Железобактерии

Инструменты биотехнологических процессов

Основными инструментами биотехнологии для получения наиболее эффективных микроорганизмов являются селекция и генная инженерия.

Селекция – направленный отбор высокоэффективных особей в популяции вследствие естественной мутации микроорганизмов.

В природе процесс достаточно длительный, но под действием мутагенных факторов (жесткое излучение, азотистая кислота и др.) может быть значительно ускорен.

Плюсами селекции являются экологичность, натуральность продукта.

Минусами метода следует считать:

• длительность процесса;
• невозможность контролировать направление мутации – определяется по конечному результату.

Значение бактерий

Огромна роль бактерий в круговороте веществ в природе. В первую очередь это относится к бактериям гниения (сапрофитам). Их называют санитарами природы. Разлагая остатки растений и животных, бактерии превращают сложные органические вещества в простые неорганические (углекислый газ, воду, аммиак, сероводород).

Бактерии повышают плодородие почвы, обогащая ее азотом. В нитрифицирующих бактериях протекают реакции, в процессе которых из аммиака образуются нитриты, а из нитритов — нитраты. Клубеньковые бактерии способны усваивать атмосферный азот, синтезируя азотистые соединения. Они живут в корнях растений, образуя клубеньки. Благодаря этим бактериям, растения получают необходимые им азотистые соединения. В основном в симбиоз с клубеньковыми бактериями вступают бобовые растения. После их отмирания почва обогащается азотом. Это нередко используется в сельском хозяйстве.

В желудке жвачных животных бактерии разлагают целлюлозу, что способствует более эффективному пищеварению.

Велика положительная роль бактерий в пищевой промышленности. Многие виды бактерий используются для получения молочнокислых продуктов, сливочного масла и сыра, квашения овощей, а также в виноделии.

В химической промышленности бактерии используются при получении спиртов, ацетона, уксусной кислоты.

В медицине с помощью бактерий получают ряд антибиотиков, ферментов, гормонов и витаминов.

Однако бактерии могут приносить и вред. Они не просто портят продукты питания, но своими выделениями делают их ядовитыми.

Существуют бактерии-паразиты. Бактериальными болезнями являются тиф, чума, ангина, туберкулез, столбняк и многие другие. Люди заражают друг друга не только при контакте, но и через воду, окружающие предметы. Споры болезнетворных бактерий могут долго сохранять жизнеспособность, переживать весьма неблагоприятные условия. Поэтому проводятся различные мероприятия, направленные на уничтожение болезнетворных бактерий и их спор: химическая и ультрафиолетовая обработка помещений, проветривание, пастеризация, кипячение, стерилизация. От многих бактериальных болезней уже изобретены предохранительные прививки. Однако главной защитой является личная гигиена.

Типы метаболизма прокариотов

Если говорить о типах метаболизма бактерий, то их два: анаболизм и катаболизм.

• Анаболизм – тип метаболизма, результат которого – построение новых органических молекул внутри живого организма (этот тип метаболизма характерен для клубеньковых микробов).
• Катаболизм – тип биологического метаболизма, при котором химические реакции, протекающие внутри организма, разрушают поступающие в него органические соединения до простой органики или неорганики.

Но есть и более детальная типизация обменов веществ организмов, которая представлена в таблице.

Если говорить о биологической роли фототрофов, то она сопоставима с ролью растений. Колонии фототрофов, так же как и растения, насыщают атмосферу Земли кислородом. При этом фототрофы, так же как и растения, используют для этого солнечный свет и реакцию фотосинтеза.

Для человека фототрофы (бактерии и растения) не несут никакой угрозы, среди этих культур бактерий практически нет патогенов.

Хемотрофы – колонии бактерии, формирующие почвенный слой, а также формирующая составляющая накопления полезных ископаемых, которые хранятся в недрах Земли.

К хемотрофам относятся клубеньковые бактерии, которые живут в симбиозе с бобовыми растениями и фиксируют из атмосферы азот, необходимый для питания бобовым растениям. Другой возможности у бобовых растений получить атмосферный азот нет. Колонии клубеньковых прокариотов также не могут жить автономно, поскольку бобовые растения снабжают клубеньковых микроорганизмов необходимыми органическими сахарами.

