ферментации. Основное от-личие твердофазной ферментации (ТФ) от глубинной (ГФ) — суще-ственное уменьшение содержания воды и высокое содержание суб-страта в среде ферментации.

Опыты по изучению получения белка микроорганизмов изцеллюлозолигниновых материалов с использованием глубиннойферментации показали, что удовлетворительная степень превраще-ния достигается только при низкой концентрации субстрата — неболее 2%, а высокая вязкость среды осложняет перемешивание иаэрацию. Поэтому твердофазная ферментация рассматривается как384

перспективный способ биоконверсии целлюлозолигниновых мате-риалов, которые при переработке в корма могут использоваться безкакой-либо дополнительной обработки.

В результате многочисленных исследований в настоящее вре-мя разработаны технические средства твердофазного культивирова-ния, технологические режимы и отобранные культуры (Trichodermaviride и Endomycopsis fibuligera) способны конвертировать термоотра-ботанную солому (с добавкой 10% отрубей) в препарат с содержани-ем не менее 12% белка в течение 5,0—5,5 суток при содержании су-хих веществ в среде ферментации 20—31 % и биологических потеряхсухой массы около 30%.

20.5. Получение биогаза из отходов ферм

Как известно, проблема отходов ферм состоит в том, что навоз как ор-ганическое удобрение расходуется только периодически и поэтому на-капливается у ферм, где занимает большие площади, выделяет дурнойзапах, загрязняя атмосферу, а порой, находясь в сильно разбавленномвиде, просачивается из хранилищ в почву и далее попадает в водоемы,вновь нанося вред окружающей среде. Навоз, кроме того, является ис-точником возбудителей инфекционных болезней и паразитов.

Практика переработки промышленных, коммунальных исельскохозяйственных отходов базируется на использовании какаэробных, так и анаэробных микробных процессов. При аэробномпроцессе разложения органического вещества можно получить мик-робную биомассу кормового назначения в виде ила (однако имеетместо потеря азота до 40%).

В случае анаэробной переработки отходов из органическихвеществ в конечном счете образуется смесь газов — метан, СО2, Н2

и др. В биогаз во время так называемого метанового брожения1 пре-вращается 30—50% органического вещества. Если процесс броже-

1 Метановое брожение — устойчивое словосочетание, традиционноиспользуемое в биотехнологии и ряде других отраслей, под которым подра-зумевается процесс анаэробной переработки органического вещества. Онпредставляет собой совокупность различных микробиологических процес-сов, в том числе ряда брожений. Однако конечная стадия этого процесса —образование метана, — строго говоря брожением не является.

Следует также отметить, что образующие метан прокариоты — мета-ногены — относятся к архебактериям, или по новой классификации — к ар-хеям (домен Archaea), в не к истинным бактериям (домен Bacteria). Поэтомусегодня микробиологи вынуждены избегать традиционного словосочетания«метанобразующие бактерии», заменяя его менее привычными терминами«метаногены», «метанобразующие организмы» и т. д. (При использованииже названий «архебактерии» и «эубактерии» термин «метанобразующие бак-терии» имеет право на существование.) (Прим. ред.)

1 3 Микробиология 385

ния проводится в термофильных условиях (при 55—57 °С), то одно-временно достигается обезвреживание субстрата (погибают патоге-ны и паразиты животных).

Некоторыми исследователями предлагается метановое броже-ние сочетать с аэробной ферментацией, чтобы помимо биогаза по-лучать большой выход богатой белком микробной биомассы. Обога-щенная соломой бражка метанового брожения навоза подвергаетсяаэробной ферментации при помощи микромицета Chaetomium cellu-lolyticum.

Микрофлора анаэробного метанового брожения. Метано-вое брожение является строго анаэробным процессом и осуществля-ется сложными микробными ассоциациями. На сегодняшний деньизвестно более 20 видов метанобразующих микроорганизмов, илиметаногенов, с различной морфологией: округлые, палочковидные,ланцетовидные, в виде спирали, образующие длинные нити и соеди-нения клеток наподобие сарцин. Их относят к архебактериям (родыMethanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, Methanosarcina и др.).

Все известные метанобразующие организмы могут получатьэнергию в результате окисления Н2, используя в качестве акцептораэлектронов СО2. В результате СО2 восстанавливается до СН4. Пред-ставители отдельных родов могут использовать еще два субстрата —метанол и ацетат. Поэтому для того чтобы метаногены могли осу-ществить терминальный этап анаэробного разложения субстрата,необходима его предварительная подготовка: сложные соединениянужно превратить в простые, которые являются непосредственнымипредшественниками метана в среде. П е р в а я стадия метановогоброжения — кислотная, осуществляемая представителями Enterobac-teriaceae, Clostridiaceae, Lactobacillaceae, Streptococcaceae, приводитк образованию летучих органических кислот, формиата, ацетата,пропионата, бутирата, молочной и янтарной кислот, низших спир-тов, альдегидов и кетонов, а также Н2 и СО2. Вторая стадия осу-ществляется Synthrophobacter и Synthrophomonas. Третья стадия —метаногенная — превращение Н2 и уксусной кислоты в метан:

CH3COOH > СН4 + СО2

СО2 + 4Н2 > СН4 + 2Н2О

Основным продуктом первичного брожения в метантенкахявляется ацетат. Из ацетата в метантенках образуется в среднем до73% СН4. Водородный путь дает до 30% метана. Таким образом, приметановом брожении в данной экосистеме должны присутствоватьмикроорганизмы тех ассоциаций, которые превращают первичныепродукты брожения в ацетат, СО2 и Н2.

Биотехнология метанового брожения. В биотехнологии получе-ния биогаза из отходов ферм должны учитываться особенности метановогоброжения. Большое влияние на метановое брожение оказывают температу-

386

ра, рН, состав среды и наличие в ней ингибиторов (мономеры, кислоты),концентрация и размеры твердых частиц, гидродинамические условия вферментационной среде и другие факторы.

Наиболее существенное влияние на газовыделение оказывает темпе-ратура. Выявлено, что оптимальная температура для максимального метано-образования составляет 54—56 °С. Термофильный процесс к тому же обес-печивает исчезновение бактерий группы Е. coli, что очень важно с точкизрения обезвреживания навоза.

Несмотря на сложность метанового брожения, существует еще рядметодов интенсификации процесса.

Аппараты и технологические схемы. Биогазовые реакторы мож-но условно разделить на однокорпусные («сельские») неинтенсивные, бездополнительного оборудования для подогрева и перемешивания, и на инду-стриальные с устройствами для перемешивания и системой управления про-цессом.

Однокорпусные («сельские») реакторы имеют объем в несколько ку-бометров и в основном работают в квазинепрерывном мезофильном (30—38°) режиме.

Вертикальные цилиндрические реакторы с верхней и нижней конус-ной частью широко применяются в коммунальном хозяйстве, изготавли-ваются из бетона или металла и достигают объема нескольких тысяч кубо-метров.

Более интенсивно метановое брожение идет в двухступенчато1!! систе-ме, состоящей из двух реакторов. Чтобы увеличить концентрацию биомассыв первом аппарате, работающем в интенсивном режиме, во втором реактореосуществляется разделение твердого вещества и активной микрофлоры,часть этой массы возвращается в первый реактор.

В ряде стран с теплым климатом широкое применение нашли мало-габаритные биогазовые установки различных конструкций объемом от 1—2до 50 м3. В Китае, Индии, Корее, Индонезии действуют несколько миллио-нов таких установок. В них процесс метанового брожения одноступенчатый.Биогазовые установки применяются для трех основных целей: получениебиогаза как источника энергии; получение высокоэффективных органиче-ских удобрений; охрана окружающей среды.

Большинство исследователей считают, что биогазовые установки прифермах решают проблему защиты окружающей среды, и это, наверное, са-мое главное.

20.6. Силосование кормов как метод анаэробнойбиоконверсии

Силосование, или заквашивание, — способ консервирования зелено-го корма, при котором растительную массу хранят во влажном со-стоянии в ямах, траншеях или специальных сооружениях — силос-ных башнях. Корм, более или менее спрессованный и изолирован-ный от доступа воздуха, подвергается брожению, приобретаеткислый вкус, становится мягче, несколько изменяет цвет (бурая ок-раска), но остается сочным.

387

Способы силосования кормов. Силосование имеет ряд пре-имуществ по сравнению с другими методами консервирования кор-ма. Известны два способа силосования: холодный и горячий. Прихолодном с п о с о б е силосования созревание силоса идет приумеренном повышении температуры, доходящем в некоторых слояхкорма до 40 °С; оптимальной температурой считается 25—30 °С.При таком силосовании скошенную растительную массу, если нуж-но, измельчают, укладывают до отказа в кормовместилище, утрам-бовывают, сверху как можно плотнее укрывают для изоляции отвоздуха.

При горячем с п о с о б е силосное сооружение заполняютпо частям. Зеленую массу на один-два дня рыхло укладывают слоемоколо 1—1,5 м. При большом количестве воздуха в ней активизиру-ются микробиологические и ферментные процессы, в результате че-го температура корма поднимается до 45—50 °С. Затем укладываютвторой слой такой же толщины, как и первый, и он, в свою очередь,подвергается разогреванию.

Растения, находящиеся внизу и размягченные под влияниемвысокой температуры, спрессовываются под тяжестью нового слоякорма. Это вызывает удаление воздуха из нижнего слоя силоса, от-чего аэробные процессы в нем прекращаются и температура начи-нает снижаться.

Так слой за слоем заполняют все силосохранилище. Самыйверхний слой корма утрамбовывают и плотно прикрывают для за-щиты от воздуха. В связи с тем что силосохранилище при горячемспособе силосования обычно делают небольших размеров, на верх-ний слой силосуемого корма помещают груз.

Разогревание растительной массы связано с потерей иногдазначительной части питательных веществ корма. В частности, резкоуменьшается переваримость белков. Поэтому горячее силосованиене может считаться рациональным способом сохранения раститель-ной массы. Общие потери сухих веществ корма при холодном сило-совании не должны превышать 10—15%, во втором достигают 30%и более.

Холодный способ силосования наиболее распространен, чтообъясняется как сравнительной его простотой, так и хорошим каче-ством получающегося корма. Горячий способ силосования допус-тим лишь для квашений грубостебельных, малоценных кормов, ко-торые после разогревания лучше поедаются скотом.

Силосование связано с накоплением в корме кислот, обра-зующихся в результате сбраживания микробами-кислотообразовате-лями содержащихся в растениях сахаристых веществ. Основнуюроль в процессе силосования играют молочнокислые бактерии, про-дуцирующие из углеводов (в основном из моно- и дисахаридов) мо-лочную и частично уксусную кислоты. Данные кислоты приятны на

388

вкус, хорошо усваиваются организмом животного и способствуютвозбуждению аппетита. Молочнокислые бактерии снижают реак-цию среды корма до рН 4,2—4,0 и ниже.

Накопление молочной и уксусной кислот в силосе обусловли-вает его сохранность, так как гнилостные и прочие нежелательныедля силосования бактерии не способны размножаться в среде с кис-лой реакцией (ниже рН 4,5—4,7). Сами же молочнокислые бактерииотносительно устойчивы к кислотам. Переносящие сильное подкис-ление плесневые грибы относятся к строгим аэробам и в хорошо ук-рытом заквашиваемом корме размножаться не могут.

Таким образом, герметизация и кислотность силоса — глав-нейшие факторы, определяющие его стойкость при хранении. Сни-жение по тем или иным причинам кислотности корма неминуемоведет к его порче.

Для нормального силосования различных кормов требуетсянеодинаковое подкисление. Иногда при содержании молочной кис-лоты 0,5% корма снижается до 4,2, т. е. до показателя, свойственного хорошему силосу. В других случаях для этого требуется 2% той жекислоты. Такое колебание зависит от различного проявления бу-ферных свойств некоторых составных частей растительного сока.

Механизм действия буферов заключается в том, что в их при-сутствии значительная часть ионов водорода нейтрализуется. Поэтому,несмотря на накопление кислоты, реакция среды почти не снижаетсядо тех пор, пока не израсходован весь буфер. В силосе образуется запастак называемых связанных буферами кислот. Роль буферов могут иг-рать различные соли и некоторые органические вещества (например,протеины), входящие в состав растительного сока.

Более буферный корм для получения хорошего силоса должениметь больше Сахаров, чем менее буферный. Следовательно, силосу-емость растений определяется не только богатством их сахарами, нои специфическими буферными свойствами. Основываясь на буфер-ности сока растений, можно теоретически вычислить нормы сахара,необходимые для успешного силосования различного растительногосырья.

Буферность сока растений находится в прямой зависимостиот количества в них белков. Поэтому большинство бобовых расте-ний трудно силосуется, так как в них относительно мало сахара (3—6%) и много белка (20—40%). Прекрасная силосная культура — ку-куруза. В стеблях и початках ее содержится 8—10% белка и около12% сахара. Хорошо силосуется подсолнечник, в котором многобелка (около 20%) и достаточно углеводов (более 20%). Приведен-ные показатели рассчитаны на сухое вещество.

Зная буферность корма и его химический состав, можно ре-шить вопрос о силосуемости того или иного растения. В основномсилосуемость связывают с запасом моно- и дисахаридов, дающих

389

необходимое подкисление. Минимальное их содержание для дове-дения значения реакции среды корма до рН 4,2 может быть названосахарным минимумом. По данным А. А. Зубрилина, если корм содер-жит больше сахара, чем показывает вычисленный сахарный мини-мум, он будет хорошо силосоваться.

Технически определить сахарный минимум несложно. Титро-ванием устанавливают необходимое количество кислот для подкис-ления пробы исследуемого корма до рН 4,2. Затем определяют ко-личество простых Сахаров в корме. Допуская, что около 60% Сахаровкорма превращается в молочную кислоту, нетрудно рассчитать, хва-тает ли имеющегося сахара для должного подкисления корма.

Для улучшения силосуемости корма с низким содержаниемуглеродов его смешивают с кормами, содержащими много сахара.Можно улучшить состав силосуемого корма, добавив к нему по оп-ределенному расчету патоку-мелассу. В некоторых кормах слишкоммного углеводов. При силосовании в таком случае возникает избы-точная кислотность (явление перекисления силоса). Слишком кис-лый корм животные поедают неохотно. Для борьбы с перекислени-ем силоса корма, содержащие много сахара, смешивают с кормами,в которых мало углеводов. Кислый корм может быть нейтрализовандобавкой СаСО3.

В процессе квашения некоторая часть белка превращается ваминокислоты. Подобная трансформация в основном связана с де-ятельностью ферментов растительных тканей, а не бактерий. По-скольку аминокислоты животные усваивают хорошо, частичный пе-ревод протеинов в аминокислоты не должен сказываться на умень-шении кормовых достоинств силосуемой массы. Глубокого распадабелка с образованием аммиака в хорошем силосе не бывает. Во вре-мя силосования происходит частичная потеря витаминов в закваши-ваемой массе, но, как правило, значительно меньшая, чем при суш-ке сена.

Микрофлора силоса. Среди молочнокислых бактерий силосаимеются кокки и неспорообразующие палочки: Streptococcus lactis,S. thermophilus, Lactobacillus plantarum, L. brevis, являющиеся анаэро-бами.

На характере продуктов, образуемых молочнокислыми бакте-риями, сказываются не только биохимические особенности той илииной культуры, но и вид углевода. Например, если сбраживается негексоза, а пентоза, то один продукт брожения имеет три атома угле-рода, а другой только два (первое вещество — молочная кислота,второе — уксусная):

6С5Н10О5 > 8С3Н6О3 + ЗС2Н4О2

Пентоза Молочная Уксуснаякислота кислота

390

В растительном сырье имеются пентозаны, дающие при гид-ролизе пентозы. Поэтому даже при нормально идущем созреваниисилоса в нем обычно накапливается некоторое количество уксуснойкислоты, которая также образуется некоторыми другими молочно-кислыми бактериями из гексоз.

Большинство молочнокислых бактерий живут при температу-ре 7—42 °С (оптимум около 25—30 °С). Отдельные культуры прояв-ляют активность при низких температурах (около 5 °С). Отмечено,что при разогревании силоса до 60—65 °С в нем накапливается мо-лочная кислота, которую продуцируют некоторые термотолерант-ные бактерии, например Bacillus subtilis.

В силосе могут развиваться кислотоустойчивые дрожжи, не ока-зывающие вредного влияния на качество корма. В правильно зало-женной заквашиваемой массе дрожжи активно не размножаются.Это объясняется тем, что они не могут расти при низком уровне окис-лительно-восстановительного потенциала, создаваемого в силосе мо-лочнокислыми бактериями. Критические точки rН2 для масляно-кис-лых бактерий — около 3, для молочнокислых бактерий — 6—9, длядрожжей — 12—14.

