Бактерии - древнейшие обитатели нашей планеты. Они появились примерно 3,8 триллиона лет назад и являются наиболее примитивно устроенной клеточной формой жизни, относящейся к прокариотам, не имеющим отдельного от остальной клетки ядра. Несмотря на огромное разнообразие, у бактерий есть нечто общее - они настолько малы, что их можно рассмотреть только в микроскоп с увеличением в сотни раз, поэтому их называют микроорганизмами, или микробами.
Но бактерии - наиболее стойкие обитатели Земли. Благодаря исключительной способности усваивать самые разные питательные вещества, малым размерам и легкой приспособляемости к различным внешним условиям они могут быть обнаружены там, где отсутствуют другие формы жизни. Ни низкие температуры, ни кипящие гейзеры, ни растворы солей, ни горные вершины, ни облучение атомных реакторов не мешают их существованию.
В БИОСФЕРЕ НЕВОЗМОЖНО НАЙТИ МЕСТНОСТЬ ИЛИ ЖИВОЙ ОРГАНИЗМ, не заселенные теми или иными бактериями. Истинное число видов бактерий ошеломляюще огромно. К настоящему времени известно около 10000 видов, а предполагается, что их существует свыше миллиона. Только в кишечнике человека обитает от 300 до 1000 видов бактерий общей массой до 1 кг, а во всем теле клеток бактерий в 10 раз больше, чем собственно человеческих клеток. Иначе говоря, человек на 90 процентов состоит из микробов и только на 10 процентов - из собственных клеток, то есть наш организм может считаться своего рода жилищем для бактерий. Микробы живут на всех внешних и внутренних поверхностях тела взрослого человека. В среднем на 1 кв. см кожи человека приходится 10 млн бактерий, поэтому естественно, что они играют исключительно важную роль в нашей жизни.
Заселение человеческого тела бактериями начинается с рождения, когда ребенок проходит через родовые пути. Затем этот процесс продолжается при грудном вскармливании и тесном контакте с матерью, что способствует быстрой колонизации кишечника прежде всего бактериями материнского организма. Это особенно важно с точки зрения полезности материнских бактерий. Недавние исследования показали, что дети, рожденные с помощью кесарева сечения, по сравнению с детьми, рожденными естественным путем, имеют более высокий риск развития таких заболеваний, как пищевая аллергия, астма, диабет I типа, желудочно-кишечные расстройства. Ученые считают это следствием заселения стерильного кишечника таких детей в основном бактериями из внешней среды, в первую очередь кожи матери. Напротив, у естественно рожденных младенцев обнаруживаются преимущественно те виды бактерий, которые содержатся в родовых путях матери и крайне важны для переваривания молока и создания здоровой кишечной микрофлоры.
Некоторые бактерии патогенны и могут вызвать различные заболевания верхних и нижних дыхательных путей, отит, туберкулез, желудочно-кишечные расстройства, а также кожные инфекции. Большинство бактерий, однако, не являются опасными для человека. Более того, человек и тысячи видов бактерий в процессе эволюции развивались так, чтобы быть полезными друг другу. То, что симбиотические бактерии выполняют в организме человека ряд очень важных функций, известно давно. Без них невозможно пищеварение, они вносят важный вклад в формирование иммунной системы. Однако новые исследования указывают на то, то роль бактерий явно недооценивается и они, похоже, в значительной степени причастны и к регуляции деятельности головного мозга, а тем самым, возможно, и нашего поведения.
Группа исследователей Каролинского института в Стокгольме смогла экспериментально показать, что нормальное развитие мозга возможно лишь в присутствии бактерий. Правда, опыты проводились не на людях, а на мышах, но результаты сравнения поведения двух групп взрослых мышей, выращенных в разных условиях - стерильных и в контакте с бактериями, убедительно указывали на то, что для полноценного развития организма контакт с микробами имеет ключевое значение, а стерильность препятствует нормальному развитию мозга. В этой связи исключительно важным представляется то, что наследственный материал симбиотических бактерий насчитывает в общей сложности в 150 раз больше генов, чем содержится в хромосомах клеток человека, при этом около 37% генов человека гомологичны с бактериальными. Многие из этих генов способны обмениваться информацией друг с другом, так что не удивительно, что бактерии активно воздействуют на свою среду обитания, то есть на развитие и жизнедеятельность человеческого организма.
Это влияние может быть и опосредованным. На протяжении веков люди нашли многочисленные способы применения бактерий. Бактерии, вызывающие брожение, уже давно используются для производства сыра, йогурта, уксуса, пива, вина, хлеба и других продуктов. Однако пищевая промышленность - далеко не единственная область, в которой бактерии играют важную роль.
В фармацевтической промышленности бактерии используются для производства антибиотиков, аминокислот, витаминов, ферментов и вакцин. Бактериальные продукты используются в производстве вакцин и биопрепаратов для профилактики инфекционных заболеваний. Вакцины против дифтерии, коклюша, столбняка, брюшного тифа и холеры изготавливаются из компонентов бактерий, которые вызывают эти заболевания.
В соответствии с принятой классификацией биотехнологических направлений более половины мирового производства относится к продукции "красной" биотехнологии (биофармацевтические препараты и биомедицина), 12% - к "зеленой" (агропищевая продукция), остальное - биоматериалы промышленного назначения ("белая" биотехнология).
За последние годы бурный технологический прогресс в мировой науке увенчался множеством сенсационных прорывов в области использования различных бактерий в повседневной жизни.
УЧЕНЫЕ ИЗ ТУЛЕЙНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ЛУИЗИАНЫ (США) ОБНАРУЖИЛИ
штамм бактерий, способный производить бутанол, перерабатывая бумагу. Штамм потенциально может стать источником топлива для автомобилей и одновременно способом утилизации целлюлозы. Поскольку бутанол в качестве биотоплива обладает множеством преимуществ по сравнению с распространенным сейчас этанолом, открытие может не только снизить стоимость производства биотоплива, но и положительно отразиться на его эффективности, а также снизить объем мусора за счет утилизации целлюлозы. Чтобы представить потенциальную выгоду, стоит учесть, что только в США ежегодно выбрасывается 323 млн т материалов, из которых бактерии могли бы произвести бутанол.
