Роль микроорганизмов в превращении веществ в природе
При самом активном, широком участии микроорганизмов в природе, главным образом в почве и гидросфере, постоянно осуществляется два противоположных процесса: синтез из минеральных веществ сложных органических соединений и, наоборот, разложение органических веществ до минеральных. Единство этих диалектически противоположных процессов лежит в основе биологической роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе. Среди различных процессов превращения веществ в природе, в которых микроорганизмы принимают активное участие, важнейшее значение для осуществления жизни растений, животных и человека на Земле имеют круговорот азота, углерода, фосфора, серы, железа.
Круговорот азота
В цикл превращения азота входят реакции синтеза сложных азотистых соединений и реакции минерализации органических азотсодержащих веществ до различных минеральных форм азота.
Цикл азота состоит из четырех этапов. Первый этап – это фиксация молекулярного азота, т. е. связывание свободного газообразного азота с другими элементами. Этот процесс осуществляется в основном живыми организмами и носит название биологической азотфиксации. К какой бы группе не относился азотфиксатор, конечными продуктами азотфиксации являются вещества белковой природы, аминокислоты и аммиак. Таким образом, в процессе фиксации молекулярный азот поступает в почву в виде органических и минеральных соединений. Затем органические вещества подвергаются минерализации с освобождением азота в виде аммиака. Поэтому второй этап цикла азота называют аммонификацией. На третьем этапе образовавшийся в процессе аммонификации аммонийный азот окисляется в нитриты и нитраты, происходит процесс нитрификации. Нитраты частично усваиваются корневой системой растений, а частично восстанавливаются в аммиак и молекулярный азот. Последнее составляет сущность четвертого этапа и носит название денитрификации. На этом цикл азота завершается.
|
|
|
Роль микробов в круговороте азота в природе
Важнейший элемент, входящий в состав белков а, следовательно, имеющий исключительное значение для жизни – это азот. В природе содержится около 80 тыс. т молекулярного азота. Для получения высоких урожаев запасы его огромны. В воздухе над каждым гектаром нашей планеты урожаев его хватило бы на миллион лет. В действительности же получение низких урожаев происходит преимущественно вследствие азотистого голодания растений, так как они не могут усваивать молекулярный азот воздуха без микроорганизмов. В живых существах, населяющих планету, содержится примерно 15–20 млрд. т азота, в почвах (в 30-сантиметровом слое) на каждом гектаре имеется в среднем 5–15 т азота. Азот, входящий в состав органических соединений почвы, не может использоваться, пока его не минерализуют микроорганизмы.
|
|
|
Таким образом, азотистое питание растений зависит от деятельности микроорганизмов. В круговороте азота в природе с участием микроорганизмов различают следующие этапы: усвоение атмосферного азота, аммонификацию, нитрификацию, денитрификацию.
Усвоение азота из атмосферного воздуха азотфиксирующими бактериями. Среди микробов, усваивающих атмосферный азот, различают две группы – свободноживущих и клубеньковых. Свободноживущие азотфиксаторы живут и фиксируют азот в почве независимо от растений. Основные виды этих микробов: Azotobacter chroococcum, C. pasteurianum Азотобактер на площади в 1 га в течение года фиксирует от 20 до 50 кг газообразного азота, повышая плодородие почвы. Наиболее интенсивно этот процесс идет при хорошей аэрации почвы. Клубеньковые бактерии – активные фиксаторы атмосферного азота в симбиозе с бобовыми растениями.
Конечные продукты аммонификации – аммиак, сероводород, сероуглерод, водород, углекислота, метан. Таким образом, аммонификация – это минерализация азотсодержащих органических веществ, протекающая под воздействием аммонифицирующих микробов, выделяющих протеолитические ферменты. Благодаря аммонификации представителей растительного и животного мира и их продуктов жизнедеятельности (мочевины, испражнений) почва обогащается азотом и другими соединениями. Одновременно с этим аммонифицирующие микробы выполняют огромную санитарную роль, очищая почву и гидросферу от разлагающегося органического субстрата.
|
|
|
Круговорот углерода
Углерод, также как и азот, – важнейший элемент органической жизни. Первоисточником углерода любого органического вещества является углекислота воздуха (рис. 35). Содержание ее в воздухе составляет 0,03 % от общего объема газов и является довольно постоянной величиной. Это постоянство поддерживается как физико-химическими, так и биологическими процессами.