Развитие маслянокислых бактерий связано со следующими ихособенностями. Эти бактерии более строгие анаэробы, чем молоч-нокислые бактерии, но неустойчивы к высокой кислотности и пре-кращают расти при реакции среды, близкой к рН 4,7—5,0, как ибольшинство гнилостных бактерий. Накопление масляной кислотынежелательно, так как она имеет неприятный запах и содержащийее корм скот поедает плохо. При подобном брожении корма кромемасляной кислоты накапливаются амины, аммиак и другие вредныепродукты.

В растительной массе, заложенной в силос, могут быть бакте-рии кишечной группы. Они вызывают гнилостный распад белка,а сахар превращают в малоценные для консервирования продукты.При нормально протекающем силосовании бактерии кишечнойгруппы быстро отмирают, так как они некислотоустойчивы.

Фазы созревания силоса. Рассмотрим динамику созреваниясилоса. Процесс квашения можно условно разбить на т р и фазы.

П е р в а я ф а з а созревания заквашиваемого корма характе-ризуется развитием смешанной микрофлоры. На растительной мас-се начинается бурное размножение разнообразных групп микроор-ганизмов, внесенных с кормом в силосное помещение. Обычнопервая фаза брожения бывает кратковременной. Окончание первой,или п р е д в а р и т е л ь н о й , фазы брожения связано с подкислени-ем среды, угнетающей деятельность большей части микрофлорыкорма. К этому времени в силосе устанавливаются анаэробные ус-ловия, так как весь кислород уже израсходован аэробами.

391

лочнокислыми бактериями. Особенно целесообразно внесение за-квасок при работе с трудносилосуемым материалом.

Предложена технология приготовления и использования бак-териальных заквасок, улучшающих качество корма. В большинст-ве случаев рекомендуют использовать молочнокислую бактериюLactobacillus plantarum. Иногда к ней добавляют другого возбудителямолочнокислого брожения. Готовят как жидкие, так и сухие за-кваски. Данный микроорганизм в отличие от других молочнокис-лых бактерий может сбраживать не только простые углеводы, нои крахмал.

Предлагают также добавлять в силосуемую массу, бедную мо-носахаридами, ф е р м е н т н ы е п р е п а р а т ы (мальтаза, целлюла-за), разлагающие полисахариды и обогащающие корм сахарами, до-ступными молочнокислым бактериям.

При силосовании кормов с большим запасом углеводов, на-пример кукурузы, образуется слишком кислый корм, что нежела-тельно. Поэтому в таких случаях готовят з а к в а с к у из п р о п и о -н о в о к и с л ы х бактерий. При ее использовании часть молочнойкислоты превращается в пропионовую и уксусную кислоты, кото-рые слабо диссоциируют. В результате корм становится менее кис-лым. Пропионовокислые бактерии полезны еще и тем, что выраба-тывают значительное количество витамина В12.

Для улучшения силосуемости труднозаквашиваемых кормовиспользуют п р е п а р а т милазы. Указанный фермент участвуетв превращении крахмала в мальтозу, что увеличивает резерв саха-ров, доступных молочнокислым бактериям, и усиливает подкисле-ние корма.

Рекомендованы также буферные к и с л о т н ы е смеси,в состав которых входят разные м и н е р а л ь н ы е кислоты. С ус-пехом используют о р г а н и ч е с к и е кислоты, например муравьи-ную.

Кислотные препараты пригодны для труднозаквашиваемыхкормов. Их введение в силосуемый корм подавляет развитие сап-ротрофной микрофлоры первой фазы брожения, а снижение реак-ции среды до рН 4 не препятствует развитию молочнокислыхбактерий, которые поддерживают кислотность корма на низкомуровне.

Для консервирования плохо заквашиваемых кормов пригоднытакже препараты, содержащие формиат кальция, метабисульфит,пиросульфит натрия, сульфаминовую, бензойную, муравьиную кис-лоты и другие вещества, п о д а в л я ю щ и е п о б о ч н ы е мик-р о б и о л о г и ч е с к и е п р о ц е с с ы в силосуемом корме и сохра-няющие его.

Другие способы микробиологического консервированиякормов. Изложенные выше сведения относятся к консервирова-

393

Во второй фазе — фазе главного б р о ж е н и я — ос-новную роль играют молочнокислые бактерии, продолжающие под-кислять корм. Большинство неспорообразующих бактерий погибает,но бациллярные формы в виде спор могут длительное время сохра-няться в заквашенном корме. В начале второй фазы брожения в си-лосе обычно преобладают кокки, которые позднее сменяются па-лочковидными молочнокислыми бактериями, отличающимисябольшой кислотоустойчивостью.

Третья фаза б р о ж е н и я корма — к о н е ч н а я — связанас постепенным отмиранием в созревающем силосе возбудителеймолочнокислого процесса. К этому времени силосование подходитк естественному завершению. Быстрота подкисления корма зависитне только от количества углеводов в нем, но и от структуры рас-тительных тканей. Чем быстрее отдают растения сок, тем скорееидет процесс квашения при одних и тех же условиях. Быстроте за-квашивания способствует измельчение массы, облегчающее отделе-ние сока.

О качестве силосованного корма можно судить по составу ор-ганических кислот, накопившихся при брожении (табл. 23).

Т а б л и ц а 23Примерное соотношение кислот в силосе разного качества

Качество силоса Значение рН Соотношение кислот

Очень хорошее 4,2 и ниже Молочная — 60% и более, уксусная —40% и менее, масляная — 0

Хорошее 4,5 и ниже Молочная — 40—60%, уксусная —

60—40%, масляная — 0 (или следы)

Среднее Около 4,5 То же, но масляная — до 0,2%

Плохое Выше 4,7 Молочная — мало, масляная —значительно

Очень плохое Выше 5,5 Преобладают летучие кислоты,в том числе и масляная

Регулирование процесса силосования. Для регулированияпроцесса силосования существует несколько приемов. Среди них от-метим использование з а к в а с о к м о л о ч н о к и с л ы х б а к т е р и й .Указанные микроорганизмы находятся на поверхности растений, нов небольшом количестве. Поэтому требуется определенный срок,в течение которого молочнокислые бактерии усиленно размножают-ся, и только тогда заметно проявляется их полезная деятельность.Данный срок можно сократить, искусственно обогащая корм мо-

392

нию кормов, имеющих нормальную влажность (около 75%). Привлажности консервируемой массы 50—65% происходит хорошаяферментация даже при дефиците углеводов и получается кормвысокого качества — сенаж. При этом реакция среды корма мо-жет быть довольно высокой — около 5, так как гнилостные бакте-рии обладают меньшим осмотическим давлением, чем молочнокис-лые.

При подсушивании корма в нем приостанавливаются гнило-стные процессы, но продолжают действовать возбудители молочно-кислого брожения. На этом основано приготовление сенажа, во вре-мя которого несколько подсушенную массу закладывают для кон-сервирования, как при холодном силосовании.

В клевере, влажность которого составляет 50% и ниже, такжеразвиваются микробиологические процессы. Они протекают темслабее, чем суше корм. Доминирующей микрофлорой в консерви-руемом корме очень быстро становятся молочнокислые бактерии.Данная группа довольно специфичных микроорганизмов близкак Lactobacillus plantarum, но отличается способностью расти в усло-виях значительно более сухой среды и сбраживать крахмал. Разви-тие указанных микроорганизмов в корме приводит к накоплению внем некоторого количества молочной и уксусной кислот. По типусенажирования хорошо сохраняются и предназначенные на кормизмельченные початки кукурузы с влажностью 26—50% (оптимум30-40%).

В последнее время рекомендовано обрабатывать недосушен-ное сено (влажностью около 35%) жидким аммиаком, который дей-ствует как консервант. При введении аммиака в корме создаетсящелочная реакция, блокирующая микробиологические и фермент-ные процессы. После обработки аммиаком корм укрывают изоляци-онным материалом.

Некоторые технологические приемы консервирования кормовоснованы на принципах, исключающих развитие в корме микро-биологических и ферментативных процессов. Например, произ-водство травяной муки, гранулирование, брикетирование и изготов-ление смесей идут с применением высоких температур, а иногда ивысокого давления.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие процессы используют при подготовке кормов к хранению? 2. Жиз-недеятельность каких бактерий обусловливает силосование зеленого корма?3. Чем различается деятельность гомоферментативных и гетерофермента-тивных форм бактерий? 4. Какие условия определяют характер продуктов,образуемых молочнокислыми бактериями?

394

Микробиологическаятрансформация отходовагропромышленного комплекса 1

2 1 . 1 . Аэробная микробиологическая очистка сточных вод

При рассмотрении экологических проблем необходимо учитывать,что важной составной частью современной микробиологии и био-технологии является очистка воды от загрязнений и утилизация все-возможных отходов агропромышленного комплекса. Несмотря напостоянное совершенствование химической очистки сточных вод,микробиологическая очистка сельскохозяйственных стоков перед ихсливом в водоем является совершенно необходимой. Методы такойочистки основаны на использовании специфических биологическихсообществ — активного ила, для глубокой утилизации как органиче-ских, так и неорганических загрязнений, оставшихся в воде послеосуществления всех других возможных вариантов ее очистки.

Необходимо подчеркнуть, что применение живого консорци-ума — активного ила — для удаления примесей из воды основано науникальной способности микроорганизмов утилизировать не толькоте субстраты, которые для них оптимальны и таким образом привыч-ны, но и огромное количество других веществ, в том числе (что осо-бенно важно) синтетических, созданных человеком искусственно ипоэтому отсутствовавших ранее в природе. Понятно, что из-за частоменяющегося состава сточных вод необходимо использовать для ихочистки сложные сообщества микроорганизмов, включающие бакте-рии, водоросли, простейшие, которые путем согласованного метабо-лизма с большей или меньшей скоростью поглощают примеси из во-ды. Следствием этого, в частности, является и необходимость ихадаптации к составу воды и даже к микрофлоре окружающей среды.Поэтому в каждом конкретном очистном сооружении эксплуатиру-ется активный ил определенного индивидуального состава.

Общие показатели загрязненности сточных вод. Под каче-ством воды понимают совокупность ее характеристик и свойств,обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней ве-ществ.

В связи с невозможностью индивидуального аналитическогоопределения всех присутствующих в сточной воде соединений при-

1 Данная глава построена на материале, более сложном, чем основ-ной текст учебника, и может быть рекомендована подготовленному читате-лю — студентам старших курсов, аспирантам и т. д.

395

бегают к суммарной оценке их содержания. К общим показателямзагрязненности сточных вод следует отнести те, которые характери-зуют общие свойства воды: органолептические; физико-химические;содержание нерастворимых примесей (взвешенных веществ) илизольность; концентрацию растворенных веществ (общее содержаниеорганических и неорганических примесей); органический углерод;перманганатную и дихромную (бихроматную) окисляемость (хими-ческое потребление кислорода — ХПК). Совокупность этих показа-телей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предло-жить наиболее эффективный способ их очистки.

Следует, однако, отметить, что часто в сточных водах могутприсутствовать химические соединения, которые даже в незначитель-ных количествах сильно влияют как на свойства воды, так и на воз-можность очистки данного вида стоков. В подобных случаях необхо-дим более детальный анализ состава сточной воды с выяснением нетолько концентраций тех или иных соединений, но и более полнымопределением качественного и количественного состава загрязнений.

Определение таких показателей, как органолептические (цвет,вид, запах, прозрачность, мутность), оптическая плотность, цветность,рН, температура и т. д., не вызывает каких-либо трудностей экспе-риментального или методического характера. Значительно сложнееопределить общее содержание органических веществ в сточной во-де, которое необходимо знать для контроля работы очистных соору-жений, повторного использования сточных вод в технологическихпроцессах, выбора методов очистки и доочистки, определенияокончания процесса очистки, а также для оценки возможностисброса воды в водоемы.

Из большого числа способов, применяемых для определениясодержания органических веществ, приведем два, наиболее широкоиспользуемых при проведении процессов биологической очисткисточных вод: химическое потребление кислорода (ХПК)1 и биологиче-ское потребление кислорода (БПК)2.

1 Химическое потребление кислорода (ХПК). Методика основана наокислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25%-ным раство-ром дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50%-ном (пообъему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических ве-ществ применяется катализатор — сульфат серебра. Многочисленные иссле-дования показали, что большинство органических соединений в таких усло-виях окисляются до Н2 и СО2, однако ряд соединений (пиридин, бензол иего гомологи, нафталин) в этом режиме окисляются не полностью. Тем неменее дихромный метод имеет широкое применение.

2 Биохимическое потребление кислорода (БПК). Измеряется количест-вом кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном био-логическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах, при стан-дартных условиях за определенный интервал времени.

396

Измерения БПК выполняют следующим образом: в гермети-ческий сосуд (ферментер) помещают определенное количествоисследуемой сточной воды, которую засевают микроорганизмами.В процессе культивирования регистрируется изменение количествакислорода, использованного на окисление соединений, присутст-вующих в сточных водах. В зависимости от длительности культи-вирования различают биохимическое потребление кислорода за 5,20 суток и полное окисление; эти показатели условно обозначаютсякак БПК5; БПК20; БПКn.

Измерение БПК5 целесообразно проводить для стоков, содер-жащих легкоусвояемые загрязнения — углеводы, низшие спирты.Для стоков химических производств, включающих большой спектрорганических загрязнений, лучше определять БПКn.

Особое значение при измерении БПК имеют количество и со-став микроорганизмов. Оптимальным вариантом при этом являетсяиспользование микрофлоры из уже работающих биологических сис-тем, адаптированной именно к данному спектру загрязнений. Коли-чество вносимой микрофлоры должно соответствовать ее концент-рации в работающих очистных сооружениях.

Цель очистки производственных сточных вод — удаление изних взвешенных и растворимых органических и неорганических со-единений до концентраций, которые не превышают заранее рег-ламентированные (ПДК). В зависимости от характера загрязненийи их концентраций возможно применение различных способов очи-стки сточных вод. Наиболее распространены: механические (отста-ивание, фильтрование); механофизические (коагуляция, нейтрализа-ция с последующим отстаиванием); физико-химические (ионный об-мен, сорбция); термические; биохимические.

Каждый из перечисленных способов имеет преимуществаи недостатки, свою область применения, поэтому чаще всего поль-зуются несколькими способами очистки, что позволяет более полноизвлекать загрязнители.

Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод.Существуют две большие группы аэробных процессов биоочистки:экстенсивные и интенсивные. К э к с т е н с и в н ы м относятся ме-тоды, непосредственно не связанные с управляемым культивирова-нием микроорганизмов: поля орошения, поля фильтрации; биопру-ды. Микроорганизмы, находящиеся в верхних слоях почвы полейорошения и фильтрации или в воде биопрудов, образуют ценозы,за счет деятельности которых и происходит очистка воды.

В основе и н т е н с и в н ы х с п о с о б о в лежит деятельностьактивного ила или биопленки, т. е. естественно возникающего био-ценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в за-висимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки.Формирование биоценоза — процесс достаточно длительный и иду-

397

щий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных ап-паратах: аэротенках, биофильтрах.

Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопьяразмером до нескольких сотен микрометров; микроскопия показа-ла, что он состоит на 70% из живых организмов и около 30% состав-ляют твердые частицы неорганической природы.

Живые организмы вместе с твердым носителем, к которомуони прикреплены, образуют зооглей — симбиоз популяций организ-мов, покрытый общей слизистой оболочкой. Причины возникнове-ния хлопьев активного ила не совсем понятны, зооглей может фор-мироваться за счет флокуляции или адгезии клеток на поверхностиносителя. Взаимодействие микроорганизмов в пределах одного зоо-глея достаточно сложно, и основой его служат, по всей видимости,симбиотические связи организмов разных популяций.

Соотношение капсульных и бескапсульных форм клеток в иленазывается коэффициентом зооглейности К2

Микроорганизмы, выделенные из активного ила,относятся к различным родам: Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus,Corynebacterium, Desulfotomaculum, Micrococcus, Pseudomonas, Sarcinaи др. Наиболее многочисленны бактерии рода Pseudomonas. Ониокисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические уг-леводороды, углеводы и др. Широко представлены в активном илеи бактерии родов Flavobacterium, Achromobacter, Mycobacterium (вы-делено 30 видов), которые осуществляют деградацию нефти, пара-финов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот. Алифати-ческие углеводороды окисляются представителями рода Bacillus.Окислительная способность перечисленных микроорганизмов дляразличных органических соединений различна, и лишь для бакте-рий рода Pseudomonas она практически одинакова для разных видовзагрязнений.

В зависимости от внешней среды, которой в данном случаеявляется сточная вода, та или иная группа бактерий может оказать-ся преобладающей, а остальные становятся спутниками основнойгруппы.