Отличным источником водорода, который можно использовать для экологически чистых и мощных двигателей, оказалась морская бактерия, найденная на побережье Тихого океана. Ученые из Вашингтонского университета штата Миссури обнаружили, что эта бактерия живет двойной жизнью - в светлое время суток она поглощает CO2 из окружающего воздуха, вырабатывая кислород с помощью реакции фотосинтеза, которая характерна для наземных растений, водорослей и некоторых одноклеточных организмов. Когда наступает ночь, метаболизм переключается на реакции другого типа - с помощью фермента нитрогеназы микроб захватывает из воздуха азот и перерабатывает его в необходимый для собственной жизнедеятельности аммиак. При этом в качестве побочного продукта выделяется атомарный водород.
УЧЕНЫЕ ИЗ УНИВЕРСИТЕТА НЬЮКАСЛА (ВЕЛИКОБРИТАНИЯ) С ПОМОЩЬЮ генной инженерии на основе бактерий вида Bacillus subtilis разработали новый вид бактерий, чтобы заполнять и "клеить" трещины в бетоне или асфальте. Бактерии начинают расти и размножаться, только если попадают в среду, уровень pH которой полностью соответствует уровню pH бетона. Они проникают в самые мелкие и глубокие трещины и размножаются там, пока не заполнят весь объем. И каждая бактерия выделяет в окружающую среду малое количество определенного фермента. Когда концентрация этого фермента в окружающей среде превышает запрограммированное значение, это служит своего рода сигналом срабатывания биологического выключателя. Бактерии начинают интенсивно вырабатывать карбонат кальция внутри оболочек, что, с одной стороны, приводит к их последующей гибели, а с другой - создает клейкий состав, который, высыхая, намертво скрепляет стены трещин.
Опыты показали, что материал на основе карбоната кальция, который скрепляет трещины, является намного более прочным, чем сам бетон. Самовосстанавливающийся бетон не только способен увеличить срок службы бетонных конструкций, но и позволит в два раза снизить затраты на ремонт и обслуживание, так как помимо того что бактерии "заживляют" трещины в бетоне, в процессе выработки известняка они используют кислород, который в противном случае может стать причиной коррозийных изменений в металле.
Существует технология производства строительных материалов из песка без обжига и выбросов углекислого газа. Профессор Джинжер Досир из Американского университета в Шарже в Объединенных Арабских Эмиратах разработала недорогую технологию, которая позволяет строить путем объединения песка, хлорида кальция, мочевины и бактерий блоки кирпичей, склеивающие все компоненты. Инновационная технология имеет огромный потенциал использования в строительной отрасли, если учесть, что ежегодно в мире производится 1,23 триллиона кирпичей в процессах, которые являются очень энергоемкими и генерируют большое количество СО2, загрязняющего воздух.
Одежду из, казалось бы, абсолютно неподходящего для этого материала разработали британские дизайнеры. Основой для ткани послужили бактерии, используемые при приготовлении напитков с содержанием кофеина. Стремительно размножаясь в присутствии дрожжей и сладкого зеленого чая, они превращаются в тонкие нити и образуют "микробную целлюлозу", пригодную для изготовления биоодежды. Дизайнер Сюзанна Ли уверена, что рано или поздно человечество сможет выращивать биоодежду.
ИЗ БАКТЕРИЙ МОЖНО ВЫРАСТИТЬ ТАКЖЕ УСТОЙЧИВУЮ УПАКОВКУ для транспортировки товаров. Для этого используются бактерии Acetobacter xylinum. Они буквально формируют бумагоподобную защитную оболочку, если покрыть ими предмет и обеспечить их питательной средой. Конечно, еще немало усилий нужно приложить для того, чтобы технология заработала и нашла место на рынке, но сама идея замечательная.
Скоро нельзя будет обойтись без бактерий и при добыче золота. Микробиологи обнаружили обитающую в средах с повышенной концентрацией ионов золота бактерию, выделяющую во внешнюю среду специальный белок, который осаждает частицы благородного металла. Поэтому вокруг ее колоний возникают темные кольца, состоящие из микроскопических золотых самородков. Возможно, в будущем эти микроорганизмы будут использованы в качестве индикаторов присутствия золота при поиске золотоносных жил.
Общеизвестно, что во многих странах мира по сей день из-за взрывов старых боеприпасов погибают и получают травмы десятки тысяч людей и животных. Шотландские ученые разработали простой и дешевый способ обнаружения мин. С помощью генной инженерии им удалось вывести бактерию, которая поглощает тринитротолуол и светится из-за вживленного ей гена медузы. По данным специалистов, технология заключается в распылении с воздуха на минные поля жидкости, содержащей бактерии. Бактерии скапливаются вокруг мин, из которых идет незначительная, но все же утечка тринитротолуола. Во время питания бактерии как бы ""загораются" под воздействием вживленных им генов светящихся медуз.
Все эти факты, которые составляют лишь незначительную часть случаев конкретного применения бактерий для решения насущных задач повседневной жизни, свидетельствуют о том, что они способны осуществлять самые разные химические реакции и это позволяет использовать их практически во всех сферах человеческой деятельности. Пока ученым удалось поставить на службу человеку лишь некоторые бактерии, Но, возможно, уже сейчас мы стоим на пороге новой технологической эры, когда бактерии совершат переворот в энергетике и промышленности, существенно облегчат жизнь человечества.
Технологическое применение биологических агентов, а именно использование бактерий с целью получения конкретных продуктов или проведения контролируемых направленных изменений, является основой биотехнологии.