Среди клубеньковых бактерий нет опасных для человека микробов. Весь метаболизм клубеньковых микроорганизмов не нуждается в получении энергии за счет преобразования органической материи. Продукты секреции клубеньковых прокариотов не содержат ядовитых для человека соединений.

Симбиоз клубеньковых микробов и бобовых используется в хозяйстве для обогащения почв азотом. Высадка бобовых значительно увеличивает содержание азота в почвах, на которых бобовые росли. Любые другие растения, которые высаживаются после бобовых, потребляют связанный атмосферный азот. Источником такого азота становятся корни бобовых и листья бобовых, а не секреция клубеньковых микробов.

Гетеротрофы – самая опасная для человека микрофлора. В отличие от клубеньковых и цианобактерий в основе обмена веществ гетеротрофов лежит процесс разложения органических тканей растений, животных и других организмов, в связи с чем именно среди этой группы микробов много болезнетворной микрофлоры для растений, животных и человека.

Размножение

Настоящие бактерии размножаются непосредственно прямым бинарным делением – клетка увеличивается в размерах, после достижения критической точки происходит деление на две равновеликие клетки. Архебактерии и цианобактерии являются прокариотами, как и настоящие бактерии, и по способу размножения полностью с ними схожи.

Помимо непосредственно прямого деления, для настоящих бактерий характерно несколько способов передачи генетического материала без образования новой клетки.

Различают следующие процессы:

• конъюгация, когда происходит передача части генетического материала от клетки-донора клетке-реципиенту;
• трансформация – привнесение генетического материала в виде растворимых ДНК в клетку;
• трансдукция – перенос бактериофагами фрагментов генетического материала между различными культурами.

Архебактерии и цианобактерии также способны таким образом разнообразить свой генетический материал.

Экология

Известны симбиозы сульфидокисляющих бактерий с трубчатыми червями и моллюсками, обитающими в донных гидротермах, а также с моллюсками, морскими ежами и другими беспозвоночными, обитающими на границе кислородной и бескислородной зоны литоральных илов.

Серные бактерии, образуя серную кислоту, способствуют разрушению горных пород, каменных и металлических сооружений. Колоссальное количество серных бактерий имеется в Чёрном море, где на глубине около 200 м вода насыщена сероводородом.

Илы, содержащие серобактерий, применяют для очистки сточных вод от сероводорода (за счёт превращения его в сульфат), а также для выщелачивания сульфидных руд. Предлагают использовать для очистки стоков штаммы бактерий, окисляющие сульфид до элементарной серы — это решает проблемы необходимости аэрации (для аэробных серобактерий), утечки сероводорода в атмосферу (издержки аэрации), коррозии труб, закисления почв и активации сульфатредукторов в местах выхода сточных вод. Закисление почв, прежде богатых сульфидами, в результате деятельности сульфидокислителей бывает весьма значительным (до pH = 1), что делает такие почвы непригодными для растений. Также известны случаи коррозии бетонных конструкций (например, канализационных труб) с участием этих бактерий — бетон содержит серу, которую серобактерии окисляют до сульфата, что повышает концентрацию протонов в растворе у поверхности труб — что, в свою очередь, ведёт к растворению карбонатов, входящих в состав бетона, и к интенсивному разрушению труб.

Виды хемолитоавтотрофных организмов

Хемосинтезирующие бактерии-автотрофы подразделяют на группы в зависимости от того, какой химический элемент или соединение является источником энергии и подвергается окислению.

Железобактерии

Бактерии, окисляющие двухвалентное железо до трехвалентного, живут в водоемах – как в пресных, так и в соленых. Именно благодаря деятельности этих бактерий-хемосинтетиков на дне водоемов скапливается большое количество железных руд и марганца.

В процесс окисления автотрофами-хемосинтетитками двухвалентного железа из гидрокарбоната железа (II) образуется гидроксид железа (III) и выделяется углекислый газ.

Серобактерии

Серобактерии – это хемосинтетики, способные получать энергию для синтеза органики при окислении соединений серы. Так, например, тиобактерии способны окислять сероводород, сульфиды, полисульфиды, тиосульфаты и другие соединения.

Результатом окислительной реакции этих хемосинтетиков чаще всего являются:

• при полном окислении – сульфаты;
• при неполном окислении – элементарная сера.

Серобактерии представляют собой целую группу различных прокариотов, куда относятся:

• фототрофные – зеленые и пурпурные серобактерии;
• нефотосинтезирующие – бесцветные серые бактерии.