При изменении состава сточной воды может увеличиться чис-ленность одного из видов микроорганизмов, однако другие культу-ры, проигрывающие в конкурентной борьбе за субстрат, все равноостаются в составе биоценоза. На взаимоотношения микроорганиз-мов ила влияют и продукты биосинтеза различных групп: возможенне только симбиоз или антагонизм микроорганизмов, но также ивзаимодействие их по принципу аменсализма, комменсализма илинейтрализма. На формирование ценозов активного ила могут ока-зывать влияние сезонные колебания температуры (ведущие к преоб-ладанию психрофильных форм микроорганизмов в зимний период),398

обеспеченность кислородом и присутствие в сточных водах мине-ральных компонентов.

Роль всех этих параметров при формировании активного иладелает процесс достаточно сложным и практически не воспроизво-димым: даже для стоков, имеющих одинаковый состав, но возни-кающих в разных регионах, невозможно получить одинаковые био-ценозы активного ила. Существенная роль в создании и функци-онировании консорциума клеток принадлежит п р о с т е й ш и м .

Функции простейших достаточно многообразны: сами они непринимают непосредственного участия в потреблении органическихвеществ, но регулируют видовой и возрастной состав микроорганиз-мов в активном иле, поддерживая его на оптимальном уровне. По-глощая большое количество бактерий, простейшие способствуютвыходу значительного количества бактериальных экзоферментов,которые могут концентрироваться в слизистой оболочке и прини-мать участие в деструкции загрязнений. В активных илах встречают-ся разнообразные простейшие: саркодовые (Sarcodina); жгутиковые(Mastigophora); ресничные инфузории (Ciliata); сосущие инфузории(Suctoria).

Простейшие выбирают из смешанной культуры бактерийлишь те виды, которые они усваивают. Одна инфузория пропускаетчерез свой организм от 20 до 40 тыс. бактерий за сутки.

Поедание старых ослабленных форм облегчает размножениеоставшихся и приводит к появлению большого количества молодых,биологически активных форм. При хорошей работе очистных со-оружений представители класса саркодовых (амебы рода Amoeba)развиваются в активных илах в незначительных количествах.

В активных илах высокого качества на 1 млн клеток бактерийдолжно быть 10—25 клеток Protozoa. Это соотношение называетсякоэффициентом протозойности Кр. Скорость биохимического окис-ления растет с увеличением значения Kz и Кр. Следует отметить, чтопростейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водахнебольших концентраций определенных органических веществ: так,фенол и формальдегид уже в незначительных концентрациях угне-тают их развитие.

В активном иле идентифицированы бактерии множества раз-личных видов, но, как правило, их определение до вида не пред-ставляет большого интереса. Следует выделить три основные груп-пы: флокулообразующие бактерии; органотрофные нитчатые бакте-рии; бактерии-нитрификаторы.

Ф л о к у л о о б р а з о в а т е л и необходимы не только для дегра-дации органических веществ (определяемых как биохимическая по-требность в О2 — БПК), но и для образования стабильных флокул,которые способны быстро осаждаться с образованием плотного илав отстойнике.

399

Н и т р и ф и к а т о р ы превращают аммонийный азот в нитра-ты. Эти бактерии необходимы, если процесс направлен на получе-ние выходных стоков с низкой концентрацией аммонийного азота.

Нитчатые б а к т е р и и представляют собой до некоторойстепени аномалию. С одной стороны, известно, что они образуютскелет, вокруг которого формируются флокулы, с другой — являют-ся источником двух проблем — плохого осаждения и образованияустойчивой пены.

Простейшие потребляют бактерии и обеспечивают низкуюмутность выходных стоков. Всего было идентифицировано около200 видов простейших, но именно инфузории, в частности кругло-ресничные (прикрепленные к субстрату), такие как сувойки (Vorti-cella) и Opercularia, имеют наибольшее значение. Применительнок илу термин «активный» означает, что биомасса:

• представляет собой микрофлору, содержащую все фермен-тативные системы, необходимые для деградации загрязне-ний, которые следует удалить;

• имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью;• способна образовывать стабильные флокулы, которые легко

осаждаются при отстаивании.Несколько иную картину представляет биоценоз, возникаю-

щий на биофильтрах. На поверхности загрузочного материалабиофильтра происходит образование биологической пленки: микро-организмы прикрепляются к носителю и заполняют его поверх-ность. В отличие от биоценоза активного ила, количественный ивидовой состав которого практически одинаков во всей системеочистки, на разных уровнях биофильтра создаются свои ценозымикроорганизмов, которые порой резко отличаются не только каче-ственным, но и количественным составом. Это вызвано тем, что помере прохождения сточной воды через биофильтр за счет жизнеде-ятельности предыдущего ценоза меняется характеристика органиче-ских загрязнений воды, попадающей на следующий уровень. Приэтом сначала потребляются более легкоусвояемые загрязнения ипреимущественно развивается микрофлора, усваивающая эти соеди-нения с большей скоростью.

В свою очередь, сточная вода обогащается продуктами жизне-деятельности этого ценоза. По мере дальнейшего продвижения во-ды происходит потребление все более трудноусвояемых компонен-тов смеси и, следовательно, развиваются другие организмы, которыефункционируют за счет потребления части биопленки, оторвавшей-ся с поверхности носителя. Созданный таким образом биоценозспособен практически полностью извлечь из сточной воды все орга-нические примеси.

Эффективного управления процессом биологической очисткиможно достичь лишь при правильном подборе параметров процесса,

400

обеспечивающих необходимую полноту извлечения загрязнений.Основные параметры, влияющие на биологическую очистку, тако-вы: температура; рН; количество растворенного кислорода; уровеньперемешивания; концентрация и возраст циркулирующего в очист-ных системах активного ила; наличие в воде токсичных соединений.

Техника аэробных способов очистки. Аэробный способ очис-тки сточной воды основан на использовании системы аэротенков(вторичных отстойников). Аэротенк — открытое железобетонное со-оружение, через которое пропускается сточная вода, содержащаяорганические загрязнения и активный ил.

Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего временинахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. В зависи-мости от способа смешения суспензии активного ила с очищаемойводой и гидродинамического режима движения суспензии активно-го ила аэротенки делятся на: аэротенк-вытеснитель; аэротенк-сме-ситель; аэротенк сложного типа.

В а э р о т е н к е - в ы т е с н и т е л е свежая порция активного илаи очищаемая вода одновременно подаются в аппарат и далее проис-ходит движение суспензии активного ила по аппарату в режиме,приближающемся к идеальному вытеснению.

В а э р о т е н к е - с м е с и т е л е активный ил и очищаемая сточ-ная вода поступают по всей длине аппарата одновременно и в аппа-рате создается режим, близкий к полному смешению, одновременноиз аппарата отводится суспензия активного ила. В аппаратах слож-ного типа на разных этапах очистки одновременно реализуетсяи режим смешения, и режим вытеснения.

Различия в гидродинамических режимах аэротенков в первуюочередь влияют на физиологическое состояние популяции микроор-ганизмов и, следовательно, на скорость и глубину потребления суб-страта, которым являются загрязнения из сточной воды. Развитиепопуляции микроорганизмов в аэротенке-вытеснителе происходитпо законам турбулентной культуры. Развитие микроорганизмов оп-ределяется законами периодического роста. Поступивший из вто-ричного отстойника активный ил имеет определенный исходныйсостав популяции: вначале, после контакта с очищаемой водой, раз-виваются те микроорганизмы, которые потребляют наиболее легко-усвояемые компоненты загрязнения. В результате концентрация за-грязнений в сточной воде по мере ее продвижения по аппарату снижа-ется и одновременно в активном иле увеличивается концентрациясоответствующих клеток. При достижении концентраций легкоусво-яемого компонента, лимитирующих рост, начинают потреблятьсядругие типы субстратов и преимущество в развитии получают дру-гие группы микроорганизмов. При снижении концентраций всехкомпонентов сточной воды до минимальных процесс развития по-

401

пуляции останавливается: видовой и количественный состав актив-ного ила возвращается к начальному состоянию. Такой процесс приего достаточной длительности позволяет практически полностьюизвлечь все загрязнения из сточной воды.

В аэротенке-смесителе сточная вода, попадая в аэротенк,практически мгновенно распределяется по объему, при этом кон-центрация загрязнений снижается до стационарных значений. Раз-витие популяции микроорганизмов в аэротенке-смесителе происхо-дит по тем же законам, что и развитие микробов в хемостате.

В а э р о т е н к а х с л о ж н о г о типа сочетаются оба способапроведения процесса.

Как правило, схема аэробной биологической очистки вклю-чает в себя следующие стадии: усреднение и осветление сточныхвод от механических примесей (усреднители, песколовки, отстойни-ки); аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод(аэротенки, генераторы активного ила, вторичные отстойники);доочистка сточных вод (биологические пруды, фильтровальныестанции); обработка осадков (иловые площадки, сушилки, печии т. д.).

На практике применяются одноступенчатые и многоступенча-тые системы биологической очистки. Сточные воды поступают в ус-реднитель, где происходит интенсивное перемешивание стоков сразличным качественным и количественным составом. Перемеши-вание осуществляется за счет барботажа воздуха. При очистке фе-кальных стоков и отходов нефтепереработки необходимым элементомочистных сооружений является система механической очистки —песколовки и первичные отстойники.

К системе биологической очистки относятся не только аэро-тенк и вторичный отстойник, но и р е г е н е р а т о р а к т и в н о г оила, который представляет собой часть аэротенка, куда подаетсятолько суспензия возвратного активного ила и не подается вода.

Очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются вовторичный отстойник, где происходит отделение активного ила отводы. Часть активного ила вновь возвращается в систему очистки,а избыточный активный ил, образовавшийся в результате ростамикробов, поступает на иловые площадки с последующим вывозомего после обезвоживания на поля.

Система более полной биологической доочистки может состо-ять из множества элементов, которые определяются дальнейшимназначением сточной воды. Возможно применение биологическихпрудов, где биологически очищенная вода проходит дальнейшее ос-ветление и насыщается кислородом. Часто вода осветляется с по-мощью различных механических систем, например песчано-гравий-ных фильтров, иногда воду хлорируют или озонируют.

402

Интенсификацию процессов биологической очистки можнопроводить путем аэрации суспензии активного ила чистым О2. Дляэтого были разработаны аппараты закрытого типа — окситенкис принудительной аэрацией сточной воды. В целом схема очисткистоков в окситенках практически не отличается от рассмотреннойобщей схемы аэробной очистки сточной воды.

Очистка сточной воды с использованием биофильтров. В от-личие от аэротенков в биофильтрах клетки микроорганизмов нахо-дятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к поверхно-сти пористого носителя. Образовавшуюся таким образом биопленкуможно рассматривать как иммобилизованные клетки, хотя в этомслучае иммобилизована не монокультура, а целый консорциум.Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на кото-ром иммобилизованы клетки, и за счет их жизнедеятельности про-исходит снижение концентрации загрязнителя.

Преимущество применения биофильтров состоит в том, чтоформирование конкретного биоценоза приводит к практическиполному удалению всех органических примесей. В качестве загру-жаемого твердого материала можно использовать керамику, щебень,гравий, керамзит, металлические и полимерные материалы с высо-кой пористостью. Существенным признаком конструкции являетсяи режим аэрации воды, по которому все биофильтры можно разде-лить на: аппараты с принудительной циркуляцией и аппараты с ес-тественной циркуляцией.

Технологические схемы с использованием биофильтров малоотличаются от схем очистки с применением аэротенков. Принципвытеснения жидкости с одновременной фиксацией клеток микроор-ганизмов в иммобилизованном состоянии положен и в основу рабо-ты аэротенков-вытеснителей с применением стеклоершей. Стекло-ерши погружают в аэрированную сточную воду, и на их поверхно-сти происходит накопление биоценоза активного ила. Последнийпри этом так же, как и при работе с биофильтрами, развивается накаждом участке ершей неодинаково и изменяется в объеме как ко-личественно, так и по качественному составу. Предполагается, чтотакая система найдет широкое применение в очистке локальныхстоков, под которыми понимают стоки производств с узким спект-ром загрязнений.

Экстенсивные способы очистки сточных вод. Несмотря наочевидную необходимость создания интенсивных методов биологи-ческой очистки водных выбросов, до сих пор широко применяютсяи э к с т е н с и в н ы е способы: биологические пруды, поля ороше-ния, поля фильтрации.

Пруды с искусственной или естественной аэрацией также от-носятся к сооружениям биологической очистки, в которых под воз-

403

действием биоценоза активного ила происходит окисление органи-ческих примесей. Помимо водорослей и бактерий, в прудах пред-ставлена микро- и макрофауна: простейшие, черви, коловратки,насекомые и др. Особую роль играют биопруды в процессах оконча-тельной очистки стоков после очистных сооружений, когда остаю-щиеся примеси осложняют процесс дальнейшей утилизации вод.Применение биопрудов позволяет практически полностью удалитьостаточные количества многих соединений.

Поля фильтрации и поля орошения также используются дляочистки сточных вод, при этом первые служат только для целейочистки, на них подается максимально возможное количество жид-кости. Поля орошения предназначены для выращивания сельскохо-зяйственных растений, и вода на них подается по мере необходимос-ти. Процесс самоочищения воды осуществляется в этих случаях засчет жизнедеятельности различных групп почвенных организмов —бактерий, микромицетов, водорослей, простейших, червей и чле-нистоногих: на поверхности почвенных комочков образуется био-пленка.

Решающим фактором, влияющим на формирование почвен-ного биоценоза, является структура почвы.

Существенную роль в процессах очистки сточных вод на по-лях фильтрации и орошения играют нитрификаторы. В летний пери-од на 1 га образуется до 70 кг нитратов, которые с током жидкостипоступают в нижние горизонты, где существуют анаэробные усло-вия. Восстановление нитратов денитрификаторами делает возмож-ным окисление сохранившихся в воде органических веществ. Хотядефицит площадей не позволяет в настоящем и будущем широкоиспользовать поля орошения и фильтрации, этот экстенсивныйспособ очистки сточных вод еще находит применение из-за своейпростоты.

21.2. Анаэробная микробиологическаяочистка сточных вод

Сравнение способов аэробной и анаэробной очистки. Из-вестно, что при выборе между аэробными и анаэробными способа-ми очистки сточных вод обычно склоняются в сторону первых, таккак эти системы признаны более надежными, стабильными, онилучше изучены. Однако анаэробные процессы очистки имеют своинесомненные преимущества. Во-первых, в анаэробных про-цессах образуется меньше ила, чем в аэробных. Переработка иламожет быть весьма дорогостоящей операцией из-за его высокойвлажности (90—97%). В аэробных процессах образуется от 1 до 1,5 кгбиомассы (ила), в то время как в анаэробных — только 0,1—0,2 кг на

404

каждый удаленный килограмм ВПК. Во-вторых, в анаэробныхпроцессах образуется метан (СН4), который может использоватьсякак горючее и, в-третьих, даже без учета использования метанав качестве источника энергии потребность в энергии на аэрациюв аэробных процессах очистки превышает потребность в энергии наперемешивание при анаэробных процессах.

Главный н е д о с т а т о к анаэробных систем — меньшая ско-рость реакции по сравнению с аэробными процессами, поэтомутребуются установки больших размеров.

Системы, использующие анаэробные процессы, стали извест-ны в Европе примерно 100 лет назад. Септиктенки представляли со-бой отстойники, в которых осевший ил подвергался анаэробнойдеградации. Качество отделения твердой фракции и сбраживанияила было улучшено с помощью перегородок, регулирующих направ-ление потока внутри отстойников. Впоследствии два этих процессабыли разделены и проводились в отдельных отстойниках. Анаэроб-ное сбраживание ила используется для улучшения качества удаляе-мого ила: уменьшения его массы и количества патогенных микроор-ганизмов в нем. Септиктенки эксплуатируются обычно при темпе-ратуре около 35 °С и с большим временем выдерживания (больше20 сут). При этом не делается попыток создать механизм, удержи-вающий биомассу на время, большее, чем время пребывания жид-кости.

Развитие быстрых анаэробных процессов требует не толькооптимизации условий анаэробной биодеградации, но и поддержа-ния высокой концентрации активной биомассы в аппарате. Это от-носится большей частью к анаэробным системам очистки сточныхвод, работающим в мезофильном интервале температур. Существу-ют также криофильные (работающие при температуре, не превы-шающей 20 °С) и термофильные (работающие при температуре 55 °Си выше) реакторы; большинство систем, работающих без обогрева(включая септиктенки), относятся к криофильным. Микробнаясмесь в любом реакторе отражает тип разлагаемой органики и ха-рактер условий в реакторе, включая такие, как концентрация пита-тельных веществ, перемешивание и тип вводного устройства.

Преобладающими видами в таких реакторах являются бакте-рии, однако в силу некоторой специфики продукты жизнедеятель-ности одних бактерий являются субстратом для других, и, следова-тельно, должен поддерживаться баланс между численностью бакте-рий и концентрацией субстрата.

На протяжении долгого времени для описания анаэробногопроцесса использовалась упрощенная модель, согласно которойсложные молекулы разлагаются до простых (в основном летучихжирных кислот) «кислотообразующими» бактериями, а эти проме-

405

жуточные соединения разлагаются до метана и СО2 «метанообра-зующими» бактериями. Биохимия этого процесса, оказавшегосязначительно сложнее, теперь изучена намного более детально. Важ-нейшими параметрами, регулирующими процесс, служат и проме-жуточные концентрации летучих жирных кислот.