Тысячи лет назад человек, ничего не зная о биотехнологиях, использовал их в своем хозяйстве – он варил пиво, занимался виноделием, пек хлеб и делал молочнокислые продукты и сыры.
В современном мире практическое значение методов биотехнологии с использованием бактерий трудно переоценить – они применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, в медицине и фармакологии, при добыче полезных ископаемых и их переработке, в процессе очистки воды в природе и в септиках, во многих сферах жизни человека.
Пищевая индустрия
Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили молочнокислые бактерии и дрожжи.
Механизм воздействия бактерий и дрожжей состоит в переработке молочного сахара в молочную кислоту, в результате чего нейтральный продукт превращается в молочнокислый.
Молочнокислые бактерии и дрожжи используют при сквашивании молочных продуктов и овощей, переработке какао-бобов, изготовлении дрожжевого теста. Способность прокариотов оказывать влияние на продукты определяется их высокой ферментативной активностью и определяется выделяемыми ферментами.
Одна из самых древних биотехнологий, используемых человеком, – производство сыров. Использование пропионовокислых бактерий при изготовлении твердых сычужных сыров позволяет получить продукт высокого качества с заданными свойствами.
Использование в технологической схеме пропионовокислых бактерий придает готовым сырам типичный для них цвет, вкус и аромат, обогащая продукт биологически активными веществами.
Бактерии способны в процессе своей жизни избирательно извлекать вещества из сложных соединений, растворяя их в воде. Этот процесс носит название бактериального выщелачивания и имеет большое практическое значение:
1. позволяет извлекать полезные химические вещества из руд, производственных отходов;
2. удалять ненужные примеси – мышьяк из руд цветных и черных металлов.
В промышленности большое практическое значение имеет бактериальное выщелачивание полезных ископаемых (уран, медь) непосредственно на месторождениях.
Современная медицина успешно использует препараты, для производства которых применяются бактерии:
1. инсулин и интерферон получают с использованием генно-инженерных технологий на основе кишечной палочки;
2. ферменты сенной палочки разрушают продукты гнилостного разложения.
Применение человеком методов биотехнологии в сельском хозяйстве успешно решает целый ряд вопросов:
1. создание болезнестойких и высокоурожайных сортов растений;
2. производство удобрений на основе бактерий (нитрагин, агрофил, азотобактерин и др.), в том числе компосты и сброженные (метановое брожение) отходы животноводства;
3. разработка безотходных технологий для сельского хозяйства.
Растениям в природе необходим азот, но усваивать азот из воздуха они не способны, а вот некоторые бактерии, клубеньковые и цианобактерии, в природе производят около 90% от общего числа связанного азота, обогащая им почву.
В сельском хозяйстве используют растения, содержащие на свои корнях клубеньковые бактерии: люцерна, люпин, горох, бобовые культуры.
Эти культуры используют в севообороте для обогащения почвы азотом.
В сельском хозяйстве силосование является одним из основных методов консервации растительной массы и осуществляется путем регулируемого сбраживания под воздействием молочнокислых, кокковидных и палочковидных форм бактерий.
Бактерии разлагают навоз животных, в результате получая метан – углеводородное соединение, которое используется в органическом синтезе.
Современная биотехнология опирается на многие науки: генетику, микробиологию, биохимию, естествознание. Основным объектом их изучения являются бактерии и микроорганизмы. Многие проблемы в биотехнологиях решает именно применение бактерий. Сегодня область их использования в жизни человека настолько широка и разнообразна, что вносит неоценимый вклад в развитие таких отраслей, как:
- медицина и здравоохранение;
- животноводство;
- растениеводство;
- рыбная отрасль;
- пищевая промышленность;
- добыча полезных ископаемых и энергетика;
- тяжелая и легкая промышленности;
- септик;
- экология.
Область применения бактерий в фармакологии и медицине настолько широка и значима, что их роль в лечении у человека многих заболеваний просто неоценима. В нашей жизни они необходимы при создании кровезаменителей, антибиотиков, аминокислот, ферментов, противовирусных и противораковых препаратов, пробы ДНК для диагностики, гормональных препаратов.
Неоценимый вклад в медицину сделали ученые, выявив ген, отвечающий за гормон инсулина. Вживив его в бактерию коли, получили выработку инсулина, спасая жизни многим больным. Японские ученые обнаружили бактерии, выделяющие вещество, уничтожающее зубной налет, тем самым предотвращая появление кариеса у человека.
Из бактерий-термофилов выводят ген, кодирующий ферменты, имеющие ценность в научных исследованиях, так как они нечувствительны к высоким температурам. При производстве витаминов в медицине используют микроорганизм Clostridium, получая при этом рибофлавин, выполняющий важную роль в здоровье человека.
Свойство бактерий вырабатывать антибактериальные вещества было применено при создании антибиотиков, решив проблему лечения многих инфекционных заболеваний, тем самым спасло жизнь не одному человеку.
В фармакологии создание лекарственных препаратов и синтетических вакцин, куда входят иммунорегуляторы, алкалоиды, нуклеотиды и ферменты, также невозможно без микроорганизмов.
Животноводство
Для возрастания привесов и увеличения скорости роста молодых особей применяют белково-витаминные добавки, ферменты, их продуцентами являются фотосинтезирующие бактерии. Снижая таким способом расход кормов и повышая производительность. При производстве силоса применяют E.coli commune, Lactis aerogenes, являющиеся молочнокислыми микроорганизмами. Незаменимую аминокислоту лизин, используемую в качестве пищевой добавки в животноводстве, продуцируют из таких бактерий, как Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium sp и Escherichia coli.
Применение бактерий распространено при создании высокопродуктивных пород, гормонов роста и пересадке оплодотворенной клетки. Препараты, созданные на основе Bac. subtilis и Bac. Licheniformis, используются в ветеринарии при лечении многих заболеваний.