Типичной средой обитания этих бактерий-хемосинтетиков считаются пресные и соленые водоемы. Бактерии могут обитать самостоятельно или являться симбионтами моллюсков, морских ежей и других беспозвоночных обитателей пограничной бескислородной зоны.

Учитывая свойство тиобактерий окислять сероводород, хемосинтетики с успехом используются для очистки стоков путем окисления сульфида водорода и других соединений серы до сульфатов. Одним из источников сероводорода является процесс гниения серосодержащих аминокислот. Однако это же свойство окислять соединения серы приводит к коррозийному повреждению и разрушению бетонных конструкций.

Тионовые бактерии

Это серобактерии, обладающие способностью окислять сульфиды, сульфиты и тиосульфаты, а также молекулярную серу до сульфатов.

Процесс имеет сходство с окислением сероводорода серобактериями. Характерная черта – отсутствие отложений внутриклеточной серы.

Представители тионовых бактерий обладают особыми свойствами: они остаются жизнестойкими при рН 2 (сильнокислая среда) и выдерживают присутствие тяжелых металлов в больших концентрациях.

Нитрифицирующие прокариоты

Автотрофной нитрификацией называют процесс окислительного воздействия бактерий-хемосинтетиков на аммиак, выделяющийся в процессе гниения, с получением азотистой или азотной кислот.

Сам процесс нитрификации проходит в 2 стадии:

• окисление аммиака с образованием нитрит-иона;
• окисление нитрит-иона до нитрат-иона.

Нитрозные и нитритные микроорганизмы

Бактерии принадлежат к различным подклассам протеобактерий. Они все – грамотрицательные хемосинтетики, синтезирующие необходимые органические соединения из углекислого газа. Чаще всего это мелкие и подвижные бактерии, обладающие жгутиками, расположенными или полярно, или перитрихиально.

Гетеротрофная нитрификация

Существует нитрификация бактериями-хемосинтетиками, при которой энергия, выделяющаяся в процессе синтеза, не используется для синтеза органических соединений. Такой процесс осуществляют бактерии-гетеротрофы. Их активность во много раз ниже, чем у бактерий-автотрофов, но именно они являются источниками чилийской селитры и всех процессов нитрификации, проходящих в средах с низким значением рН.

Бактерии, способные окислять водород и использовать высвобождающуюся энергию для синтеза органики. В большинстве своем обитают в почве.

Полная классификация

Сочетание признаков рассмотренных выше классификаций описывает все возможные типы питания:

1. Хемоорганоавтотрофы. Окисляют трудноусваиваемые вещества. Например, некоторые представители аминобактерий (Aminobacter), метилобактерий (Methylobacterium), флавобактерий (Flavobacterium), псевдомонад (Pseudomonas).
2. Хемоорганогетеротрофы. Большинство видов бактерий.
3. Хемолитоавтотрофы. Водородные, нитрифицирующие, серо-, железобактерии.
4. Хемолитогетеротрофы. Некоторые водородные бактерии.
5. Фотоорганоавтотрофы. Довольно редкий механизм питания, при котором окисляются неусваиваемые вещества. Встречается у некоторых пурпурных бактерий.
6. Фотоорганогетеротрофы. Часть пурпурных и цианобактерий.
7. Фотолитоавтотрофы. Некоторые зеленые, пурпурные и цианобактерии.
8. Фотолитогетеротрофы. Гелиобактерии, часть пурпурных, зеленых и цианобактерий.

Цианобактерии

Кроме того, часть бактерий относят к миксотрофному типу. Они могут одновременно использовать различные типы питания. Так, представитель родобактерий (Rhodobacteraceae) паракоккпантотропус (Paracoccus pantotrophus) обладает органогетеротрофным и литоавтотрофным типом питания. А цианобактерии не только синтезируют органику фототрофным путем, но и могут потреблять готовые органические вещества, разлагая их до неорганических.

Формирование колоний

Настоящие эубактерии размножаются быстро – клетка способна делиться каждые 20 минут. Помимо скорости, большое значение имеет способность ряда настоящих бактерий выделять в окружающую среду активные вещества, негативно действующие на конкурентные виды. Пример – молочнокислые бактерии понижают значение pH окружающей среды, и другие прокариоты не могут расти и размножаться. Или цианобактерии окрашивают воду водоемов – такая среда является токсичной для многих форм жизни.