Изучение термодинамики и кинетики анаэробного процессапоказало, что для обычных реакторов с мешалкой, в условиях отсут-ствия какого-либо удерживания биомассы или рециркуляции, ми-нимальное время пребывания жидкости в аппарате составляет 5 су-ток. В других системах можно уменьшить время пребывания жид-кости за счет увеличения времени пребывания биомассы свыше5 суток.

Микробиология анаэробной очистки сточных вод. Недавниеуспехи в изучении микробиологического и биохимического меха-низмов анаэробного сбраживания дают возможность оптимизацииуправления процессом, в частности предупреждения нестабильнос-ти в работе сбраживателя. Несмотря на развитие современной тех-нологии выделения и культивирования облигатных анаэробов и на-личие некоторых данных о составе микробных популяций в сбражи-вателях для городских и животноводческих стоков, о таксономииэтих микроорганизмов известно пока мало. Хотя биохимическиемеханизмы ферментации в смешанной культуре еще не вполне изу-чены, все лучшее понимание этих сложных взаимосвязей порождаетдоверие к широкомасштабному промышленному применению ана-эробного сбраживания загрязнений. Процессы, протекающие в ос-новном в бактериальной биомассе, включают конверсию сложныхорганических субстратов, таких как полисахариды, липиды и белки,в СН4 и СО2. Благодаря тому что бактериальное сообщество можетменять используемые пути ферментации, оно функционирует каксаморегулирующаяся система, поддерживающая значение рН, окис-лительно-восстановительного потенциала и термодинамическоеравновесие оптимальным для роста образом и, следовательно, обес-печивающая стабильность сбраживателя.

По своим пищевым потребностям эти бактерии могут бытьразделены на три обширные группы. П е р в а я включает гидролити-ческие бактерии-бродильщики, обычно называемые ацидогенньши,так как они обеспечивают начальный гидролиз субстрата и сбражи-вание углеводов до низкомолекулярных органических кислот и дру-гих малых молекул. Вторая группа представляет собой гетероаце-тогенные бактерии, которые продуцируют СН3СООН и Н2.Третья — это метаногенные микроорганизмы (метаногены), кото-рые продуцируют СН4. Эта последняя группа может быть в даль-нейшем подразделена на потребителей водорода (литотрофов), ук-

406

Рис. 70. Пути биодеградации субстрата при анаэробном сбраживании

сусной кислоты (ацетотрофов) и одноуглеродных (С,) соединений(рис. 70).

Синергические эффекты, происходящие при сосуществова-нии этих групп, например различные скорости потребления суб-стратов и роста, могут быть объяснены совместным культивирова-нием и возникают в результате взаимодействий, таких как видовойперенос водорода. Субстраты, содержащие серу и азот, могут вызы-вать рост еще двух дополнительных групп: сульфатредуцирующихбактерий и денитрификаторов.

Кроме характера субстрата, на состав популяции в процессесмешанной ферментации также влияют другие условия культивиро-вания. Один из таких параметров — температура. Сбраживатели могутработать в криофильных (не выше 20 °С), мезофильных (20—45 °С)или термофильных (50—65 °С) условиях. Термофильные сбражива-тели имеют высокие скорости реакции, но часто получаемая приэтом выгода недостаточно велика, чтобы возместить стоимость до-полнительной тепловой энергии, необходимой для поддержания бо-лее высоких температур. К тому же в этих условиях существует малоразновидностей, которые могут влиять на способность системыадаптироваться к различным субстратам или ингибирующим соеди-нениям.

Поэтому большинство установок в настоящее время работаетв температурном интервале 34—38 °С, что экономически выгоднои к тому же допускает существование большего числа видов микро-

407

организмов. Таким образом, дальнейшая информация будет отно-ситься в основном к м е з о ф и л ь н о м у сбраживанию.

Ниже приведены некоторые продукты анаэробного сбражи-вания — соединения, образующиеся в количестве, превышающем0,2 моль на моль субстрата в неперегруженном анаэробном сбражи-вателе:

• органические кислоты — уксусная, пропионовая, масляная,капроновая, муравьиная, молочная, янтарная;

• спирты и кетоны — метанол, этанол, изопропиловый спирт,бутанол, глицерин, ацетон;

• газы — водород, метан, СО2;• ферменты — целлюлаза, алкогольдегидрогеназа;• витамины — рибофлавин, витамин В12.Из других продуктов, образующихся в малых количествах,

можно назвать малоновую кислоту, некоторые жирные кислотыс более длинной цепью и изомерные жирные кислоты, концентра-ция которых зависит от характеристик источника питания и культу-ральных условий.

Микроорганизмы анаэробного ила могут быть как облигатны-ми, так и факультативными анаэробами. При сбраживании в мезо-фильных условиях размеры популяции гидролитических бактерий ко-леблются от 105—106 до 108—109 клеток на 1 мл ила. В нем можно об-наружить представителей различных родов, включая образующие инеобразующие спор грамположительные палочки, такие как протео-литические Eubacterium, целлюлозолитические Clostridium, облигатныеанаэробы, такие как Acetobacterium, Bacteroides и Bifidobacterium и фа-культативные анаэробы Streptococcus и сем. Enterobacteriaceae.

Грамположительные кокки играют значительную роль в сбра-живании стоков свиноферм. Недавние исследования 130 культур,выделенных из таких сбраживателей, позволили идентифицироватьпредставителей Peptostreptococcus, Eubacterium, Bacteroides, Lactobacillus,Peptococcus, Clostridium, Streptococcus. Гидролитические бактерии ис-пользуют ряд экзоферментов, таких как протеазы, липазы, амилазы,целлюлазы и пектиназы. Эти ферменты часто видоспецифичны имогут отличаться от таковых у аэробных бактерий. Следовательно,процесс сбраживания представляет собой растворение природныхсубстратов, таких как белки, липиды, гомо- и гетерополисахариды(целлюлоза, пектин, крахмал и гемицеллюлоза). Анаэробная биодег-радация лигнина не представляется возможной из-за необходимыхдля этого окислительных условий, хотя недавно сообщалось о био-деградации кониферилового спирта — основного компонента лиг-нина. Присутствие в качестве интермедиата фенилпропионовойкислоты также подтверждает версию о сбраживании лигнина по по-бочному метаболическому пути. Кроме природных субстратов, ана-

408

эробные популяции разрушают фенолы и серосодержащие соедине-ния, находящиеся в стоках предприятий, осуществляющих такиепроцессы, как сульфатная варка, газификация угля и нефтехимиче-ских производств. Продукты брожения могут меняться в зависимос-ти от вида и штамма бактерий, состава и количества питательныхвеществ и других параметров культивирования: рН, температуры иокислительно-восстановительного потенциала (Eh). Гомоацидоген-ные виды, например Acetobacterium woodi, образуют, как правило,видоспецифичные продукты, но описано также много видов гетеро-ацидогенных бактерий, например Lactobacillus brevis.

Даже у гомоацидогенных видов бактерий могут происходитьизменения в составе вырабатываемых продуктов. Например, Clostri-dium formicoaceticum образует только уксусную кислоту во время ло-гарифмической фазы роста, но начинает синтезировать, кроме того,муравьиную кислоту в стационарной фазе при низких значенияхрН. Другие виды в этих условиях синтезируют масляную кислоту.

Важным фактором при гетероацидогенном процессе являетсяконцентрация водородных ионов. На ход процесса влияет как рН,так и редокспотенциал (Eh). Из-за широкого спектра видов, входя-щих в группу гидролитических ацидогенных бактерий, и их измен-чивости они относительно устойчивы к изменениям условий куль-тивирования, часть их — ацидофильна. Отмечалось, что среднеевремя генерации составляет для них 2—3 ч, т. е. относительно неве-лико для анаэробных процессов. Однако на эту группу неблагопри-ятно влияют низкие значения рН и Eh. В случае резкого возраста-ния концентрации водорода микроорганизмы выбирают альтерна-тивный метаболический путь для того, чтобы, используя болеевосстановленные соединения, удалять водород и, следовательно, уп-равлять его концентрацией. Например, при нормальном образова-нии уксусной кислоты из глюкозы получается 4 моль газообразноговодорода и 2 моль уксусной кислоты на 1 моль субстрата:

С6Н12О6 + 2Н2О = 2СН3СООН + 4Н2 + 2СО2

В случае резкого увеличения расхода или концентрации суб-страта в сбраживателе микробная популяция немедленно на это ре-агирует, образуя избыточные количества Н2 и СН3СООН, снижаяуровень Eh и рН. Если бы этот процесс продолжался беспрепятст-венно, то сбраживатель бы «прокис» и перестал работать. Однакоацидогенные бактерии используют управляющие обратные связи ивыбирают альтернативные метаболические пути, такие как образо-вание пропионовой и масляной кислот, что помогает восстанавли-вать стабильность сбраживателя:

С6Н12О6 + 2Н2О > 2С5Н5СООН + Н2ОС6Н |2О6 > С3Н7СООН + 2СО2 + 2Н2

409

Эта роль водорода в управлении синтезом и потреблениемпромежуточных продуктов объясняет образование некоторых длин-ноцепочечных (с длиной цепи более 4 атомов водорода) жирныхкислот, которые служат для накопления или расходования водорода.Эти процессы будут рассмотрены ниже, когда речь пойдет о II иIII трофических группах.

Традиционно считалось, что процесс анаэробного сбражива-ния включает деятельность двух основных трофических групп —ацидогенных и метаногенных бактерий. Однако позднее стало яснозначение группы гетероацетогенных бактерий (группа II), осуществ-ляющих симбиотическую ацетогенную дегидрогенизацию жирныхкислот (с более длинной, чем у уксусной кислоты, цепью) — лими-тирующую стадию при образовании метана. Некоторые исследова-тели выделяют гомоацетогенные бактерии, такие как Acetobacteriumwoodi, в отдельную четвертую трофическую группу, но в этой книгеони включены в группу ацидогенных бактерий (группа I).

Описаны 2 новых вида гетероацетогенных грамотрицательныхбактерий: Syntrophobacter wolinii и Syntrophomonas wolfei. В литературесообщалось о популяции микроорганизмов этой группы, достигаю-щей численности 4,2.106 клеток на 1 мл сырого ила, и сейчас осу-ществляется дальнейшее изучение видов. Именно эти бактерии раз-лагают жирные кислоты (пропионовую и масляную), некоторыеспирты и даже ароматические соединения (бензойную кислоту)в ряде случаев совместно с метаногенами.

Конверсия пропионовой и масляной кислот протекает сле-дующим образом:

С2Н5СООН + 2Н2О > CH3COOH + СО2 + ЗН2

С3Н7СООН + 2Н2О > 2СН3СООН + 2Н2

Низкое парциальное давление водорода, необходимое для био-конверсии жирных кислот гетероацетогенными бактериями, объяс-няет, почему они успешно растут только при совместном культи-вировании с утилизирующими Н2 метаногенными организмами ипочему симбиоз и межвидовой перенос Н2 усиливают рост предста-вителей обеих трофических групп.

Потребление жирных кислот с длинной цепью в присутствииизбытка Н2 бывает вызвано как гидравлической перегрузкой сбра-живателя, так и его перегрузкой по органическому субстрату.

Группой, предварительно перерабатывающей эти кислотыв пригодный для метаногенных организмов субстрат, являются ге-тероацетогенные бактерии, образующие СН3СООН и Н2, которыемогут потребляться микроорганизмами III группы. Однако термоди-намические расчеты показывают, что возрастание количества Н2

прекращает или даже обращает эти реакции. Следовательно, сбра-

410

живатель будет накапливать пропионовую, масляную и высшиежирные кислоты до концентрации нескольких тысяч миллиграммовна литр. Предупреждая остановки процесса от скачкообразных на-грузок или минимизируя их и поддерживая пригодные для куль-тивирования условия, можно добиться того, что процесс постепен-но возобновится так, что метаногенные организмы будут исполь-зовать Н2, а гетероацетогенные бактерии снова начнут потреблятьвысшие жирные кислоты. Следовательно, можно предполагать на-личие корреляции между присутствием этих кислот и парциаль-ным давлением Н2 в газовой смеси сбраживателя. С этой точкизрения ранним индикатором перегрузки, вызывающей неизбеж-ную остановку работы сбраживателя, будет концентрация Н2 в био-газе.

Термодинамические ограничения, обсуждавшиеся выше, обу-словливают тесный симбиоз между гетероацетогенными и метано-генными бактериями. Воздействие массопереноса может менять ло-кальную концентрацию Н2 и влиять на кинетику процесса. Природаописанного синергизма еще полностью не объяснена, посколькуэти бактерии недостаточно таксономически и физиологически оха-рактеризованы. Различные типы биоэнергетики и уровень продук-тивности могут быть видоспецифичны..

Третья (III) трофическая группа определяется на основеспецифических субстратов, используемых для образования метана.К подгруппе Ш-А относятся хемолитотрофные организмы, онипревращают Н2 и СО2 в метан, используя газообразный Н2 как до-нор электронов:

СО2 + 4Н2 > СН4 + 2Н2О

В результате этой реакции происходит превращение одноймолекулы АДФ в АТФ, следовательно, реакция термодинамическивыгодна.

Микроорганизмы второй подгруппы Ш-В перерабатываютуксусную и муравьиную кислоты, метанол и метиламины в метан.Уравнение конверсии СН3СООН выглядит так:

CH 3COOH > СН 4 + СО 2

Эта реакция дает только 0,25 моль АТФ и поэтому термодина-мически относительно невыгодна.

Приведенные выше реакции нуждаются в специальных мета-болических путях и специфичных ферментных кофакторах, которыебыли идентифицированы для каждой группы. Это, в частности, ко-фактор F 4 3 0, тетрапиррольный комплекс никеля и кофермент F 4 2 0 —флуоресцирующее соединение сине-зеленого цвета, которое можетбыть использовано как средство диагностики метаногенов. Вся этагруппа в целом проявляет уникальное видовое разнообразие, вклю-

411

чая экологическую, физиологическую и морфологическую вари-абельность. В нее входят микроорганизмы с клеточной стенкой раз-ного типа, разнообразной морфологии (кокки, палочки, ланцето-видные), одноклеточные и нитчатые, подвижные и неподвижные,мезофильные и термофильные и т. д.

Клеточные стенки этих организмов содержат псевдомуреинвместо муреина, характерного для эубактерий. Псевдомуреин содер-жит L-талозаминуроновую кислоту вместо мурамовой. Некоторыеиз клеточных оболочек построены на основе полипептидов или гли-копротеидов. Отличия также наблюдаются в составе липиднойфракции и последовательности нуклеотидов в рибосомальной РНК.Поэтому считается, что метаногенные бактерии принадлежат к ар-хебактериям, или археям {Archaebacteria, или Archaea), филогенети-чески древней группе, включающей также крайне галофильные итермоацидофильные микроорганизмы.

Численность популяции метаногенов в сбраживателе достига-ет 106—108 клеток на 1 мл сырого ила. Из него выделены представи-тели Methanobacterium, Methanospirillum, Methanococcus, Methanosarci-na, Methanothrix. Из них такие виды, как Methanosarcina barkeri,Methanococcus mazei, Methanothrix soehngenii, демонстрируют способ-ность расти на уксусной кислоте в чистой культуре с временем уд-воения 1—10 сут или более. Все известные метаногенные микроор-ганизмы, кроме Methanothrix soehngenii, способны к автотрофномупотреблению Н2 и СО2.

Установлено, что приблизительно 70—75% метана при ана-эробной ферментации образуется из СН3СООН, следовательно,примерно 25—30% синтезируется автотрофно при потребленииС,-соединений. Это происходит вопреки термодинамической вы-годности хемолитотрофного метаболизма и показывает, что кон-центрация водорода должна быть ограничена.

Метаногены — наиболее капризная с точки зрения культиви-рования группа среди микроорганизмов, участвующих в анаэробномсбраживании. Для роста они требуют широкого спектра питатель-ных веществ, включая С, Р, N, S, Са, Mg, К, Na, органические суб-страты, такие как аминокислоты, витамины и микроэлементы. Оче-видно, что Н2 и СО2 также являются необходимыми питательнымивеществами для роста хемолитоавтотрофов.

Большинство мезофильных метаногенов не будет расти призначениях рН ниже 5,5. Метаболизм Н2, СН3СООН и С1-соедине-ний у них зависит от рН. Низкие значения рН в большей степениблагоприятствуют восстановлению протона до водорода, нежели еговосстановлению в СН4, и поэтому при таких условиях образованиеСН4 обычно приостанавливается. Кроме того, эмпирическим путембыло показано наличие верхнего предела рН, равного 8.