Сельскохозяйственная отрасль
Использование пестицидов и удобрений в сельскохозяйственной отрасли приводит к негативному воздействию на микрофлору почвы. Для разрушения вредных веществ применяют аэробные и анаэробные бактерии.
Использование бактериальных удобрений способствует повышению урожайности. Из клеток Klebsiella и Chromatium получают бакпрепараты, удерживающие азот. Это дает возможность растениям усваивать азот, содержащийся в воздухе. Из Bacillus megathrtium получают фосфобактерин, повышающий содержание фосфора в почве и азота в зеленой массе. В качестве биозащиты растений от всевозможных вредителей разработаны микробиологические препараты на основе бактерий, которые не наносят вреда человеку.
Рыбная отрасль
Биотехнологии, применяемые в рыбных хозяйствах, позволяют создавать породы рыб, устойчивые ко многим заболеваниям, и породы с высокими темпами прироста. Также из продуцируемых бактерий в рыбной промышленности изготавливают кормовые добавки, ферменты и лекарственные препараты.
Пищевая индустрия
Широко применение биотехнологий в бродильной и пищевой промышленностях. Применение молочнокислых бактерий при изготовлении кефира, кумыса и кисломолочных продуктов способствует улучшению их вкуса и перевариваемости. Это достигается тем, что выделяемые ферменты разлагают молочный сахар на спирт и углекислоту. Для улучшения качества кондитерских изделий и сохранения свежести хлебобулочных в пищевой промышленности применяют ферменты, продуцируемые из Bac.subtilis.
Добыча и переработка полезных ископаемых
Применение биотехнологий в добывающей промышленности позволяет существенно сократить расходы и энергетические затраты. Так, применение литотрофных бактерий (Thiobacillus ferrooxidous), с их способностью окислять железо, используется в гидрометаллургии. За счет бактериального выщелачивания из низкосодержащих пород добывают драгоценные металлы. Для увеличения добычи нефти применяют метансодержащие бактерии. При добыче нефти обычным способом из недр извлекается не более половины природных запасов, а с помощью микроорганизмов происходит более эффективное освобождение запасов.
Легкая и тяжелая индустрия
Микробиологическое выщелачивание используют в старых шахтах для получения цинка, никеля, меди, кобальта. В горнодобывающей промышленности для восстановительных реакций в старых шахтах применяют сульфаты бактерий, так как остатки серной кислоты несут разрушающие воздействия на опоры, материалы и окружающую среду. Анаэробные микроорганизмы способствуют основательному разложению органических веществ. Это свойство применяется для очистки воды в металлургической промышленности.
Человек использует бактерии при производстве шерсти, искусственной кожи, текстильного сырья, в парфюмерно-косметических целях.
Очистка стоков и водоемов
Бактерии, участвующие в разложении, применяют для очистки септиков. Основа этого метода заключается в том, что питаются микроорганизмы сточными водами. Этим способом обеспечивается удаление запаха и обеззараживание стоков. Микроорганизмы, применяемые в септиках, выращиваются в лабораториях. Результат их действия обуславливается распадом органики на простейшие вещества, безвредные для экологии. В зависимости от вида септика подбираются анаэробные либо аэробные микроорганизмы. Аэробные микроорганизмы, помимо септиков, применяют в биофильтрах.
Для поддержания качества воды в водоемах и стоках, очистки загрязненной поверхности морей и океанов от нефтепродуктов также необходимы микроорганизмы.
С развитием биотехнологий в нашей жизни человечество шагнуло вперед практически во всех отраслях своей деятельности.
Почвенная кухня или невидимые помощники земледельца
Перед нами – пользователями земли стоит задача эффективного ее использования. Для этого необходимо понимание процессов обеспечивающих плодородие почв и такого понятия как гумус. Так многими отождествляются «гумус» и «перегной», а это не совсем так. Для того чтобы разобраться начнем мы, с истоков всего живого на Земле. А исток этот находится не где-нибудь далеко, а рядом - в "листочках" окружающих нас растений. Именно там образуются первичные органические соединения, дающие начало всему живому, под названием углеводы. Из самого названия уже видно, что это соединения, состоящие из углерода и воды, но в обыденной жизни нам привычнее слово "сахар".
Да, углеводы - это и есть первичные сахара: глюкоза, фруктоза… А образуются они в зеленой части листьев растений (называемой хлорофилл) под действием световой энергии Солнца, поэтому углеводы можно назвать "законсервированной энергией Солнца". Первичные сахара - это своего рода "кирпичики", из которых строятся и состоят все органические ткани растений, грибов и животных. Сразу оговорюсь, почему я назвал именно эти три группы наземных существ, акцентируя на них ваше внимание: по последним представлениям ученых, грибы (судя по их признакам) невозможно отнести ни к растениям, ни к животным. Это самые древние и многочисленные по видовому составу существа на планете. Но, продолжим. Образовавшиеся углеводы поступают в ткани растений, в их клетки, где происходит синтез (образование) уже других веществ, более сложных как по структуре, так и по химическому составу. При присоединении к углеводам других химических веществ образуются новые органические соединения: белки, жиры, витамины, экстрактивные и ароматические вещества, пигменты и т.д.
Для их образования растениям, кроме упомянутых выше углерода и воды, необходимы дополнительные элементы питания, основными из которых являются азот, фосфор, калий - их требуется много, поэтому их и назвали "макроэлементами". Других элементов (кобальт, цинк, магний, йод, железо, фтор, марганец…) требуется растениям меньше, их назвали "микроэлементами". Соединяя углеводы-"кирпичики" между собой, растения строят из них полисахара, или полимеры, т.е. имеющие огромную структурную формулу. Это лигнин и целлюлоза - очень прочные и стойкие соединения, составляющие каркас, основу скелета растительных тканей. Но где же берут растения химические элементы? Да, путем корневого всасывания солевых растворов этих химических элементов. Для этого у растений есть специальные приспособления на корнях - корневые "волоски", посредством которых растения и всасывают необходимые растворы. Но откуда им взяться, растворам? Нет, не все растворы почвы годятся для питания растений, которые они могли бы усвоить. Чаще всего химические элементы находятся в почве не виде готовых растворов, а в "связанном" состоянии, в виде природных минералов и их солей. Это ещё не пища для растений. Как быть?
