ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ - М. И. Чернявская - 2016

Введение

Микроорганизмы присутствуют повсеместно. Например, в одном грамме почвы их содержатся миллиарды. Они объединены в систематические группы, обладают разнообразными свойствами и по-разному взаимодействуют между собой. Экологическая микробиология — это наука, которая изучает многообразие микроорганизмов в земных биомах, а также развивает подходы для исследования и последующего использования активности этих микроорганизмов.

Термин «микробная экология» («экологическая микробиология») впервые стали применять только в 60-х гг. ХХ в., хотя экологически направленные исследования микроорганизмов начали проводить задолго до этого. Еще А. Левенгук (1632 — 1723) выявил микроорганизмы в каплях дождевой воды (естественная среда обитания), а также исследовал влияние перца (фактор внешней среды) на микроорганизмы.

Основоположниками экологической микробиологии по праву считаются С. Н. Виноградский (1856 — 1953) и М. В. Бейеринк (1851— 1931), разработавшие принципы получения элективных (накопительных) культур. Виноградский впервые использовал градиенты света, сульфида и кислорода для изучения природных популяций сульфидокисляющих фотоавтотрофных бактерий, сульфатвосстанавливающих и хемоавтотрофных сульфид- и сероокисляющих бактерий, одновременно присутствующих в одном местообитании и осуществляющих взаимозависимые процессы. Созданная модельная система получила название «колонка Виноградского».

В настоящее время можно выделить следующие направления исследований в области экологической микробиологии:

1) аутэкология;

2) демэкология;

3) синэкология;

4) экофизиология;

5) экобиотехнология.

Аутэкология (от англ. out — внешний) — раздел экологии, изучающий влияние внешних абиотических факторов (физических и химических) на микроорганизмы.

Определение свойств совокупности особей одного вида (популяции) является предметом демэкологии. Известно, что популяция обладает свойствами, которые невозможно определить для отдельной особи данного вида, например, количество особей в совокупности, скорость изменения их обилия, средний размер особи в совокупности и др. Поскольку основным объектом демэкологии выступает популяция, ее также называют популяционной экологией.

Синэкология (от лат. syn — вместе) — раздел экологии, изучающий взаимодействие данного микроорганизма с другими организмами, окружающими его, т. е. с биотическими факторами. Таким образом, объектом исследования синэкологии выступают сообщества организмов, а предметом — многообразие межвидовых взаимоотношений внутри этого сообщества. Взаимоотношения между микроорганизмами могут носить характер:

1) симбиоза:

✵ собственно симбиоза — два или более вида создают взаимовыгодные условия для развития друг друга;

✵ метабиоза — выгоду извлекает только один партнер. Наиболее интересен синтрофический тип кооперации, когда при взаимодействии различных микроорганизмов может происходить такой процесс, который не способен осуществлять ни один из этих микроорганизмов в отдельности. Так, бактерии рода Arthrobacter в ассоциации с некоторыми видами Streptomyces могут полностью деградировать фосфорорганический инсектицид диазонин, используя его в качестве источника углерода и энергии. При этом ни один из этих организмов в отдельности на данном субстрате не растет;

✵ сателлитизма — разновидность метабиоза, при которой развитие одного микроорганизма стимулируется другим за счет выделения факторов роста;

✵ синергизма — члены ассоциации стимулируют развитие друг друга за счет выделения продуктов жизнедеятельности;

2) антибиоза (конкурентные отношения):

✵ антагонизма — активная конкуренция между видами, в результате которой происходит задержка или полное подавление развития микроорганизмов одного вида другим или взаимное угнетение;

✵ хищничества — одна группа организмов использует в пищу другую;

✵ паразитизма — один вид (паразит) использует другой вид (хозяина) в качестве источника питания и среды обитания, при этом хозяину наносится вред.

Взаимоотношения микроорганизмов с макроорганизмами в широком смысле определяются как симбиоз и могут носить характер:

✵ мутуализма — взаимовыгодного симбиоза, например, симбиоза морских животных (рыб, моллюсков) со светящимися бактериями (Photobacterium, Vibrio), продуцирующими хитиназу — фермент, необходимый для гидролиза оболочек планктона, главной пищи большинства относительно крупных морских животных;

✵ паразитизма — один из партнеров по симбиозу, в данном случае макроорганизм, испытывает на себе вредное воздействие другого партнера — микроорганизма, который является патогенным. Паразитизм достаточно широко распространен среди микроорганизмов. Влияние паразитов на состояние макроорганизма происходит не только благодаря трофическим взаимодействиям (использование организма хозяина в качестве среды обитания и источника питания), но и патогенным воздействиям, обусловленным токсическими и иммунологически чужеродными метаболитами паразитов;

✵ комменсализма — микроорганизмы питаются за счет макроорганизма-хозяина, не нанося ему ущерба. Такой тип взаимодействия можно наблюдать, например, в ризосфере растения. В процессе роста и развития растения в почве формируются так называемые корневые депозиты, состоящие из корневых экссудатов (низкомолекулярных веществ — сахаров, гормонов, витаминов, аминокислот и др., выделяемых корнями растения в почву), высокополимерной слизи полисахаридной и белковой природы, отмерших клеток корня. Многие микроорганизмы используют корневые депозиты в качестве источника питания, поэтому вокруг корней растений наблюдается более высокая плотность микроорганизмов — ризосферный эффект.

Важным разделом экологической микробиологии является экофизиология — изучение микроорганизмов в связи с занимаемой ими экологической нишей — совокупностью условий, обеспечивающих существование вида. Понятие «экологическая ниша» включает не только физическое пространство, заселяемое конкретным организмом, но и условия, трофическое положение, его функциональную роль в сообществе. В микробиологии экологическая (фундаментальная) ниша более всего соответствует физиологической группе организмов, т. е. группе организмов с определенными функциональными свойствами (например, азотфиксаторы, сульфатредукторы, метаногены и др). Экологические ниши могут быть узкими и широкими. Однако два организма с одинаковыми потребностями при наличии между ними конкурентного взаимодействия не могут занимать одну экологическую нишу (правило Гаузе), поэтому реализованная экологическая ниша всегда более узкая, чем потенциальная.

Разработка подходов использования микроорганизмов для решения экологических проблем — одно из направлений экобиотехнологии. Особенно активно микроорганизмы применяются для очистки природных и производственных сред от загрязнителей различной природы: нефти, нефтепродуктов, пестицидов, отходов промышленности и т. д.