412

Реакторы, применяемые для анаэробной очистки сточныхвод. Септиктенк представляет собой реактор без мешалки, которыйчасто работает при температуре ниже 25 °С без какого-либо переме-шивания. Объем тенка распределяется между двумя камерами, пер-вая из которых занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище дляудержания ила. Ил периодически удаляется, обычно раз в год. Не-которое количество ила оставляют в тенке для поддержания в неманаэробной активности. Среднее время пребывания клеток микро-организмов определяется по частоте обезыливания. Таким образом,принимая во внимание, что тенк освобождается от ила раз в год ипримерно одна шестая часть ила оставляется для поддержания рабо-ты тенка, можно считать, что биомасса остается в системе в течениепримерно 50 суток. Если такого времени пребывания достаточнодля поддержания метаногенной активности при высоких температу-рах (35 °С), то при температуре окружающей среды и в отсутствиеперемешивания метаногенез протекает слабо.

Септиктенки широко используются в городских очистныхстанциях и перерабатывают осадки, удаляемые из первичных от-стойников, пену и активный ил из вторичных отстойников. Исполь-зование анаэробных реакторов для очистки коммунальных стоковосновано на небольших септиктенках, в которых в качестве источ-ника топлива часто применяется газ. Навозные стоки — результатинтенсивного животноводства — имеют характеристики, близкие кхарактеристикам ила, образующегося при очистке коммунальныхсточных вод с высоким содержанием нерастворимых твердых час-тиц и компонентов, не поддающихся биодеградации. Для очисткиэтих сточных вод используются сбраживатели, спроектированныетак же, как септиктенки для коммунальных стоков.

В настоящее время созданы сбраживатели с флокулиро-в а н н о й биомассой, т. е. реакторы, в которых биомасса микро-организмов могла бы удерживаться и можно было бы избежать вы-мывания медленно растущих микроорганизмов. Кроме того, имеют-ся реакторы с н е п о д в и ж н о й б и о п л е н к о й , когда биомассаудерживается в прикрепленном к инертному носителю виде и, сле-довательно, время его пребывания в реакторе больше времени пре-бывания жидкости. Применяются и другие реакторы для анаэроб-ной очистки сточных вод (реакторы со стационарным нисходящимпотоком, реакторы с расширяющимся и псевдосжиженным слоеми др.). В заключение следует отметить, что анаэробные процессыочистки сточных вод не получили еще широкого применения не-смотря на ряд очевидных преимуществ перед аэробными биологиче-скими и химическими процессами. Главное их преимуществозаключается в высокой степени превращения углерода органическихвеществ, содержащихся во входном потоке, в метан и СО2. Это

413

уменьшение количества углерода сопровождается уменьшениемэнергии, которую бактериальная популяция тратит на образованиебиомассы, и, следовательно, количество удаляемого избыточногоила меньше, чем в аэробном процессе биоочистки. Кроме того,попутно образуется биогаз, представляющий собой весьма ценноетопливо.

Хотя анаэробные реакторы, такие как септиктенки и сбражи-ватели для коммунальных стоков, широко использовались на протя-жении многих лет, чаще всего применяется аэробная очистка сточ-ных вод. Интерес к анаэробной очистке возрос из-за более строгихтребований к предварительной очистке промышленных сточных водперед их сбросом в канализацию, необходимости снижения энерге-тических затрат на очистку, особенно на очистку сильно загрязнен-ных стоков, и непригодности альтернативных способов очистки длянекоторых типов сточных вод.

Последние работы, обеспечивающие лучшее понимание био-химии и микробиологии анаэробных процессов, создали основу экс-плуатации и управления реакторами, а инженерные усовершенство-вания распределительных систем и устройств для контроля и управ-ления обеспечили повышение их надежности.

21.3. Микробиология твердых отходов

Переработка отходов на свалках. Независимо от метода пе-реработки отходов твердые остатки традиционно ликвидируютсяс помощью свалок. В настоящее время свалки расположены во мно-жестве мест и, несмотря на возрастающий объем отходов на душунаселения, это положение сохраняется. Основная сложность связа-на с увеличением расстояния от свалки до источника отходов, чтоприводит к возрастанию неуправляемого попадания отходов в окру-жающую среду из-за их потерь при транспортировке.

По мере исчерпания невозобновляемых ресурсов большийупор делается на исследования в области повторного использованияотходов. Однако ясно, что даже при современных технологиях прос-тая ликвидация отходов на свалках как минимум на 65% дешевлелюбого другого способа их переработки, и в силу этого данный спо-соб ликвидации отходов в настоящее время наиболее распростра-нен. Более того, после того как стало ясно что из отходов образуетсяв больших количествах ценный источник энергии — СН4, основныеусилия были направлены на извлечение этого газа и на соответст-вующее преобразование свалок.

Какой бы тип очистки ни рассматривался, будь то оконча-тельная ликвидация отходов или анаэробные фильтры, или сбражи-ватели для получения СН4, полное управление биореактором не бу-

414

дет достигнуто без более глубокого понимания основ микробиоло-гии и биохимии процесса разложения отходов. К сожалению,количество фундаментальных исследований в этой области чрезвы-чайно мало.

Состав твердых отходов и стратегия их размещения. Составтвердых отходов варьирует в зависимости от страны, типа хозяйства,а также времени года. Однако, несмотря на то что в развитых стра-нах состав твердых отходов становится все более однотипным, су-щественные различия встречаются даже на относительно небольшихрасстояниях.

Исследования химического состава отходов показали, чтофракция, подвергающаяся биодеградации, увеличиваясь с течениемвремени, к настоящему моменту достигла 70% от общего количестватвердых отходов. Современные тенденции использования пластмасси бумаги в пищевой промышленности таковы, что состав их будетвсе в большей степени подвергаться изменениям. С точки зренияэлементарного состава это приведет к тому, что из-за лимитирова-ния по азоту и/или фосфору удлинится время стабилизацици отхо-дов на свалках.

Локализация отходов. Первоочередной заботой при выбореместа для свалки должна быть защита поверхности земли и грунто-вых вод. Одним из способов достижения этой цели является ограж-дение отходов герметичной оболочкой. Для этого используются: гли-на, мелкозернистая почва, смесь земли с цементом, бетон, асфальти полимерные пленки. Исследование процесса переноса вымывае-мых веществ через слой глины трех разных сортов (каолинит, монт-мориллонит и иллит) показало, что наиболее важные для подвиж-ности ионов металлов факторы — значение рН, ионный состав иионнообменная емкость глины. Однако проверку подвижности надовсе же проводить в реальных условиях. Например, пропускающаяспособность облицовки из глины может быть в 10—1000 раз выше,чем значения, полученные в лаборатории для неразрушенных и уп-лотненных образцов. Кроме того, было обнаружено, что слой глинытолщиной в несколько десятков сантиметров не может в течениедлительного времени препятствовать распространению отходов. Та-ким образом, без специальной их обработки этот метод захороненияотходов может нанести больший вред здоровью людей, чем захоро-нение радиоактивных отходов эквивалентной токсичности.

Альтернативным локализации отходов способом защиты во-доносных горизонтов является демпфирование за счет медленногопросачивания загрязненной воды, например через слой песка.

Стратегия размещения твердых отходов значительно различа-ется в разных странах. В Великобритании наиболее распространен-

415

ным способом является помещение отходов в конце рабочего дня вспециальный отсек. Аналогия между захоронением отходов в отсе-ках и использованием обычных ферментеров не очевидна.

Поведение отходов на свалке носит гораздо более сложныйхарактер, так как все время происходит наслаивание нового матери-ала через неравные промежутки времени. Следовательно, этот про-цесс подвержен действию градиентов температуры, концентрациигаза, жидкости, Eh, pH, ферментной активности и потоков жидкос-ти. Более сложные факторы — это молекулярные свойства отходов:водорастворимость, коэффициент распределения липиды/вода, ле-тучесть, размеры молекул и их заряд, диффузия через границу раз-дела окисленной и восстановленной фаз, конформация и функци-ональные группы, способность сорбироваться микроорганизмами,а также межвидовое взаимодействие различных микроорганизмов;перекрывание экологических ниш и ареалов различных видов мик-роорганизмов.

Характерной чертой свалок является наличие сложной, взаи-мозависимой системы микроорганизмов, которые существуют какассоциации клеток различных видов, прикрепленные к поверхноститвердых частиц, являющихся источником питательных веществ. Этиассоциации сильно зависят от концентрационных градиентов, вособенности от градиентов концентраций доноров и акцепторовэлектронов и водорода.

Биодеградация твердых отходов микроорганизмами. Твер-дые отходы перед транспортировкой на свалку могут быть подвергну-ты обработке, т. е. измельчению, перемалыванию и дроблению. Такаяпредварительная обработка может сильно влиять на катаболическиепроцессы в твердых отходах. На типичной свалке, где отходы разме-щаются по отсекам, вся система в целом работает как группа реак-торов периодического действия, в которых отходы находятся на раз-ных стадиях биодеградации и подвергаются случайным воздействиям,например попаданию воды, содержащей растворенный О2 или раз-личные ксенобиотики. В этом случае можно применить простую мо-дель периодических культивирований, действующих в той последо-вательности, в какой происходит загрузка. Для более традиционноготипа свалки (постепенная загрузка без ежедневного закрывания яче-ек) можно использовать модель периодического культивированияс повторным внесением посевного материала микроорганизмови беспозвоночных.

В начальной стадии катаболизма твердых отходов, сопровож-даемого физическими и химическими процессами, преобладаютаэробные процессы, в ходе которых наиболее лабильные молекулыбыстро разрушаются рядом беспозвоночных (клещи, нематоды и др.)и микроорганизмов (грибы, бактерии, актиномицеты). Утилизация

416

этих субстратов затем сменяется последующим катаболизмом мак-ромолекул, таких как лигноцеллюлозы, лигнины, таннины и мела-нины, которые подвергаются лишь медленной биодеградации, при-водящей к тому, что кислород перестает быть лимитирующим суб-стратом. Продолжительность этого периода сильно варьирует ичастично зависит от предобработки, которая может менять степеньдоступности О2. Наиболее удачный метод оценки степени биодегра-дации основан на различиях в скорости разложения целлюлозы илигнина. Отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет4,0; 0,9—1,2 и 0,2 соответственно для непереработанных твердых от-ходов, активно перерабатываемых или частично стабилизированныхотходов на свалке и полностью стабилизированных отходов, так каклигнин постепенно все хуже поддается переработке. Ксенобиотикиподвергаются разложению аналогичным образом, их биодеградацияболее вероятна в аэробных условиях и включает такие процессы,как: функционирование конститутивных или индуцибельных фер-ментов; кометаболизм; перенос плазмид; мутагенез и другие про-цессы, связанные с переносом генетической информации.

В органической фракции может быть достигнуто соотноше-ние С : N > 55 : 1. Возможно, достижение этой величины лимитиру-ет процесс аэробного разложения.

В течение этой стадии рост температуры до 80 °С и присутст-вие антимикробных соединений абиотического происхождения при-водят к гибели или инактивации таких патогенов, как Salmonella sp.и вирусов, личинок насекомых и семян растений. Температура ис-пользуется как индикатор работы свалки. Хотя возрастание ее ока-зывает положительное влияние, увеличивая активность и скоростьроста микроорганизмов, она отрицательно влияет на растворимостьО2, который является лимитирующим фактором. СО2, в свою оче-редь, может влиять на скорость метаболизма, снижая рН, хотя этоснижение ускоряет гидролиз полимеров. И наконец, значительноеобразование воды в ходе микробного метаболизма существенно из-меняет ее баланс в системе.

Исчерпание молекулярного О2 in situ приводит к замедлениютепловыделения, поступление О2 за счет конвекции также сущест-венно снижается. Одновременно накопление СО2 в течение стадиикомпостирования создает микроаэрофильные условия, которыеприводят к увеличению числа сначала факультативных, а затем иоблигатных анаэробов.

В отличие от аэробного метаболизма, при котором минерали-зация отходов часто достигается с помощью одного вида бактерий,анаэробная биодеградация требует совместного метаболизма микро-организмов разных видов, входящих в состав смешанной популя-ции.

14 Микробиология 417

Эта популяция взаимодействующих друг с другом микроорга-низмов способна использовать различные неорганические акцеп-торы электронов, часть — в последовательности, соответствующейвыделению энергии при этой реакции. Поскольку большинство бак-терий нуждается в определенных акцепторах электронов, эта после-довательность приводит к существенным изменениям в составемикробной популяции.

Виды, способные использовать более окисленные акцепторы,получают термодинамические и, следовательно, кинетические пре-имущества.

Во время гидролиза и ферментации бактерии, не нуждающие-ся во внешнем акцепторе электронов и потому не зависящие отконцентрационных градиентов этих акцепторов, гидролизуют поли-меры, такие как полисахариды, липиды, белки и нуклеиновые кис-лоты, и сбраживают образовавшиеся мономеры до водорода и СО2,линейных и разветвленных жирных кислот этанола, молочной и ян-тарной кислот. Распределение отдельных продуктов может значи-тельно варьировать и зависит от Eh, скорости роста микроорганиз-мов, строения субстратов и концентрации Н2.

Была обнаружена весьма тесная связь между сбраживающимимономеры бактериями и теми бактериями, которые катаболизируютпродукты их жизнедеятельности, так как реакции сбраживания тер-модинамически возможны обычно только при очень низких кон-центрациях Н2. Даже в отсутствие ингибирования концентрация Н2

часто влияет на реакцию. Например, при низких концентрациях Н2

равновесие сдвигается в сторону более окисленных продуктов (в ос-новном CH3COOH) и больше энергии запасается в виде АТФ; этотэффект также имеет место при поддержании низких концентрацийлактата. Как сульфатвосстанавливающие бактерии, так и метаноген-ные организмы, восстанавливая конечный продукт, обеспечиваютэтим в то же время поступление необходимых факторов роста.

В процессе образования ацетата участвуют два типа ацетоген-ных бактерий: водородобразующие ацетогенные бактерии, которыеполучают энергию для роста при совместной конверсии спиртов иорганических кислот в CH3COOH и Н2 (и иногда СО2), и гомоаце-тогенные бактерии, которые катаболизируют углеводы, водород иСО2 в CH3COOH. Основное различие между этими двумя типамиацетогенных бактерий состоит в том, что водородобразующие бакте-рии должны расти в совместной культуре с бактериями, облигатноснижающими концентрацию Н2, такими как нитрат- и сульфатвос-станавливающие или метаногенные бактерии, для поддержания низ-кого парциального давления Н2. В противном случае происходитнакопление жирных кислот, являющихся ингибиторами. При мета-ногенезе возможны два типа лимитирования роста метаногенов, по-

418

требляющих СО2. В о-п е р в ы х, на свалках часто высока концент-рация акцепторов электронов — нитратов и сульфатов. В о-в то-р ы х, гомоацетогенные бактерии также могут потреблять СО2, вос-станавливая его до СН3СООН и конкурируя таким образом с мета-ногенными бактериями за водород.

В настоящее время известны восемь различных субстратовметаногенных организмов, четыре из них были обнаружены насвалках: смесь СО2 и Н2; CH3COOH; CH3OH; триэтиламин.

Соединения, используемые как доноры и акцепторы электро-нов, в поступающем сырье оказываются в месте взаимодействиямикроорганизмов, относящихся к группам с различным типом ме-таболизма. Ситуация усложняется еще и тем, что, за исключениемСО2, эти вещества используются последовательно, и эта последова-тельность может ограничивать протекание различных реакций ивзаимодействий.

Например, снижение высоких концентраций сульфата суль-фатвосстанавливающими бактериями и превращение его в H2S по-давляет активность метаногенов, так как восстановление сульфатаэнергетически более выгодно, чем образование СН4 из Н2, СО2 иСН3СООН. Наоборот, в отсутствие сульфата сульфатвосстанавли-вающие бактерии могут вести себя как синтрофные ацетогены, ис-пользуя такие интермедиа™, как молочная кислота и этанол, и пе-реходить с восстановления сульфата на образование Н2 за счет вос-становления протона.

Вещества, образующиеся на свалках. Для свалок характернообразование из разлагающихся твердых отходов продуктов двух ти-пов: это фильтрующиеся в почву воды и газы. Данным водам пред-шествует вода, которая просачивается сквозь слой отходов, уносяс собой растворимые и суспендированные вещества.

Состав вод формируется под влиянием взаимодействующихдруг о другом сложных первичных и вторичных факторов. К пер-в и ч н ы м относятся: геология, гидрология и гидрометеорология;место свалки; состав отходов (включая концентрацию доноров и ак-цепторов электронов); состав микробного посевного материала;влажность отходов; стратегия размещения твердых отходов; прони-цаемость земляного покрытия; топография местности и раститель-ный покров; время года и длительность использования свалки.