И растения идут на хитрость. Они выделяют в прикорневую зону, называемую ризосферой, различные вещества: питательные, ароматические, экстрактивные и т.п., привлекая тем самым "помощников" (своего рода "поваров"), которые помогают растениям добывать из почвы связанные минеральные химические элементы, растворяя их и превращая в доступные продукты питания. Кто эти "повара" - помощники? Это прикорневые обитатели микромира - микробы - сожители. Они живут рядом с корнями, питаясь "подачками растений" в виде корневых выделений; по научному этих обитателей называют ризосферной микрофлорой, а также грибы-симбиотрофы. Но питаются "помощники" не так как животные - у них нет пищеварительных приспособлений и органов (рта, зубов, желудка, кишечника) - они всасывают необходимые вещества всей поверхностью тела, и за эту способность, по способу питания их назвали осмотрофы ("всасывающие всем телом"). Чтобы обеспечить наличие вокруг тела питательных веществ, "помощники" выделяют ферменты (вещества, расщепляющие различные соединения) непосредственно в окружающую среду, и очень много, чтобы наверняка растворилось. Заметьте, у животных пищеварительные железы выделяют соки с ферментами внутрь пищеварительного канала, а у микробов и грибов - наружу. Ну а когда кругом всё растворилось (расщепилось под действием ферментов) – то все "едят" с этого общего "стола", в том числе и растения. Но сделаю акцент: всё это возможно только благодаря ферментам микробов и грибов, т.е. ферментативному расщеплению.
Таким образом, корневое минеральное питание растений в естественной среде обитания (корнями в почве) идет опосредованно, т.е. благодаря микробам и грибам-симбионтам (сожителям). Это очень важный момент. Некоторые растения без симбионтов (бактерий или грибов) вообще жить не могут. Но пока мы говорим о питании растений, мы ведем рассуждения о том, как накапливается органическое вещество, т.е. растительная масса. Давайте посмотрим, а какие элементы и в каком количестве окажутся в этой массе: больше всего углерода - 50%; кислорода - 20%, азота - 15%, водорода - 8%. Но эти химические элементы растения получают из воздуха и воды. И только 7% остается на долю минералов: фосфора, калия и т.д. То есть макро- и микроэлементов в питании растений требуется "всего - ничего". Растения, усваивая углекислый газ воздуха, удовлетворяют 50% своего питания - таким образом, роль листьев и корней в питании растений примерно одинакова. Корнями растения впитывают воду и растворенные в ней химические элементы. Азот в виде азотистых соединений поступает двумя путями: из запасов почвы и из воздуха. Из воздуха азот фиксируется благодаря ризосферным бактериям, которые так и называются ризобии ("живущие на корнях"). Такие подробности в жизни растений пригодятся нам для дальнейших рассуждений.
Итак, растения выросли за сезон, накопили определенную массу, собрали в своих тканях химические элементы и солнечную энергию в виде простых углеводов. В планетарном масштабе это около 230 млрд. тонн сухого вещества, накопившего в себе энергию в десятки раз большую, чем дает сжигание за год всех видов топлива! Этот факт, указывают на то, что источником углекислого газа для углеродного питания растений являются не котельные и костры, не выхлопы автомобилей, а углекислый газ, выделяемый при дыхании обитателей почвы: микробов, грибов, червей (заботясь об увеличении их численности в почве, мы повышаем урожай).
И вот, пришла осень, и всё это сезонное органическое вещество в виде травяного и листового опада пожухло и упало на землю. Кому же оно досталось? Кто в природе такой прожорливый, кто способен столько съесть? А это представители почвенного микромира: микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, дрожжи, простейшие), грибы - сапрофиты (мертвоеды) и почвенные животные: кольчатые черви, насекомые.…Всех не стоит перечислять, потому что самыми прожорливыми в этом перечне являются кольчатые черви (дождевые, норные, подстилочные, навозные и т.д., всего 97 видов на территории страны). И хотя масса микробов с грибами и масса червей почти одинаковы, масса червей всё же больше: от 50 до 70% от всей биомассы почвы. Это важный факт биологического равновесия.
Но давайте идти по порядку, кто же первый начинает "кушать" этот детрит (разлагающиеся органические остатки)?
Рассмотрим это на примере леса, его листового опада. Что же происходит под этой природной "мульчей" (поверхностным покрытием)? Поскольку лесная подстилка, как и травяной "войлок" лугов, разлагается в течение длительного времени, она наслаивается и представлена в виде слоев различной степени разрушения: верхний, средний и нижний, с присущими этим слоям определенными представителями микрофлоры и грибов; все они сапротрофы (мертвоеды). Последовательность их развития на начальных этапах разложения опада протекает по следующей схеме (верхний слой):
Вначале здесь поселяются бактерии и низшие грибы, потребляющие легкодоступные (водорастворимые) органические соединения;
За ними следуют представители сумчатых грибов и несовершенные грибы, потребляющие крахмал (более сложный сахар);
Их сменяют, по мере разложения растительных остатков, базидиальные грибы, разлагающие лигнин и целлюлозу (самые сложные сахара - полимеры). По сути дела, это уже средний слой подстилки (полуразложившиеся, потерявшие очертания листья).