После деления сестринские клетки на какое-то время остаются вместе, образуя цепочки, пакеты или гроздья – так образуются колонии. Для этих конгломератов характерно наличие капсулы из слизи, окружающей всю колонию.

Строение колоний, которые образуют цианобактерии, имеют ряд различий от групповых объединений настоящих бактерий. Как пример – рядом расположенные клетки связаны мостиками из цитоплазмы, проходящими клетки насквозь через отверстия в их оболочках. Подобным образом архебактерии, образующие большие колонии, объединяются через длинные трубочки.

Подобные свойства не свойственны архебактериям или настоящим. Для колонии, состоящей из одного или нескольких типов микроорганизмов не имеют значение соседи – каждая клетка функционирует совершенно автономно. Строение колонии и количество клеток может меняться со временем – это не имеет значения для жизнедеятельности отдельной клетки.

Консументы

Многоклеточные животные являются консументами нескольких порядков:

• первого – питаются растительной пищей (корова, заяц, большинство насекомых);
• второго – питаются консументами первого порядка (волк, сова, человек);
• третьего – употребляют в пищу консументов третьего порядка и т.д. (змея, ястреб).

Один организм может одновременно являться консументом первого и второго или второго и третьего порядка. Например, ежи в основном питаются насекомыми, но не откажутся от змей и ягод, т.е. ежи одновременно являются консументами первого, второго и третьего порядка.

Рис. 2. Пример пищевой цепочки.

Дыхание бактерий

При окислении веществ органической или неорганической природы высвобождается энергия, так необходимая для бактериальной клетки. Она идет на образование молекул АТФ — источника энергии. Для использования энергии химических реакций большинство бактерий использует кислород. Этот процесс называется дыханием.

Аэробные бактерии (аэробы)

Аэробы развиваются в средах, содержащих кислород.

• Облигатные аэробы развиваются только при наличии достаточного количества кислорода в окружающей среде. Такой тип дыхания характерен для бактерий, обитающих в почве, в водной среде, в воздухе. Их дыхание осуществляется через окисление сероводорода, метана, водорода, железа и азота (Sulfomonas denitrificans, Вас. methanicus, Вас. hydrogenes, Ferri bacterium и Nitrosomonas, Nitrobacter). Бактерии этой группы принимают активное участие в круговороте веществ в природе. В наличии кислорода нуждаются патогенные бактерии из рода Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella и др. В повышенном содержании кислорода нуждаются микобактерии туберкулеза, туляремии и холеры.
• Факультативные бактерии способны развиваться при наличии в окружающей среде минимального количества кислорода — Salmonella, Shigella, Escherichia и др.

Рис. 8. На фото аммонифицирующие бактерии подвергают останки погибших животных и растений разложению.

Рис. 9. Разлагают клетчатку целлюлозные бактерии. В результате их работы почва обогащается гумусом, что значительно повышает ее плодородие, а углекислота возвращается в атмосферу. Зеленым цветом окрашены внутриклеточные симбионты, желтым – масса перерабатываемой древесины.

Анаэробные бактерии (анаэробы)

Анаэробы развиваются без доступа кислорода, разлагая органические соединения в бескислородной среде. Свободный кислород подавляет активность ферментов этих бактериальных клеток. Бактерии этого типа обитают в компостных кучах, ранах больного человека, кишечном тракте людей и животных.

• Облигатные анаэробы не развиваются при наличии кислорода в окружающей среде (бактерии рода Clostridium, бактерии, вызывающие молочнокислое и маслянокислое брожение).
• Факультативные анаэробы развиваются в присутствии кислорода или без него (кокки).
• При небольшом количестве кислорода могут развиваться микроаэрофиллы Clostridium histolyticum, Clostridium tertium и др.

Рис. 10. На фото газовая гангрена. Заболевание вызывается анаэробными бактериями рода клостридиум.

Рис. 11. На фото сибирская язва. Заболевание вызывается анаэробными бактериями рода бациллюс.

Рис. 12. Биоспорин-Биофарма — отечественный препарат, содержащий апатогенные бактерии рода Bacillus. Споры Bacillus выделяют противомикробные вещества, способные подавлять рост целого ряда условно-патогенных бактерий, не влияя при этом на нормальную микрофлору кишечника.