Эти факторы, в свою очередь, определяют изменения такихв т о р и ч н ы х факторов, как Eh, pH и температура вместе с физи-ко-химическими процессами, включающими подкисление, испа-рение, осаждение, растворение, сорбцию и ионный обмен. Когдапросачивание Н2О сквозь твердые отходы из-за осаждения и попа-дания грунтовых, поверхностных и образуемых микроорганизмамивод превосходит абсорбционную способность отходов, образуются

419

фильтрующиеся в почву воды. Однако некоторое количество такихвод из-за неоднородностей и каналов в отходах или из-за интенсив-ного кратковременного дождя образуется прежде, чем достигаетсяпредел абсорбционной емкости (55% от массы абсорбента). Абсорб-ционная емкость отходов варьирует в зависимости от их предобра-ботки, степени уплотнения и состава. Измельчение, например, спо-собно ее утроить (емкость в 125 л/м3). Большое значение имеет так-же содержание бумаги в твердых отходах, так как количество воды,которую бумага может абсорбировать, достигает более 250% от еесобственной массы.

Фильтрующиеся в почву воды содержат растворимые соеди-нения, органические и неорганические, а также микроорганизмы —вирусы и бактерии. Вещества, обнаруживаемые в водах, образую-щиеся на свалках бытовых твердых отходов, перечисленыниже. Этот список мог бы быть гораздо больше, если бы в него во-шли данные о веществах, обнаруживаемых на свалках для промыш-ленных отходов.

Идентифицированные компоненты фильтрующихся в почвувод, образовавшихся на свалках твердых отходов:

• элементы: А1, В, Fe, Cd, Са, К, Со, Mg, Мп, Сu, Mo, Na,Ni, Pb, Sr, Cr, Zn и др.;

• неорганические ионы: аммоний, нитрат, нитрит, сульфат,сульфит, фосфат, фторид, хлорид, цианид;

• алифатические соединения: ацетон, бутанол, гексан, валери-ановая кислота, дисульфиды, дихлорметан, дихлорэтан,изомасляная кислота, изопропиловый спирт, кетоны, мас-ляная кислота, метанол, пропионовая кислота, уксуснаякислота, хлороформ, эфиры масляной, уксусной и капро-новой кислот;

• ароматические соединения: бензойная кислота, бензол, гуми-новая кислота, индол, крезолы, ксилолы, лигнин, таннин,толуол, фенолы, производные бензойной и фталевой кис-лот, алкилбензолы, ароматические кетоны, диметилфталати др.;

• ациклические соединения: циклогексан, циклогексановая кисло-та, циклогексанол, циклогексанон;

• терпены: камфора, сесквитерпен, терпинеол, фехнон, туй-он.

До сих пор не существует способа предсказания состава и кон-центрации фильтрующихся вод.

На ранних стадиях функционирования типичной свалки про-цесс аэробного катаболизма приводит к накоплению больших кон-центраций жирных кислот, снижению рН и растворению металлов,которые затем образуют комплексы со свободными кислотами. При

420

переходе к микроаэробным условиям редокс-потенциал уменьшается,рН увеличивается и металлы начинают выпадать в осадок в видесульфатов и карбонатов, что уменьшает их концентрацию в фильт-рующихся водах. Картина еще более усложняется, если учесть, чтопри низких значениях Eh тяжелые металлы образуют комплексыс ионами аммония и гуминовыми кислотами.

Состав фильтрующихся в почву вод, образующихся на свал-ках, меняется под действием как краткосрочных (сезонные колеба-ния), так и долгосрочных факторов (процесс катаболизма отходов),с преобладанием значения последних. Как было отмечено выше,начальная стадия биодеградации отходов на свалке является ацидо-генной. Фильтрующиеся воды на этой стадии характеризуются вы-сокими значениями БПК и ХПК и низкой концентрацией высоко-молекулярных веществ: гуминовых и фульвиновых кислот, тяжелыхметаллов и сульфата. Переход к стадии метаногенеза оказываетсильное воздействие на состав фильтрующихся в почву вод и сопро-вождается уменьшением БПК, ХПК и ростом концентрации гуми-новых и фульвиновых кислот.

Определение загрязнений в почвенных водах можно прово-дить с использованием химических и/или биологических меток. Ти-пичной химической меткой является увеличение концентрации ам-мония, хлорида, железа, марганца, магния, калия, натрия и органиче-ского углерода в грунтовых водах; присутствие нитчатых бактерий —биологическая метка — также прзнак загрязнения грунтовых вод во-дами со свалки.

Способы борьбы с фильтрацией вод в почву. Лучший способ —п р и м е н е н и е м а л о п р о н и ц а е м о й з а с ы п к и для уменьшенияпросачивания вод. Однако это снижает скорость биодеградациитвердых отходов. В качестве альтернативы можно либо использоватьограждение, обладающее меньшей проницаемостью, чем окру-жающая почва, либо надеяться на у м е н ь ш е н и е вредногов о з д е й с т в и я за счет е с т е с т в е н н ы х м и к р о б и о л о г и ч е с -ких и ф и з и к о - х и м и ч е с к и х п р о ц е с с о в в почве, окружаю-щей место свалки. Действие тяжелых металлов значительно ослаб-ляется за счет ограничения их подвижности (за исключением нике-ля и свинца). Она уменьшается под действием карбоновых кислоти увеличивается за счет образования растворимых гидрокарбонатови сульфатов. Кислотно-основные реакции такого типа увеличиваютзначение рН жидкости, находящейся в почве, способствуют осажде-нию твердых металлов и увеличению ее катионообменной способ-ности.

Было показано, что перенос таких веществ, как масляная кис-лота, фенол, n-хлорфенол и диметилфталат через насыщенную зону,окружающую место свалки, происходит приблизительно одинаково,

421

хотя конечные концентрации разных веществ различаются, посколь-ку различны скорости их биодеградации. Так, например, маслянаякислота и фенол разрушаются с довольно высокой скоростью. Реак-ции такого типа изучают для создания оптимальных условий перера-ботки отходов под землей in situ с помощью радиоактивных меток.

Однако даже после того как процесс биодеградации завер-шится, вероятность загрязнения источников водоснабжения конеч-ными продуктами метаболизма остается.

Если природные механизмы ослабления действия загрязненийне способны противостоять загрязнению водами, фильтрующимисяв почву со свалки, необходимы сбор и очистка этих вод. Очисткавод на самой свалке или на специальных сооружениях должна бытьприемлема с точки зрения охраны окружающей среды и экономиче-ски доступна.

Возможно, наиболее удачный метод очистки фильтрующихсясо свалки вод — у п р а в л я е м а я а н а э р о б н а я п е р е р а б о т к а ,которая ускоряет стабилизацию свалки. Альтернативой этому мето-ду является р е ц и р к у л я ц и я ф и л ь т р у ю щ и х с я вод с к в о з ьмассу твердых отходов с помощью поверхностного ороше-ния, введением их в глубь массы отходов. В этом случае свалка ис-пользуется как анаэробный биофильтр, работающий в режиме иде-ального вытеснения с обратной связью. При использовании этогометода скоростью добавления воды следует управлять так, чтобыоптимизировать процесс биологической очистки с точки зрениявремени пребывания, глубины слоя отходов и поддержания темпе-ратуры в их массе. Рециркуляция воды с помощью распыления так-же ускоряет испарение, улетучивание низкомолекулярных органи-ческих соединений и окисление с последующим осаждением желе-за, хотя в целом общий объем воды, доступной для рециркуляции,будет, конечно, со временем увеличиваться.

Общее воздействие рециркуляции фильтрующихся в почвувод заключается в увеличении влажности и перемещении этих водсквозь толщу отходов, что ускоряет процесс биодеградации, в осо-бенности, если регулирование рН и подача дополнительных пита-тельных веществ сопровождаются дополнительным засевом отходовмикроорганизмами. Кроме того, может происходить осаждениесульфидов тяжелых металлов. Однако концентрации аммония, хло-рида и ХПК могут оставаться по-прежнему высокими, что влечет засобой необходимость дальнейшей обработки отходов перед их окон-чательной ликвидацией. При этом возникают также трудности в до-стижении высоких скоростей потока жидкости сквозь массу отходов,возможность образования уплотненного слоя почвы и усложняетсяорганизация горизонтального перемещения жидкости в окружаю-щую почву или грунтовые воды.

422

Для ликвидации отходов широко используется почва, поэтомуочень важен выбор типа почвы с подходящей проницаемостью, раз-мерами частиц и стабильностью; необходимо также поддерживатьфильтрующие характеристики почвы с помощью соответствующегорежима подачи отходов, так как любые антиокислительные условияв почве будут снижать скорость биодеградации. Первоначальныеградиенты концентраций доноров и акцепторов электронов, кисло-рода и температуры приводят к расслоению микробной популяции,прежде всего к сорбции микроорганизмов, потребляющих органиче-ский углерод. После того как произошла сорбция, начинается про-цесс микробного катаболизма.

Процесс захоронения отходов в почве дешев, но может воз-никнуть ряд сложностей, особенно зимой, из-за больших объемовфильтрующихся в почву вод, малого испарения и низкой микроб-ной активности.

Так, хотя распыление образующихся на свалке вод на песча-ных почвах, служащих источником кормовых трав, не оказывало наэти травы никакого вредного влияния, в них накапливались оксидыСа, Mg и Р (V). Фильтрующиеся в почву воды свалок, обладая фи-тотоксичным действием, одновременно содержат необходимые длярастений питательные вещества.

Аэробная обработка отходов может происходить как при пря-мой инфильтрации воды, так и при ее рециркуляции. Для пере-работки отходов используются о к и с л и т е л ь н ы е рвы, глинис-тые с к л о н ы и другие более сложные приспособления. Основнымметодом очистки остается п р и м е н е н и е а э р а ц и о н н ы х пру-дов, в которых достигается уменьшение ВПК на 70% после не-скольких месяцев пребывания. Сложности при работе этих прудоввозникают из-за токсичных металлов и высокомолекулярных соеди-нений, в особенности гуминовых и фульвиновых кислот.

Снижение стоимости процесса очистки возможно за счети с п о л ь з о в а н и я водных растений, которые могут насыщатьфильтрующиеся в почву воды кислородом и тем самым ускорятьпроцесс аэробного бактериального окисления.

К а п е л ь н ы е б и о ф и л ь т р ы и системы с а к т и в н ы милом также используются для очистки вод, образующихся на свал-ках, иногда в смеси со сточными водами. При проведении этих про-цессов часто возникает необходимость в добавлении питательныхвеществ, кроме того, добавление, например, фосфата способствуетосаждению тяжелых металлов в составе фосфорорганических соеди-нений. Такая очистка приводит к удалению 99% БПК и 95% ХПКодновременно со значительным снижением концентрации ионовNH4 (благодаря сочетанию процессов бактериальной нитрификациии клеточной ассимиляции), Fe (98%), Мп (92%), Zn (94%), однако

423

наиболее устойчивые органические молекулы нуждаются в дальней-шей деградации. Главным лимитирующим фактором процесса мо-жет быть температура, так как из-за сезонных дождей самые низкиетемпературы в году совпадают с образованием самых больших объ-емов фильтрующихся в почву вод. Часто встречающаяся низкаяконцентрация фосфатов может усиливать процесс вспучивания ила.Наконец, серьезные трудности вызывает накопление металлов в бак-териальных флокулах.

Анаэробная очистка в прудах позволяет удалить 80—90% ХПКв течение 40—50 дней при температуре 25 °С (но около 50% при 10 °С).Однако куда более многообещающим представляется использованиес б р а ж и в а т е л е й , так как их производительность немногим мень-ше, чем у аэрационных прудов, а монтаж и эксплуатация в 2 разадешевле. Так как с помощью физико-химических процессов невоз-можно удалить столько органических веществ, сколько удаляется врезультате биологических процессов, то их используют в основномдля обработки стабилизированных биологической очисткой фильт-рующихся вод. Ни один из испытанных физико-химических спосо-бов очистки (химическая коагуляция и осаждение; адсорбция актив-ных углей; обратный осмос; адсорбция на полимерах; химическоеокисление, включая озонолиз; выпаривание и облучение) не оказал-ся полностью эффективным.

Оптимизация получения и использования биогаза, обра-зующегося на свалке. Биогаз, образующийся на свалке, с однойстороны, может быть нежелательным продуктом, а с другой — слу-жить источником энергии. Выбросы этого газа, которые могут бытьобнаружены термографическим методом, приводят к появлениюдурного запаха, закислению грунтовых вод, снижению урожая сель-скохозяйственных культур (вплоть до полной их гибели). Следова-тельно, утечки этого газа должны быть ограничены. Для того чтобыэти ограничения выполнялись, необходимы приспособления, по-зволяющие управлять перемещением газа, например различныепреграды и траншеи, наполненные на небольшую глубину гравием,и системы экстракции газа или его инжектирования, размещенныена большой глубине (более 6 м). Могут быть изготовлены оболочки,препятствующие утечке газа из природных материалов и из искусст-венных пленок. Если удастся проконтролировать перемещение газо-вых потоков, то проблема решается сжиганием или пропусканиемгаза через почву. Ловушки из мелкопористой почвы снижают коли-чество плохо пахнущих веществ, которые окисляются в ней аэроб-ной микрофлорой.

Идентифицированные минорные компоненты газа, образую-щегося на свалке, следующие: ацетон, бензол, бутанол, гексан, геп-тан, диметилсульфид, бутан, изобутан, изопропиловый спирт, кси-

424

лол, метан, углеводороды С4—С14; этан и этанол, этилен и этилмер-каптан.

За прошедшие годы наиболее важным изменением в составегаза, образующегося на свалках, было увеличение в нем концентра-ции метана. Извлечение этого газа осуществляется или планируетсяв Бразилии, Канаде, Швейцарии, Японии, Англии. Использованиегаза, образующегося на свалках, имеет огромные перспективы, таккак подобным способом его можно получать в больших количест-вах.

Однако в настоящее время газ метан не находит сбыта и пред-ставляет собой лишь отход, создавая неудобства в эксплуатации свалок.По расчетам, в период наиболее активного метаногенеза достоверноезначение выхода метана колеблется от 3,1 до 371 л/кг почвы в год.

Метаногенные микроорганизмы в основном чувствительнык влиянию взаимодействующих факторов окружающей среды какпрямых, так и косвенных, которые, в свою очередь, управляютсяосновными факторами, связанными с местоположением свалки.

Состав твердых отходов является определяющим как для со-става выделяющегося газа, так и для скорости его образования.Предобработка может приводить к его значительным изменениям.Уменьшение размера частиц от 250 до 10 мм увеличивает скоростьобразования газа в 4 раза, возможно, из-за увеличения площади по-верхности или благодаря лучшему поступлению О2, так как приэтом наблюдается сдвиг в ферментационном равновесии по СО2.Увеличение содержания воды от 10 до 65% приводит к более за-метным изменениям в отходах с низкой плотностью (0,25 т/м3) посравнению с отходами с более высокой плотностью (0,80 т/м3) из-завозрастания подвижности бактериальных клеток, что, в свою оче-редь, ускоряет процесс гидролиза и затем метаногенеза. Напротив,при постоянной влажности (21%) увеличение плотности от 0,32 до0,47 т/м3 приводит к возрастанию скорости газообразования от 410 до845 мл/сут на 1 кг сухих твердых отходов.

Изменения в скорости метаногенеза также появляются приперемещении воды сквозь толщу твердых отходов. Было показаноувеличение скорости метаногенеза на свалке на 25—30% при движе-нии воды; движение воды и ее содержание — два независимо дейст-вующих на метаногенез фактора. Дальнейшее увеличение скоростипроисходило, когда воду заменяли фильтрующимися в почву вода-ми, что обусловлено наличием в них питательных веществ, ве-ществ—предшественников метаногенеза и изменением рН. Крометого, установлено, что повышение температуры от 22 до 33 °С со-провождалось увеличением выхода газа на 70%: оптимальной дляметаногенеза температурой является 41 °С, и выход метана остаетсябез изменения в температурном интервале 48—55 °С. Температурасвалки меняется под действием микробного метаболизма (который,

425

в свою очередь, определяется плотностью отходов, их удельной по-верхностью, влажностью, исходной температурой, составом, доступ-ностью акцепторов электронов, в особенности О2), теплоты нейтра-лизации и солнечного тепла, которые находятся в равновесии с теп-лопотерями в атмосферу, в окружающую почву и воду. Однакобыстрый разогрев часто связан с аэробным метаболизмом, в то вре-мя как анаэробиоз часто сопровождается снижением температуры.

Было обнаружено, что наивысший выход газа из отходов на-блюдался при их подщелачивании 16 г СаСО3 сухого вещества/кг.Это объясняется тем, что при низкой щелочности жирные кислотыпоглощают избыток метана. На работающей свалке для начала мета-ногенеза соотношение концентраций CH3COOH и щелочи должносоставлять менее 0,8. Такая буферная емкость в твердых отходах мо-жет быть достигнута добавлением известняка.