Еще ниже расположен гумусовый слой, однородный по механическому составу. В нем бесструктурное органическое вещество уже тесно связано с минеральной частью почвы, то есть это уже и есть гумус. Типичными представителями этого слоя из грибов являются шампиньоны, зонтики, навозники, дождевики и ложнодождевики. Это всё сапротрофы (мертвоеды), их роль важна и определенна в круговороте веществ в природе: разлагать сложные органические соединения до более простых, поэтому их ещё так и называют - редуценты ("разлагающие"). А для этого (вспомним осмотрофный способ питания микробов) они выделяют в распадающиеся мертвые растительные ткани огромное количество ферментов - как и в случае с симбионтами, с той лишь разницей, что их ферменты другие; у грибов мощнее ферменты. Ферментированные сложные органические вещества расщепляются до "кирпичиков" (мономеров) которые и усваивают микробы и грибы - сапротрофы.
Представим себе этот "бульон" из микробов и растворенной органической массы. Ферменты ведь выделены, и они делают свое дело – переваривают - под их действием перевариваются различные растительные остатки, только не в желудке (как у животных), а кругом. И кто себе "урвёт с общего стола", тот и сыт. Точнее каждый всосёт в себя то, что способен.
Ещё раз уточним, роль сапрофитов проста: расщеплять и усваивать, переваривая растительные остатки. Это своего рода "откормочный цех" почвы, потому что микробов плодится очень много, пока корм не закончится (листовой и травяной опад). Но при всём этом, микробы выделяют в почву много других химических веществ, продуктов своей жизнедеятельности: биологические активные вещества (БАВ). Благодаря им, из мономеров, которые не успели "скушать" микробы и грибы, в почве происходят процессы полимеризации в виде биохимических реакций. Полученные полимеры, соединяясь с минеральными элементами почвы, и представляют собой первичный гумус микробного и грибного происхождения (его ещё называют кислый гумус - "мор"). Это вторая роль "помощников": из того, что они переварили, но не успели "скушать" синтезировался (образовался) гумус. Таким образом, сапрофиты ещё и первичные накопители запаса питательных веществ в почве. Хотя эти процессы идут в почве независимо от них, но благодаря им, их выделениям. И процессы образования гумуса возможны только в последней стадии разложения детрита, при обязательном доступе кислорода, которого много в подстилке. Аналогичные процессы происходят и на лугах, под травяным опадом или "войлоком", с той лишь разницей, что большая роль здесь принадлежит микробам (актиномицеты, бактерии), а не грибам, и получаемый при этом гумус более качественный.
На этом роль сапрофитов закончилась. А что же с их "откормленными телами"? Их "едят растения"? Ничего подобного. А дальше приползают "монстры" в виде дождевых червей (назовем их так для простоты) и пожирают всех микробов и грибы вместе с остатками детрита и почвой. Они как киты в океане, с той лишь разницей, что не имеют приспособлений для фильтрации и пропускают через свою пищеварительную трубку массу почвы вместе с тем, что в ней находится, всё это переваривая. Заметьте, общая масса микробов и масса червей почти одинаковая. Это баланс.
После переваривания микробов и растительных остатков червями процесс распада органических веществ полностью завершился. С чего он начался, тем и закончился: выделением углекислого газа и воды и минерализацией химических элементов. И в нашем организме происходит то же самое: всё распадается до углекислого газа и воды, и от этого распада, благодаря ему мы получаем энергию Солнца, которую растения своим хлорофиллом законсервировали в виде простейших углеводов. Но микробы для червей "мясо" (источник животного белка), а растительные остатки - "хлеб" (источник углеводов). Кстати, кольчатые черви в естественных условиях - это основные потребители мертвых растительных остатков, они конкурируют в этом с микробами и грибами - подчищают всё, что "не доели" другие с общего "стола". Но, переварив всю эту "кухню", черви (так же, как и животные, как и мы с вами), усваивают только часть своей "пищи", остальное выделяют с копролитами (выделениями-испражнениями в виде комочков, камешков). В состав копролитов входят: непереваренная часть их пищи, пищеварительные соки, продукты их выделения, слизистые вещества, кишечная микрофлора…Копролиты червей - это и есть сама почва. Да, не удивляйтесь, на современном этапе - это доказанный факт. Поэтому роль пищеварительного процесса дождевых червей очень велика. Например, биологические активные вещества (БАВ) копролитов обладают антибиотическими свойствами и препятствуют развитию патогенной (болезнетворной) микрофлоры, гнилостных процессов выделению зловонных газов, обеззараживают почву и придают ей приятный запах земли. Если бы разложение биомассы почвы проходило по гнилостному пути, то мы все бы задохнулись от ядовитого зловония продуктов гнилостного полураспада. Вспомните, какой запах (за десятки километров) издают склады помета и навоза птицефабрик и свинокомплексов. В природных условиях этого не происходит, в почве нет "переГНОЯ", ему неоткуда взяться. А это устаревшее определение "перегной", превратившееся в расхожее слово для определения детрита (органики) почвы, так въелось в наш словарный обиход, как гнилостные запахи - в одежду работников птицефабрик и свиноферм (да простят они меня за это сравнение). Но об определениях чуть позже.