Рис. 35. Роль микробов в круговороте углерода
Автотрофные микробы, используя солнечную или химическую энергию, превращают углекислоту в органическое вещество. Основной процесс, возвращающий углекислоту в атмосферу, – разложение органических соединений под влиянием микроорганизмов. Этот процесс разложения органических безазотистых соединений называется брожением. В природе существует много типов брожений, вызывающихся определенными видами микробов. Приведем только имеющие наибольшее значение для круговорота углерода.
|
|
|
Брожение клетчатки. В природе огромные запасы углерода сосредоточены в клетчатке (целлюлозе) растений. После их гибели идет разложение клетчатки с высвобождением углерода в виде углекислоты, возвращающейся в атмосферу. Наиболее интенсивно клетчатка разлагается целлюлозными микробами в пищеварительном аппарате травоядных животных. Различают анаэробное и аэробное брожение клетчатки.
Анаэробное брожение клетчатки происходит в два этапа, в первом она осахаривается. Во втором этапе сахар разлагается в зависимости от типа брожения на спирты, молочную, масляную кислоту, углекислоту, водород, метан и др.
В ветеринарии водородное и метановое брожение клетчатки в преджелудках крупного рогатого скота имеет особое значение. При поедании этими животными большого количества зеленой массы бобовых растений (люцерны, клевера), особенно влажной от росы или дождя, в их преджелудках происходит весьма интенсивное брожение с образованием большого количества водорода, метана, углекислоты. Эти газы вызывают острое вздутие рубца – тимпанию.
Интенсивно разлагают клетчатку в навозе в анаэробных условиях термофильный микроб C. termocelum, согревая его до 60–65 °С.
Аэробное брожение клетчатки наиболее интенсивно происходит под влиянием следующих трех родов микроорганизмов, широко распространенных в природе: Cytophaga – подвижных длинных палочек с заостренными концами, Celvibrio – изогнутых палочек, Celfacicula – коротких палочек. В аэробных условиях клетчатку разлагают также актиномицеты и плесневые грибы родов Aspergillus, Penicillium и др.
Целлюлозные микроорганизмы выполняют огромную санитарную роль, разлагая клетчатку отмерших растений, благодаря чему в почве накапливается гумус, повышающий ее плодородие.
Спиртовое брожение вызывается дрожжевыми грибами, разлагающими сахара ферментом зимазой с образованием этилового спирта и углекислоты, по следующему уравнению: С6Н1206 = 2СН3СН2ОН + 2С02.
Дикие дрожжи широко распространены в природе, они живут на цветах, листьях и стеблях растений, особенно в большом количестве на плодах. Культурные дрожжи используются в хлебопечении. Кефир изготовляется также с участием дрожжей. Вся промышленность по изготовлению этилового спирта, различных вин, пива основана на деятельности дрожжей. В животноводстве применяются жидкие и сухие кормовые дрожжи, богатые белками, жиром и витаминами.
Saccharomyces cerevisiae – пекарские, хлебные дрожжи – представляют собой овальные клетки величиной 8–10 мкм. Tarula utilis – кормовые дрожжи – крупные, круглые клетки, обладающие энергичным ростом, цитоплазма их богата жиром. Torula kephir – кефирные дрожжи – овальные и круглые клетки, сосредоточивающиеся в кефире колониями.
Молочнокислое брожение. В результате молочнокислого брожения, главным образом сахара, а также многоатомные спирты расщепляются до молочной кислоты. Схематически этот процесс можно представить следующим уравнением: С6Н12О6 = 2С3Н6О3.
Молочнокислое брожение – анаэробный процесс, протекающий без кислорода. Оно давно и широко используется человеком для изготовления различных молочных продуктов – масла, сыра, кефира, кумыса, простокваши. Приготовление силоса, квашение и соление овощей основано также на молочнокислом брожении. Возбудители этого брожения весьма широко распространены в природе, их обнаруживают в почве, воде, воздухе, на растениях, в животноводческих помещениях, на коже животных, в жилых помещениях.
Все молочнокислые бактерии являются антагонистами гнилостных микробов. На этом основано применение диетических молочнокислых продуктов для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний, вызванных гнилостными микробами у человека и новорожденных животных.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 320; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!