Газ, образующийся на свалке, извлекается с помощью верти-кальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтиле-на. Насосы или газодувки способны увеличить степень извлечениягаза. После удаления конденсата и пыли этот биогаз может исполь-зоваться как низкосортное топливо для обжига кирпича; полученияпара и обогрева теплиц; получения электроэнергии; получения эта-нола; применения вместо углеводородного топлива или угля.

Список литературы

Основная1. Бабьева И. П., Зенова Г. М. Биология почв. М., 1989.2. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. М.,

2002.3. Громов Б. В. Строение бактерий. Л., 1985.4. Громов Б. В., Павленко Г. В. Экология бактерий. Л., 1985.5. Добровольская Т. Г. Структура бактериальных сообществ

почв. М., 2002.6. Заварзин Г. А., Колотилова Н. Н. Введение в природоведче-

скую микробиологию. М., 2001.7. Звягинцев Д. Г. Почва и микроорганизмы. М., 1987.8. Звягинцев Д. Г., Зенова Г. М. Экология актиномицетов. М.,

2001.9. Лутова Л. А., Проворов Н. А., Тиходеев О. Н., Тихонович И. А.,

Ходжапова Л. Г., Шишкова С. О. Генетика развития растений. Спб.,2000.

10. Микроорганизмы и охрана почв / Под ред. Д. Г. Звягин-цева. М., 1989.

11. Мюллер Э., Леффлер В. Микология. М., 1995.12. Определитель бактерий Берджи. М., 1997. Т. 1,2.13. Поздеев О. К. Медицинская микробиология. М., 2001.14. Шлегель Г. Общая микробиология. М., 1987.15. Шлегель Г. История микробиологии. М., 2002.

Дополнительная

1. Артамонов В. И. Биотехнология агропромышленному комп-лексу. М., 1989.

2. Бекер В. Е., Лиениньш Г. К., Райнулис Е. П. Биотехнология.М., 1990.

3. Генетические основы селекции клубеньковых бактерий /Под ред. Б. В. Симарова. Л., 1990.

4. Заварзин Г. А. Лекции по природоведческой микробиоло-гии. М., 2003.

5. Кондратьева Е. Н. Автотрофные прокариоты. М., 1996.

427

6. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред!Д. Г. Звягинцева. М., 1991.

7. Промышленная микробиология / Под ред. Н. С. Егорова.М., 1989.

8. Смирнов В. В., Каприанова Е. А. Бактерии рода Pseudomonas.Киев, 1990.

9. Чурикова В. В., Викторов Д. И. Основы микробиологии ивирусологии. Воронеж, 1989.

10. Экологическая биотехнология / Под ред. К. Ф. Фостера иД. А. Вейза. Л., 1990.

11. Экология микроорганизмов / Под ред. А. Н. Нетрусова.М., 2004.

12. Bergey's manual of systematic bacteriology: 2nd edition. Vol. 1.Ed. D. R. Boone, R. W. Costenholz: Springer-Verlag N. Y. Berling,Meidelberg, 2001.

Приложение

Структура «Руководства Берджипо систематике бактерий»1

Таксономическое положение

Том 1. The Archaea andthe Deeply Branchingand Phototrophic Bac-teria

ДОМЕН

Филум Crenarchaeota

Филум Euryarchaeota

Класс 1. MethanobacteriaКласс 2. MethanococciКласс 3. HalobacteriaКласс 4. ThermoplasmataКласс 5. ThermococciКласс 6. ArchaeoglobiКласс 7. Methanopyri

ДОМЕН

Филум Aquiflcae

Филум Thermotogae

Филум Thermodesulfobacteria

Филум «Deinococcus-Thermus»

Филум Chrysiogenetes

Филум Chloroflexi

Филум Thermomicrobia

Филум Nitrospirae

Филум Deferribacteres

Характерные представители(роды)

ARCHAEA

Thermoproteus, Pyrodictium, Sulfolobus

MethanobacteriumMethanococcusHalobacterium, HalococcusThermoplasma, PicrophilusThermococcus, PyrococcusArchaeoglobusMethanopyrus

BACTERIA

Aquifex, Hydrogenobacter

Thermotoga, Geotoga

Thermodesulfobacterium

Deinococcus, Thermus

Chrysiogenes

Chloroflexus, Herpetosiphon

Thermomicrobium

Nitrospira

Geovibrio

1 Дано в сокращении no: Prescott L. M., Harley J. P., Klein D. A. Micro-biology. 5th-ed. McGrew-Hill, Inc. Boston, New York, San-Francisco.

429

Продолжение

Таксономическое положение

Филум Cyanobacteria

Филум Сhlorobi

Том 2. The Proteobacteria

Филум Proteobacteria

Класс 1. Alphaproteobacteria

Класс 2. Betaproteobacteria

Класс 3. Gammaproteobacteria

Класс 4. Deltaproteobacteria

Класс 5. Epsilonproteobacteria

Том 3. The Low G + C Gram--Positive Bacteria

Филум Firmicutes

Класс 1. Clostridia

Класс 2. Mollicutes

Класс 3. Bacilli

Том 4. The High G + C Gram--Positive Bacteria

Филум Actinobacteria

Характерные представители(роды)

Prochloron, Synechococcus, Pleurocap-sa, Oscillatoria, Anabaena, Nostoc,Stigonema

Chlorobium

Rhodospirillum, Rickettsia, Caulobacter,Rhizpbium, Brucella, Beijerinckia, Nitro-bacter, Hyphomicmbium, Methylobacteri-umAlcaligenes, Thiobacillus, Methylophilus,Neisseria, Nitrosomonas, Bulkholderia,ComamonasChromatium, Leucothrix, Legionella,Pseudomonas, Azotobacter, Vibrio, Escheri-chia, Klebsiella, Proteus, Salmonella, Shi-gella, Yersinia, HaemophilusDesulfovibrio, Bdellovibrio, Myxococ-cus, PolyangiumCampylobacter, Helicobacter

Clostridium, Peptostreptococcus, Eu-bacterium, Desulfotomaculum, Helio-bacterium, VeilonellaMycoplasma, Ureaplasma, Spiroplas-ma, AcholeplasmaBacillus, Staphylococcus, Caryopha-non, Paenibacillus, Thermoactinomy-ces, Lactobacillus, Enterococcus, Leu-conostoc, Listeria, Streptococcus

Actinomyces, Micrococcus, Arthrobacter,Corynebacterium, Mycobacterium, No-cardia, Thermomonospora, Actinoma-dura, Streptomyces, Frankia, Bifido-bacterium

430

Окончание

Таксономическое положение

Том 5. The Planctomycetes,Spirochaetes, Fibro-bacteres, Bacterio-idetes and Fusobacteria

Филум Planctomycetes

Филум Chlamydia

Филум Spirochaetes

Филум Fibrobacteres

Филум Acidobacteria

Филум Bacteroidetes

Филум Fusobacteria

Филум Verrucomicrobia

Филум Dictyoglomi

Характерные представители(роды)

Planctomyces, Gemmata

Chlamydia

Spirochaeta, Borrelia, Treponema,Leptospira

Fibrobacter

A cidobacterium

Bacteroides, Porphyromonas, Prevotel-lα, Flavobacterium, Sphingobacterium,Flexibacter, Cytophaga

Fusobacterium

Verrucomicrobium

Dictyoglomus

Указатель латинских названий'

Acetobacter 183, 194— peroxydans 183— хуliпит 26, 184Acetobacteriaceae 52Acetobacterium 408— woodi 409, 410Acholeplasma 68Acholeplasmataceae 67, 68Achromatium 53, 236, 238Actinomyces 65, 398Actinomycetaceae 65Actinomycetales 64, 65Actinoplanaceae 65Aedes 362Aerobacter 384Aerococcus 61Aeromonas 52Aeschynomene— indica 222— scarba 222Agrobacterium 52, 349, 350, 384— radiobacter 349, 350, 352Alcaligenes 102, 319Algae 70Alnus 229Altemaria 78, 190, 193, 262, 345,350, 356, 384— tenuis 190Amceboaphelidium 281Aomoeba 399Anabaena 215, 268— azollae 215, 348— cylindrica 347Anaerobacter polyendosporus 41

432

Anaplasmataceae 58Ancalomicrobium 24Anisoplia austriaca 359Anoxyphotobacteria 49, 58Anthoceros punctatus 215Aphelidium 281Aquaspirillum 49Arachnia 65Archaea 47Archaebacteria 68Archangiaceae 54, 185Archangium 54, 185Armillariella 190

Arthrobacter 62, 63, 160, 181,182, 204, 260, 315, 316, 349, 350,398— atrocyaneus— siderocapsulatus 245— mysorens 352Ascomycetes 77, 78, 79Aspergillus 77, 97, 165, 183, 184,189, 204, 236, 243, 250, 262, 265,272, 338, 340, 350, 381, 384— fumigatus 186, 200, 327— itaconicus 184— niger 184, 278, 381, 384— oryzae 165, 381— terreus 184, 384Asticcacaulis 267Aulosira 347Aureobasidium 193, 263— azolla 215, 348— caroliniana 348— flliculoides 348

— imbricata 348— rubra 348Azolla 215Azomonas 51, 213— agilis 213, 352— insignis 213— macrocytogenes 213Azorhizobium caulinodans 222Azospirillum 49, 216, 349, 350— amazonense 216— brasilense 216, 218, 348, 349— halopraeferans 216— lipoferum 216, 218, 348, 349,352Azotobacter 51, 99, 121, 211, 212,214, 315, 328, 329, 345, 346— agilis 212— beijerinckii 211— chroococcum 211, 345, 356— maerocytogenes 212— paspali 211— vinelandii 211, 212Azotobacteriaceae 51, 160, 211,213, 214, 348

Bacillaceae 62, 160, 186, 191,195, 199Bacillariophyta 72Bacillus 25, 40, 41, 42, 46, 62, 83,86, 91, 94, 106, 149, 182, 189,191, 194, 195, 196, 200, 208, 217,236238, 240, 243, 247, 261, 319,349, 350, 360, 398— albus 46— anthracis 355, 357— azotofixans 217— cereus 39, 195, 196, 261, 381— idosus 278— licheniformis 208— macerans 191, 217— megaterium 27, 243, 261, 272,289, 352— mesentericus 182, 195, 243,261, 262, 272, 289, 338, 381— mucilaginosus var. siliceus 352

— mycoides 192, 261, 278, 289,350, 381— pasteurii 105, 199— polymyxa 191, 217— popilliae 360— septicus insectorum 360— sphaericus 361— subtilis 39, 105, 195, 261, 262,272, 278, 289, 290, 338, 352, 381,391— thuringiensis 360, 361, 362,363, 364— tracheitus sivegraphitosis 360Bacteria 385Bacterium typhimurium 357Bacteroidaceae 52, 360Bacteroides 52, 187, 408— succinogenes 187Bartonellaceae 58Basidiomycetes 11, 78, 79, 190Bdellovibrio 43, 49, 115, 281— bacteriovorus 115

— bassiana 359, 363Beggiatoa 55, 106, 107, 236, 238Beggiatoacea 55Beijerinckia 51, 213, 214, 260— indica 213— mobilis 213— fluminensis 213— derxii 213Betabacterium 173Bifidobacterium 65, 173, 373, 408— bifidum 173, 373Blakeslea trispora 372Blasia pusilla 215Blastobacter 267Bodo 74Borrelia 23, 49Botrydium 72Botrytis 186, 191, 356— paradossa 359— cinerea 186, 191Bradyrhizobium 220, 234, 341,342, 343

433

— japonicum 221, 223— lupini 221— vigna 221Brevibacterium 62, 369, 370, 371Bumilleriopsis 72Butyrovibrio fibrisolvens 187

Caesalpinoideae 221Calothrix 215, 268Campylobacter 49, 106Candidal 79, 181, 185, 243, 263— albicans 381— japonica 381— vitilis 381Capnocytophaga 55Casuarina 229Casuarinales 229Caulobacter 57', 160, 267Cellulomonas 62, 63, 186Cellvibrio 264, 290Cephalosporium 78Cercomonas 74

Chaethomium 77, 186, 264, 369,384— cellulolyticum 386Characiopsisis 72Chiorella 144Chitinophaga pinensis 200Chlamydiaceae 58Chlamydiales 58Chlamydomonadales 72Chlamydomonas 74, 268Chiorella 268, 322, 369

— vulgaris 322Chlorobiaceae 59, 126Chlorobiales 58, 59Chlorobium 59, 215Chlorococcales 72Chlorococcum 268Chloroflexaceae 59Chloroflexus 59Chloronema 59Chlorophyta 71Choanephora 262Chondromyces 54

Chromatiaceae 58, 126Chromatium 59, 215Chromobacterium 102ChroococcidiopsisChytridiomysetes 76Cicinnobolus cesati 355Ciliata 74, 399Ciliophora 74Citrobacter 52, 217Cladosporium 78, 193, 262, 384

— herbarum 193Clavaria 190Claviceps— paspali 339— purpurea 339Clonothrix 56Clostridiceae 386Clostridium 40, 41, 42, 62, 107,176, 177, 178, 179, 186, 189, 190,191, 194, 195, 196, 204, 211, 214,233, 247, 262, 265, 408— acetobutylicum 177— acidi-urici 178— aurantibutyricum 191— botulinum 102, 178, 179— butylicum 177, 179— butyricum 40, 177, 178, 211— cellobioparum 187, 188— corallinum 191— cylindrosporum 178— dissolvens 188— felsineum 179, 191, 192, 193,211— flavum 191— formicoaceticum 409— histolytkum 178— kluyveri 178— omelianskii 187, 188, 290— oroticum 178— pasteurianum 124, 177, 179,210, 211, 232, 233, 262— pectinolyticum 191— pectinovorum 191, 192, 193,211

434

— perfringens 178, 179, 182— putrificus 195— sporogenes 178, 182, 195— thermocellum 187, 188, 290,379, 380— thermosaccharolyticum 379— thermosutfurogenes 240, 380— tyrobutyricum 177— uracilicum 178Coccomyxa 268Colpoda 75Coriariales 62, 63, 229Corynebacterium 204, 370, 384,398— autotrophicum 216Crenothrix 56Cristispira 23, 49, 50Cryptococcus 263Cryptomonas 74Cucurbitales 229Cunninghamella 262Curtobacterium 62Cyanobacteriales 59Cylindrospermum 215, 347Cystobacter 54Cystobacteriaceae 55Cytophaga 55, 185, 189, 200, 263,290

Cytophagaceae 185Cytophagales 54

Daedaleopsis confragasa 369Darluca filum 355Deinococcus radiophilus 111Dematium 262, 264Dendrodochium toxicum 340Derxia 55, 214— gummosa 214Desulfobacter 239Desulfococcus 239Desulfomonas 149Desulfonema 240Desulfosarcina 239Desulfotomaculum 40, 62, 149,216, 239, 398

— acetooxidans 239— desulfuricans 240— nigrificans 239, 240— orientis 239, 240— ruminis 239, 240— vulgaris 240Desulfovibrio 53, 149, 216, 239— desulfuricans 239— gigas 239— vulgaris 239Desulfurococcus 69— mucosus 240Deuteromycetes 78, 79Diatomeae 72Dryas 229

Elaeagnus 229Elavobacterium 102Endagonaceae 334Endomycetales 78Endomycopsis 381— fibuligera 381, 382, 385Enterobacter 52, 86, 181, 216,260, 349, 351, 384— aerogenes 351Enterobacteriaceae 52, 86, 180,195, 217, 218, 357, 360Entomophthora— anisopliae 359— thaxteriana 364Eremothecium ashbyi 371 ,Erwinia 52, 181, 217, 218— amylovora 165— corotovora 191— herbicola 52, 218, 336, 338Escherichia 52, 92, 94, 107, 181,192, 217— сой 31, 92, 93, 105, 180, 192,235, 319, 373, 374, 387Eubacterium 64, 408Euglena viridis 74Eumycota 76

Fagales 229Firmibacteria 60

435

Firmicutes 48, 60Flagellata lAFlavobacterium 181, 200, 349,351, 352Flexibacter 55Fomes 189, 190Frankia 65, 229, 230, 330Frankiaceae 65Fungi 75Fusarium 78, 165, 186, 191, 204,262, 336, 339, 346, 358, 384— graminearum 339— lactis 190— moniliforme 365— nivala 190— orobanches 356— oxysporumf. lycopersici 191— sambicinum 262— sporotrichiella 339, 340Fusobacterium 52

Gallionella 57, 245, 246— ferrugineae 246Gemella 61Gibberella fujikuroi 365Glomus 334Gluconobacter 52, 183— oxydans 183Gonatobotrys 193Gracilicutes 48Gunnera macrophylla 215

Haloarcula 69Halobacterium 69, 98Halococcus 69, 98Hansenula 243Hantzschia 73Heliobacterium 61Heliscomenobacter 56Helmintosporium 346, 358Herbaspirillum seropedicae 217Heterothrix 72HippophaeHolotricha 75

