Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в возникновении и существовании биосферы

На Земле с момента ее возникновения совершается процесс пре­вращения и перемещения веществ, происходит взаимодействие живых существ с неживой природой, а также зеленых растений с животным миром. Роль зеленых растений в том, что они путем фотосинтеза стро­ят органические соединения из минеральных веществ. Кроме того, раз­лагая диоксид углерода, они выделяют в окружающую среду свобод­ный кислород. Животные и бесхлорофильные растения, лишенные спо­собности строить белок из неорганических соединений, нуждаются в готовых органических веществах и питаются растениями или другими животными. Они постепенно разлагают органические вещества, на­копленные зелеными растениями, до более простых соединений с ос­вобождением большого количества энергии. При этом они используют кислород, который выделяют зеленые растения.

Эта простая и стройная схема взаимоотношений зеленых расте­ний, животных и неживой природы не может объяснить равновесия между живой и неживой природой. Остается неясной причина минера­лизации органических веществ с образованием таких окисленных не­органических соединений, как вода, углекислота, минеральные соли, вполне пригодные для питания растений. В организме животных и ра­стений не все органические вещества окисляются до этих продуктов. С мочой и испражнениями животных, с остатками растений и трупами животных в почву попадает огромное количество органических ве­ществ, непригодных для питания растений. Эти органические остатки завалили бы Землю и сделали бы невозможной дальнейшую жизнь на ней, если бы они не разрушались и не вступали вновь в круговорот веществ в природе. Этот важнейший процесс минерализации органи­ческих соединений осуществляют микробы. Они постепенно разлага­ют сложные органические соединения на простые, доступные для пи­тания растений, и таким образом обеспечивают завершение кругово­рота углерода, азота, фосфора, серы и других элементов. Первым, кто указал на роль микробов как необходимых посредников между живой и неживой природой, был Пастер. Большую роль в изучении участия микробов в круговороте веществ сыграли работы Сергея Николаеви­ча Виноградского и Мартинуса Виллема Бейеринка.

Круговорот азота (рис. 10). С остатками растений, с трупами жи­вотных в почву попадают сложные азотсодержащие соединения, главным образом, белки. Эти вещества подвергаются гниению (аммо­нификации) с участием гнилостных микроорганизмов. Аэробные гни­лостные бактерии (В. subtilis, В. niesentericus, Proteus vulgaris) осуществ­ляют гидролиз белков до аминокислот, затем до конечных продуктов: сероводорода, аммиака и др. При действии анаэробных гнилостных микробов преобладают восстановительные процессы, и распад бел­ков идет не до конечных продуктов. Разложение мочевины осуществ­ляют уробактерии, с образованием аммиака и углекислоты. Аммоний­ные соли подвергаются дальнейшему окислению нитрифицирующими бактериями. Этот процесс идет в два этапа: 1) одни бактерии окисляют аммонийные соли до нитритов; 2) другие бактерии окисляют нитриты до нитратов. Две фазы нитрификации - это пример метабиоза: один микроб живет, используя продукты жизнедеятельности другого микро­ба. Азотнокислые соли наилучшим образом усваиваются растениями, поэтому образование нитратов повышает плодородие почвы.

В почве происходит обратный процесс денитрификации - разло­жение нитритов и нитратов денитрифицирующими бактериями с выде­лением свободного азота, что приводит к снижению плодородия почвы.

В то же время имеются микроорганизмы, которые усваивают ат­мосферный азот и синтезируют азотсодержащие органические соеди­нения. Это две группы микробов: свободноживущие почвенные азот-фиксирующие бактерии и клубеньковые бактерии, живущие в симбио­зе с бобовыми растениями, образуя клубеньки на корнях. Азотфиксиру-ющие бактерии обогащают почву азотом, повышая ее плодородие.

Круговорот углерода. Зеленые растения и фотосинтезирующие бак­терии усваивают диоксид углерода (СО₂) атмосферного воздуха, син­тезируя углеводы (глюкозу, фруктозу), полимерные соединения: цел­люлозу, крахмал, пектин. Образовавшиеся органические соединения используются человеком и животными для питания. После гибели рас­тений и животных органические вещества попадают в почву.

Возвращение диоксида углерода в атмосферу происходит в про­цессе окисления аэробными микроорганизмами углеводов с образова­нием СО₂, в процессе брожения. Микробная природа брожений была впервые установлена Пастером. В зависимости от образующихся про-

дуктов различают следующие виды брожения: спиртовое, уксуснокис­лое, молочнокислое, маслянокислое, а также разложение целлюлозы (клетчатки). Микроорганизмы, вызывающие брожение, имеют про­мышленное значение.

Спиртовое брожение - распад углеводов с образованием этило­вого спирта и диоксида углерода - вызывают дрожжевые грибы. Этот вид брожения известен давно и используется при изготовлении спирт­ных напитков.

Уксуснокислые бактерии окисляют этиловый спирт в аэробных ус­ловиях до уксусной кислоты. Они используются в промышленности, но при попадании в вино или пиво могут приводить к их порче.

Молочнокислое брожение вызывают лактобактерии. Конечным продуктом процесса является молочная кислота, которая губительно действует на гнилостные микробы кишечника. Молочнокислые бакте­рии применяют для изготовления кисломолочных продуктов: просток­ваши, йогурта, ацидофилина. Препарат лактобактерии, применяемый для устранения дисбактериоза, содержит культуру живых молочно­кислых бактерий.

Маслянокислое брожение осуществляют анаэробные бактерии. Ко­нечным продуктом брожения является масляная кислота, образование которой вызывает порчу консервированных продуктов.

Процессы разложения клетчатки, составляющей оболочку расти­тельных клеток, и брожение пектина - межклеточного вещества рас­тений - имеют большое значение в круговороте углерода в природе.