Но санацию (очищение от патогенов) почвы своими выделениями проводят не только черви, но также и микробы, грибы и сами растения. В современном представлении (по научным данным), в зоне корней - ризосфере и в зоне гиф ("грибницы") грибов - гифосфере, вследствие специфических выделений создается среда, благоприятная для одних групп микроорганизмов и грибов, и невыносимая для других (патогенов). Это тоже доказанный факт. Например, симбиотрофный (питающийся только за счет симбиоза с высшими растениями) гриб Триходерма лигнорум (см. препарат "Триходермин", содержащий споры гриба) "убивает" до 60 гнилостных огородных патогенов, возбудителей многих болезней растений, особенно грибных: Фузариоза, Фитофтороза, Парши…Среди микробов первенство принадлежит молочнокислым бактериям; особенно ярко это выражено в нашем кишечнике, где они являются буфером - защитой от гнилостных патогенов. Другой пример - молочная простокваша; она никогда не загниет, пока там есть молочнокислые бактерии. Выделяясь в окружающую среду с копролитами червей, их кишечная микрофлора и там оказывает свое действие. Но самый главный аргумент в пользу червей: в процессе переваривания растительных остатков и микробной массы с грибами, в пищеварительном канале червей формируются гуминовые вещества, представляющие собой полимеры, как мы уже знаем. Эти сложные полимеры отличаются по химическому составу от гумуса, образующегося в почве от микробной и, особенно, от грибной деятельности. Гумус червей ещё называют "мулль", или "сладкий гумус", это самый высококачественный гумус. Образовавшиеся в пищеварительной трубке червей (у них нет желудка) полимеры в виде гуминовых кислот впоследствии, выделяясь с копролитами, образуют комплексные соединения с минеральными веществами почвы (гуматы лития, калия, натрия - растворимый гумус; гуматы кальция, магния, других металлов - нерастворимый гумус). Эти вещества долго сохраняются в почве в виде стабильных соединений - водоемких, водостойких и механически прочных. Поэтому деятельность червей препятствует вымыванию из почвы подвижных питательных веществ и препятствует почвенной эрозии (разрушению). В копролитах червей в природе содержится до 15% гумуса на сухое вещество, а в культуре - еще больше (биогумус).
Подведем итог всему сказанному. Мы рассматривали пока "кладовщиков": они перерабатывают всю растительную сезонную массу органики в виде листового и травяного опада, складывают всё это в виде запасов в "кладовые" почвы в виде гумуса (теперь мы знаем, что это такое). Вернёмся к началу круговорота органических веществ в Природе, к питанию растений.
Давайте подробней рассмотрим их помощников: представителей ризосферной микрофлоры и грибов-симбионтов. Как мы уже знаем, наши "умные" растения, держась корнями в почве и "думая" тоже корнями, выделяют в ризосферу различные химические вещества, привлекающие туда микробов и грибов - симбионтов. Особенно это проявление "умной" деятельности корней замечено, когда питание растений не сбалансировано хотя бы по одному химическому элементу (особенно фосфору и калию). Растения своими ризосферными выделениями "дают команду" симбионтам добыть, например, фосфор. Команда принята, "пошли за фосфором", т.е. симбионты снабжают растения по потребности - что требуется в данный момент, то и доставят, и ничего лишнего - это, своего рода, и биологический фильтр, и дозирующий аппарат, позволяющий производить баланс химических элементов по ПРИРОДНОЙ технологии. Таким образом, роль ризосферной микрофлоры и грибов - симбионтов, несколько иная, чем сапрофитов: не складывать в "кладовку", а добывать из нее. И этот важный момент следует четко различать, говоря о предназначении тех или других микробов, с тем чтобы правильно применять биопрепараты на практике. Если требуется произвести питательные вещества в виде гумуса, то это роль сапрофитов и червей. Если требуется досыта накормить растения, то лучше симбионтов с этим никто не справится (надеюсь, это понятно). А в добывании питания для растений нет равных грибам - симбионтам, потому что они огромны: площадь всасывающей поверхности гиф в сто раз (и более) превосходит всасывающую поверхность корня. При наличие микоризы (грибокорень) корни растений перестают образовывать корневые волоски (помните - приспособления для всасывания), которые при таком мощном "насосе" как микоризный гриб, становятся бесполезными (зачем таскать воду ведрами, когда её качает насос?).
Роль ризоферной микрофлоры скромнее - та же доставка, но в большей степени атмосферного и почвенного азота. Хорошо, если грибы и микробы дополняют друг друга. Но ризосферная деятельность - это предмет другого разговора.
Пока же мы рассматривали, как обменные почвенные процессы происходят в природных условиях, что такое гумус и процессы его образования, и запомнили, что эти процессы возможны только в присутствии кислорода атмосферного воздуха под слоем природной мульчи в виде травяного и листового опада. И никак иначе, с обязательным участием аэробной микрофлоры (которая живет в присутствии воздуха, его кислорода), грибов и червей (других почвенных животных мы не рассматривали, хотя их роль не менее важна). А что происходит в гниющей куче навоза? А то и происходит - процессы гниения и образование "переГНОЯ".
Рассмотрим все это по порядку. После того как сложена большая куча навоза, тем более подстилочного, где все процессы будут еще ярче выражены, на первом этапе в ней происходят процессы "горения" (говорят, навоз "горит", т.е. разогревается с повышением температуры приблизительно до 70 градусов). Это связано с деятельностью термофильных бактерий, способных жить при высокой температуре. Коротко: начало - разогрев и полная санация простых бактерий. Потому что при такой высокой температуре погибают все бактерии, выделившиеся из пищеварительного тракта животных вместе с испражнениями - погибают все до единого, кто попал в эту "жаровню". Наши сторонники "органического" земледелия хлопают в ладоши и при этом кричат: "Ура, мы обеззаразили навоз!" Дудки. От чего обеззаразили? От полезной кишечной микрофлоры, того буфера, который сдерживал развитие патогенов? Да, полезные микробы все погибли (температура выше 35,5 градусов для них губительна, и это следует учитывать при работе с биопрепаратами), а осталась одна патогенная микрофлора - бациллы, а не простые беззащитные бактерии. И название они имеют другое, чтобы их сразу можно было отличить за способность принимать спорообразную форму. В таком состоянии (споровом) их может убить только температура 120 градусов, что достигается только в автоклаве, под давлением в 2 атмосферы, и то дробно (с остыванием и повторным нагревом). Бациллы сохраняют жизнеспособность в таком спорообразном состоянии столетиями.