436

— starkeyi 263, 381— tetrasporium 263Lynglua 215

Macmmonas 53Macrosporium 262Mastigophora 74, 399Melanconiales 78Melittangium 54Mendosicutes 48, 68Metallogenium 57, 245— simbioticum 247Metarrhizium anisopliae 359, 363Methanobacterium 68, 107, 386,412Methanococcus 68, 386, 412— mazei 412Methanosarcina 68, 107, 386, 412— barkeri 412Methanospirillum 386.412Methanothrix 412— sochngenii 412Methylobacterium 216Methylococcaceae 52Methylococcus 52, 181, 216Methylocystis 181Methylomonadaceae 181Methylomonas 52, 181, 216Methylosinus 181Methylotropus 319Microbacterium 62, 181, 326Microbispora 67Micrococcaceae 61, 199, 360Micrococcus 61, 243, 398— glutamicus 370— radiodurans 39— urea 199Microcoleus 215Microscilla 55Mycrocyclus 267Micromonospora 66, 186, 200, 265— chalcea 186Micromonosporaceae 65, 66Micropolyspora 67Mimosoideae 221

Mollicutes 67Monas 74Moniliales 78Monotropa hypopitys 330Mortierella 200, 262, 280— alpina 262— dishotoma 262— usabellina 262— vanaceae 262Mucor 77, 165, 184, 336, 340,350Mycelia sterilia 78Mycobactenaceae 65Mycobacterium 65, 83, 181, 243,265, 315, 316— tuberculosisMycoplasma 67Mycoplasmataceae 67Mycoplasmatales 67Mycota 75MycroscillaMyrica 229Myricales 229Myrothecium verrucaria 186Myxobacteriales 54, 185Myxococcaceae 54, 185Myxococcus 54, 55, 185Myxomycota 76

Nadsonia 78Navicula 73Neisseriaceae 52Nitrobacter 53, 159, 201, 203— agilis 201— winogradskii 201, 202Nitrobacteriaceae 53, 201Nitrococcus 53, 201Nitrosococcus 53, 201Nitrosolobus 53, 201Nitrosomonas 53, 201, 203— europaea 201, 202Nitrospira 53, 201Nitrosospira 53, 201Nitrosovibrio 201Nitzschia 73

437

Hyphomicrobium 56, 160181,267, 269Hyphomonas 267Hyphomycles 78

Klebsiella 52, 216, 217, 231, 234,319, 349, 350, 384— planticola 217, 330— pneumoniae 234, 235, 350— rubacearum 231Kurthia 62

Labrys 267Lactobacillaceae 62, 172, 360, 386Lactobacillus 62, 107, 172, 173,373, 374, 408— acidophilus 172, 174, 373, 374— brevis 173, 390, 409— bulgaricus 172, 174, 373, 374— casei 172, 173— cellobiosus 173— coryneformis 175— curvatus 172— delbrueckii 172— fermentum 173— helveticus 172—lactis172— leichmanii 172- plantarum 172, 173, 175, 390,393, 394— xylosus 172Leguminosae 221Leptospira 49Leptospiraceae 49Leptospirillum ferrooxidans 246Leptothrix 56, 58, 245— discophorus 247— ochraceae 245Leptotnchia 52Leptinotarsa decemlineata 361Leuconostoc 61, 179— cremoris 170, 173— dextramcum 173— mesenteroides 173Lipomyces 79, 263

Nocardia 66, 181, 182, 200, 204,265, 315, 316— corallina 265, 315— rubra 265Nocardiaceae 65Noctuidae 361Nostoc 215, 268— linckia 347— punctiforme 215, 322Nosema locustae 364

Oceanospiriilum 49Ochromonas 74Oicomonas 74Oomycetes 79OomycotaOpercularia 400Orobanche aegiptyaca 356Oscillatoria 215Oscillochloris 59Oxyphotobacteria 49, 59

Partus tigrinus 369Papilionoideae 221Paracoccus denitrificans 208Paramecium 75Parasponia parviflora 231Paspalum 339Pavetta 231Pediococcus 171, 172— acidi-lactici 172— damnosus 172— dextrinicus 172— halophilus 172Pedomicrobium 57, 265, 267Pelodiction 215Peltigera 215Penicillium 77, 97, 183, 184, 204,236, 243, 250, 262, 264, 272, 278,327, 336, 338, 340, 350, 369, 384Peptococcaceae 61Peptococcus 61, 408Peptostreptococcus 61Peritricha 75Phoma 78

Phormidium tennue 322Photobacterium 49, 52Phytophthora 79, 324Photorhizobium thompsonianum222Pinnularia 13Plagiopyxis 74Planococcus 61Planobispora 64Planomonospora 64Plesiomonas 52Pleurochloris 72Polyangium 54, 185Polyporus 189, 190Polystictus 190Procaryotae 68, 69Prochlorales 60Prochlorococcus 60Prochloron 60Prochlorothrix 60Propiombacteriaceae 64, 175Propionibacterium 64, 175, 176— acidi-propionici 175— freudenreichii 175Prosthecomicrobium 57, 267, 269— pneumaticum 24— polyspheroidem 269Proteus 52, 181, 195, 240, 319— vul 28, 195Protozoa 73, 281, 399Pseudomonadaceae 50, 195, 360Pseudomonas 50, 51, 83, 86, 87,92, 94, 99, 100, 102, 149, 181,182, 186, 190, 194, 195, 200, 204,208, 217, 236, 238, 240, 243, 265,289, 317, 319, 321, 326, 327, 328,349, 351, 356, 384, 398— aeruginosa 51, 195, 208, 319,351, 357-fluoresces 182, 195, 208, 260,352— fluorescens var. cellulosae 186— paucimobilis 217— putida 351

438

— pyacyanea 182— stutzeri 51, 208Psychotria 231Puccinia triticina 355Pythium 79Pyrococcus furiosus 240Pyrodictium brockii 103— occultum 103

Renobacter 267Rhizobiaceae 52Rhizobium 52, 83, 91, 194, 220,221,231,234,319, 330, 341, 342,343— leguminosarum 221, 223— phaseoli 221— trifolii 223Rhizoctonia 78, 186, 358, 384— solani 186Rhizopoda 74Rhizopus 77, 184, 189, 193, 243,262— delemar 381Rhodomicrobium 58, 160Rhodopseudotmonas 58, 159, 215Rhodospirillaceae 58, 126Rhodospirillales 58Rhodospirillum 58, 215Rhodosporidium 79, 263Rhodotorula 79, 243, 263Rickettsia prowazekii 58Rickettsiaceae 58Rickettsiales 58Ruminobacter parvum 187Ruminococcus 61, 187— albus 187— flavefaciens 187

Saccharomyces 78, 165, 243— cerevisiae 78, 165, 167, 168,379— cerevisiae var. ellipsoids 168— globosus 165,— kefir 174— rosei 379

—vini 165, 168Saccharomycetacea 78Salmonella 52, 92, 94, 107, 181,319, 357, 373, 417— enterititis var. Issatschenko 362Sarcina 61, 398— ventriculi 169Sarcodina 74, 399Schizosaccharomyces 78, 165— pompe 165— ostosporus 165Sclerocystis 334Sclerotinia 324, 356Sclerotium 78Scotobacteria 49Scytonema 215Selenomonas 53Seliberia 57, 265, 267, 269— stellata 245Serpula lacrymans 11Serratia 107, 181, 319, 351— marcescens 182, 351Sesbania rostrata 222, 231Shepherdia 229Shigella 52, 92, 107, 181Siderocapsa 53Siderocapsaceae 53Siderococcus 53, 245SiderocystisSorangiaceae 185Sorangium 54, 185Spherocytophaga 55Sphaeropsidales 78Sphaerotheca morsuvae 356Sphaerotilus 55

— natans 56SpirillaceaeSpirillospora 64Spirillum 27, 49, 260Spirochaeta— cytophaga 185— plicatilis 23, 50Spirochaetaceae 49, 434Spirochaetales 49

439

Spiroplasma 68Spiroplasmataceae 67, 68Spirotricha 75Spirotrix 245Spirulina 369Sporobolomyces 79, 263Sporocytophaga 55, 185, 189— myxococcoides 189Sporodiobolus 263Sporolactobacillus 40, 62— inulinus 170Sporosarcina 40, 62— urea 199Stachybotris altemans 340Staphylococcus 61, 83, 87, 107stella 267Stigmatella 54Stremphylium botryosum 190Streptobacterium 172Streptococcaceae 171, 386Streptococcus 61, 83, 91, 171, 181,408— cremoris 170, 171— faecalis 105— lactis171, 174, 390— lactis var. diacetilactis 171, 172— thermophilus 171, 172, 174,390Streptomyces 66, 83, 186, 189,200, 250, 319— aurantiaca 372— casugoensis 358, 359— cellulosae 186— griseochromogenes 359— gnseus 358— lavandula 358Streptomycetacaae 65, 66Streptosporangium 186Stella humosa 269Stylonichia 75Suctoria 399Sulfolobus 69, 236, 238, 240— acidocaldarius 246Synechococcus 215

Synechocystis 215Synthrophobacter 386— wolinii 410Synthrophomonas 386— wolinii 41O

Tallobacteria 62Tenericutes 48, 67Thamnidium 77Thermoactionomyces 67Thermoanaerobacterium ethanoli-cus 187, 188, 379, 380Thermoanaerobacterium 172Thermophilium 69Thermoplasma 69Thermoproteus 69—tenax 240Thiobacillus 53, 236, 237, 239— denitrificans 208, 237, 238— ferrooxidans 237, 238, 246— novellus 237— thiooxidans 237, 238, 280— thioparus 237Thiobacterium 53, 236, 238— thooxidans 53, 215Thiocapsa 215Thiocystis 215Thiodendron 24, 236Thiomicrospira 236— denitrificans 208Thioploca 55, 236, 238Thiospaera 236Thiospira 53, 236, 238Thiospirillum 59Thiothrix 236, 238Thiovulum 53Tilletiopsis 263Tolypothrix 215, 268— tenuis 347Torula 79, 174ToxothrisTrema orientalis 231Treponema 23, 49, 107Tribonema 72

440

Trichoderma 78, 186, 190, 327,356, 384— lignorum 190, 193, 356, 357,358, 382— viride 186, 369, 385, 384— vulgaris 315Trichosporon 263Trichothecium 243— roseum 358

Ulotrichales 72Ureaplasma 67Ustilina 190

Vampirovibrio chlorellovorus 114Verticillrum 346— albo-atrum 356

— dahliae 355— lecanii 364Vibrio 52, 189Vibrionaceae 52Vitreoscilla 55Vorticella 75, 400

Xanthomonas 51Xanthophyta 72

Yersinia 181

Zabrus monachus 269Zygomycetes 77Zymomonas 378, 380Zymomonas anaerobica 169, 379— mobilis 165, 379, 380

Оглавление

Предисловие 3Введение 5

РАЗДЕЛ 1. ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

Глава 1. Морфология и ультраструктура клеток бактерий 211.1. Морфологические типы бактерий 211.2. Ультраструктура бактериальной клетки 261.3. Споры и спорообразование 40

Глава 2. Систематика прокариот 442 . 1 . О б щ и е с в е д е н и я п о с и с т е м а т и к е м и к р о о р г а н и з м о в . . . . 4 41.2. К р а т к а я х а р а к т е р и с т и к а о т д е л ь н ы х г р у п п б а к т е р и й . . . 4 8

Глава 3. Морфология и систематика эукариотныхмикроорганизмов 70

3.1. Водоросли — Algae 703.2. Простейшие — Protozoa 733.3. Грибы — Fungi 753.4. Вирусы 79

Глава 4. Генетика микроорганизмов 844.1. Наследственные факторы микроорганизмов 844.2. Механизмы, вызывающие изменениегенетической информации 884.3. Практическое использование достижений генетикимикроорганизмов и генной инженериив микробиологии 94

Глава 5. Микроорганизмы и окружающая среда 965.1. Влажность среды 965.2. Температурный режим 1015.3. Кислотность среды 1045.4. Присутствие молекулярного кислорода в среде 1065.5. Другие факторы среды 1075.6. Взаимодействие факторов внешней среды 112

442

Глава 6. Питание микроорганизмов 1166.1. Способы питания и поступления в клеткуразличных веществ 1166.2. Пищевые потребности микроорганизмов 1206.3. Типы питания 124

Глава 7. Метаболизм микроорганизмов 1287.1. Основные понятия 1287.2. Брожение 1337.3. Дыхание . 1417.4. Фотосинтез 1497.5. Биосинтез отдельных веществ микробной клетки 150

Глава 8. Рост и размножение микроорганизмов 1578.1. Основные понятия 157

Глава 9. Превращение микроорганизмами соединений углерода 1639.1. Спиртовое брожение 1659.2. Молочнокислое брожение 1699.3. Пропионовокислое брожение 1759.4. Процессы брожения, вызываемые бактериямирода Clostridium и энтеробактериями 1769.5. Окисление отдельных органических веществ 1819.6. Разложение целлюлозы и других органическихвеществ микроорганизмами 185

Глава 10. Превращение микроорганизмами соединений азота . . 19410.1. Минерализация азота 19510.2. Нитрификация. . . 20010.3. Иммобилизация азота 20510.4. Денитрификация : . 206

Глава 11. Фиксация молекулярного азота атмосферымикроорганизмами 209

11.1. Азотфиксация свободноживущимимикроорганизмами 21011.2. Ассоциативная азотфиксация 21611.3. Симбиотическая азотфиксация 21911.4. Бактерии-симбионты небобовых растений 22911.5. Биохимия азотфиксации 231

Глава 12. Микробиологические превращения соединений серы,фосфора, железа 235

12.1. Биологический цикл соединений серы 23512.2. Превращение соединений фосфора 24112.3. Превращение соединений железа 244

443

РАЗДЕЛ 2. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

Глава 13. Микроорганизмы почвы и их сообщества 24813.1. Методы определения численности,состава и активности почвенных микроорганизмов 24813.2. Структура микробных сообществ почв разных типов . 256

Глава 14. Экологические особенности развитиямикробных сообществ почвы 271

14.1. Температура почвы 27114.2. Влажность почвы 27314.3. Воздушный режим почвы 27514.4. Окислительно-восстановительный потенциал почвы . 27614.5. Кислотность почвы 27914.6. Механический состав почвы 28014.7. Биотические факторы 281

Глава 15. Влияние антропогенных факторовна микробное сообщество почвы 282

15.1. Обрабротка почвы. Мелиорация 28215.2. Органические удобрения 28715.3. Минеральные удобрения 30215.4. Химические средства защиты растений (пестициды). . 312

Глава 16. Взаимодействие микроорганизмов и растений 32516.1. Микроорганизмы зоны корня и ихвлияние на растение 32516.2. Симбиоз микроорганизмов с растениями 33016.3. Эпифитные микроорганизмы и хранение урожая . . . . 33516.4. Развитие на растениях токсигенных грибов 338

Глава 17. Микробные землеудобрительные биопрепаратыи их использование в сельском хозяйстве 341

17.1. Биопрепарат ризоторфин на основе клубеньковыхбактерий рода Rhizobium и Bradyrhizobium 34117.2. Биопрепарат азотобактерин на основеAzotobacter chroococcum 34517.3. Биопрепараты на основе культур цианобактерий . . . . 34717.4. Биопрепараты на основе ассоциативныхазотфиксирующих бактерий 34817.5. Другие микробные землеудобрительные 'биопрепараты 35217.6. Микоризация растений 354

Глава 18. Применение микроорганизмов и микробныхбиопрепаратов для борьбы с болезнями и вредителямисельскохозяйственных растений 355

18.1. Микробы-антагонисты и их применениедля защиты растений 355

444

18.2. Применение антибиотиков для защиты растений 35718.3. Использование микробных биопрепаратовдля борьбы с насекомыми-вредителямисельскохозяйственных культур 35918.4. Стимуляция роста растенийбиологически активными веществами 365

Глава 19. Использование продуктов микробного синтезадля кормления животных 367

19.1. Синтез кормового белка и аминокислот 36719.2. Синтез витаминов и ферментовмикроорганизмами 37119.3. Использование пробиотиков в сельском хозяйстве . . . 372

Глава 20. Превращение микроорганизмами растительного сырья(биоконверсия) 375

20.1. Применение методов биоконверсии в сельскомхозяйстве 377

20.2. Нетрадиционные пути биоконверсии растительныхуглеводов в этанол 37820.3. Получение гидролаз из полисахаридови микробного белка на крахмалсодержащем сырье 38120.4. Биоконверсия целлюлозо-лигниновых м а т е р и а л о в . . . . 38220.5. Получение биогаза из отходов ферм 38520.6. Силосование кормов как метод анаэробнойбиоконверсии 387

Глава 2 1 . Микробиологическая трансформация отходовагропромышленного комплекса 395

21.1. Аэробная микробиологическая очисткасточных вод 39521.2. Анаэробная микробиологическая очисткасточных вод 40421.3. Микробиология твердых отходов 414

Список литературы 427Приложение 429Указатель латинских названий 432