Ну а что дальше? Навоз остыл. Гнилостные микробы из спор проросли в вегетативную форму, кругом "жратвы" навалом и никаких препятствий нет (все "противники" дохлые), условия подходящие - анаэробные, куча ведь большая. Ну и - вперед, за дело: "кушай и размножайся!". Кроме всех "достоинств", у них ещё и мощные протеолитические ферменты (расщепляющие белок, а в навозе много белка, особенно в свином, как и в курином помете), а "хряпать" они умеют, в основном белок (а углеводы достаются плесневым грибам, они тоже проросли из спор). Кстати сказать, протеолитические ферменты гнилостных анаэробов настолько сильны, что способны "расплавлять" живую ткань, поэтому почти все они - возбудители смертельно опасных раневых инфекций (типа гангрены). Вот это уже настоящий ГНОЙ! И что, такие процессы возможны в Природе? НЕТ, если мы рассматриваем почву, и ДА, если мы смотрим на гниющее болото, или труп. Вот тут они "санитары", но не в планетарном же масштабе происходят такие явления, если учесть, что оставшийся гнить труп животного, во-первых, редкость, во-вторых, мизер, как и площадь гниющих болот. Таким образом, я не отрицаю того, что гниение - это природное явление, но отрицаю, что оно характерно для почвообразовательных процессов. В здоровой почве нет "перегноя" до тех пор, пока вы сами его туда ни внесете, этот "переГНОЙ". Только потом не удивляйтесь, откуда на "удобренном" участке появилась фитофтора, парша, мучнистая роса…, или почему распухла рука от царапины. Источник один - "переГНОЙ". Далее, все гнилостные процессы никогда не идут до конца (при таком варианте разложения органики), а до так называемого "полураспада", потому что проходят без доступа кислорода. При гниении обязательно выделяются ядовитые продукты полураспада - гнилостные газы: метан, сероводород, индол, скатол…
Эти газы очень дурно пахнут. И если вдруг "учуяли" неприятные запахи, знайте: где-то по близости происходит распад органических веществ по гнилостному типу. И для распознания этого не требуются лабораторные исследования, природа мудро наградила нас внутренней природной лабораторией: нашим обонянием - для того чтобы мы мгновенно могли распознать, что "кушать" можно, а чего есть нельзя. Запомните, всё плохое всегда дурно "пахнет", а хорошее источает аромат. И если вы обнаружили, что почва в Вашем цветочном горшке или на огородной грядке, издает гнилостный, или "прелый" запах (от деятельности плесневых грибов) - караул, скорее спасайте ваши растения и почву в огороде. Бегом бегите не в магазин химикатов, а в ближайший Храм Природы - лес или луговое поле, где не ступала нога человека - и просите у него помощи.
Материал подготовил Добрин Ю.М. , участок 599 .
Технологическое применение биологических агентов, а именно использование бактерий с целью получения конкретных продуктов или проведения контролируемых направленных изменений, является основой биотехнологии.
Тысячи лет назад человек, ничего не зная о биотехнологиях, использовал их в своем хозяйстве – он варил пиво, занимался виноделием, пек хлеб и делал молочнокислые продукты и сыры.
В современном мире практическое значение методов биотехнологии с использованием бактерий трудно переоценить – они применяются в пищевой промышленности и сельском хозяйстве, в медицине и фармакологии, при добыче полезных ископаемых и их переработке, в процессе очистки воды в природе и в септиках, во многих сферах жизни человека.
Пищевая индустрия
Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили молочнокислые бактерии и дрожжи.
Механизм воздействия бактерий и дрожжей состоит в переработке молочного сахара в молочную кислоту, в результате чего нейтральный продукт превращается в молочнокислый.
Молочнокислые бактерии и дрожжи используют при сквашивании молочных продуктов и овощей, переработке какао-бобов, изготовлении дрожжевого теста. Способность прокариотов оказывать влияние на продукты определяется их высокой ферментативной активностью и определяется выделяемыми ферментами.
Одна из самых древних биотехнологий, используемых человеком, – производство сыров. Использование пропионовокислых бактерий при изготовлении твердых сычужных сыров позволяет получить продукт высокого качества с заданными свойствами.
Использование в технологической схеме пропионовокислых бактерий придает готовым сырам типичный для них цвет, вкус и аромат, обогащая продукт биологически активными веществами.
Бактерии способны в процессе своей жизни избирательно извлекать вещества из сложных соединений, растворяя их в воде. Этот процесс носит название бактериального выщелачивания и имеет большое практическое значение:
1. позволяет извлекать полезные химические вещества из руд, производственных отходов;
2. удалять ненужные примеси – мышьяк из руд цветных и черных металлов.
В промышленности большое практическое значение имеет бактериальное выщелачивание полезных ископаемых (уран, медь) непосредственно на месторождениях.
Современная медицина успешно использует препараты, для производства которых применяются бактерии:
1. инсулин и интерферон получают с использованием генно-инженерных технологий на основе кишечной палочки;
2. ферменты сенной палочки разрушают продукты гнилостного разложения.
Применение человеком методов биотехнологии в сельском хозяйстве успешно решает целый ряд вопросов:
1. создание болезнестойких и высокоурожайных сортов растений;
2. производство удобрений на основе бактерий (нитрагин, агрофил, азотобактерин и др.), в том числе компосты и сброженные (метановое брожение) отходы животноводства;
3. разработка безотходных технологий для сельского хозяйства.
Растениям в природе необходим азот, но усваивать азот из воздуха они не способны, а вот некоторые бактерии, клубеньковые и цианобактерии, в природе производят около 90% от общего числа связанного азота, обогащая им почву.
В сельском хозяйстве используют растения, содержащие на свои корнях клубеньковые бактерии: люцерна, люпин, горох, бобовые культуры.
Эти культуры используют в севообороте для обогащения почвы азотом.
В сельском хозяйстве силосование является одним из основных методов консервации растительной массы и осуществляется путем регулируемого сбраживания под воздействием молочнокислых, кокковидных и палочковидных форм бактерий.
Бактерии разлагают навоз животных, в результате получая метан – углеводородное соединение, которое используется в органическом синтезе.
Loading...