Роль микроорганизмов в круговороте веществ в биосфере

В состав живых организмов входит 60 химических элемен­тов из 105 известных. Благодаря жизнедеятельности организ­мов биоценоза в биосфере происходит биогенный круговорот веществ, который включает круговорот отдельных элементов (углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.).

Несмотря на малые размеры, роль микроорганизмов в кру­говороте веществ необычайно велика благодаря их высокой численности (масса мира микроорганизмов в 25 раз превос­ходит массу мира животных) и повсеместному распростране­нию. Причинами широкого распространения микроорганизмов являются: 1) чрезвычайно большая скорость размножения — при благоприятных условиях деление клетки происходит каж­дые 20—40 мин; 2) малые размеры клеток, в результате чего они легко переносятся токами воздуха; 3) легкая приспособляе­мость и высокая резистентность (выносливость) к условиям окружающей среды (теплу, холоду, недостатку влаги и т. п.). Они могут жить и размножаться там, где другие живые суще­ства обитать не могут; 4) исключительное многообразие источ­ников питания и способов получения энергии. Микроорганизмы практически всеядны и могут использовать все природные и даже неприродные (синтетические) соединения.

В круговороте веществ микроорганизмы выступают в роли продуцентов органического вещества и его деструкторов (раз­рушителей). Особенно велико значение микроорганизмов в круговороте углерода, который составляет 50%] живого ве­щества. Источником углерода для построения органических веществ является диоксид углерода, из которого растения, фо-тоавтотрофные и хемоавтотрофные бактерии создают свою массу. Эти организмы являются продуцентами органического вещества на планете. Только растениям ежегодно требуется до 60 биллионов тонн С0₂. Если бы запас С0₂ в атмосфере не пополнялся, то жизнь на Земле постепенно прекратилась, так как, по подсчетам ученых, имеющийся запас этого газа в ат­мосфере был бы исчерпан только растениями за 30—40 лет.

Ассимилированный растениями и автотрофными бактериям» углерод после их гибели вновь возвращается в атмосферу в виде С0₂ благодаря микроорганизмам. Микробные биоцено­зы выполняют колоссальную химическую работу по деструкции? отмерших животных, растений, а также клеток микроорганиз­мов. В результате их жизнедеятельности сложнейшие органи­ческие вещества (белки, углеводы, жиры) превращаются; в простые минеральные соединения (нитраты, аммиак, сульфа­ты). Они растворяются в воде, усваиваются растениями, кото­рые в свою очередь являются пищей для травоядных животных. В результате разложения органических веществ освобожда­ется значительное количество С0₂. Доля С0₂, образуемого в результате жизнедеятельности микроорганизмов, составляет 95% от его общего количества, образуемого всеми живыми существами.

Значение минерализующей деятельности микроорганизмов исключительно велико. Они являются активными санитарами, без них, по образному выражению Л. Пастера, земля была бы загромождена трупами, а лучшие пастбища и тропические леса; превратились бы в бесплодные пустыни.

Микрофлора почвы. Образование почвенного слоя в лито­сфере длилось тысячелетиями под воздействием физических, химических и особенно биологических факторов. Почва — это основная экосистема, являющаяся местом обитания множества различных животных, растений и особенно микроорганизмов. В почве всегда в достатке имеются необходимые для их жизни; питательные вещества и влага.

Количественный и видовой состав микрофлоры почвы зави­сит от типа почвы, климатических условий, характера расти­тельного покрова и др. Наиболее интенсивное развитие микро­организмов наблюдается в удобренной почве. Например, в 1 г плодородной садовой почвы содержатся миллиарды различных микроорганизмов (спорообразующих и неспороносных бакте* рий, актиномицетов, мицелиальных грибов). Микрофлора дер­ново-подзолистых почв гораздо беднее. Микроорганизмы обита­ют в песках пустынь и льдах Арктики и Антарктиды.

В самом поверхностном слое почвы толщиной в несколько миллиметров микроорганизмов не так много, так как здесь на них оказывает неблагоприятное воздействие солнечный свет и высушивание почвы. Следующий слой толщиной до 5—10 см заселен наиболее обильно, и в 1 см³ насчитывается около 100 тыс. микроорганизмов. По мере углубления число микро­организмов постепенно снижается, хотя даже на глубине 5 м были найдены микроорганизмы. С глубиной меняется качест­венный состав микрофлоры. В верхних слоях почвы содержится много органических веществ, попадающих извне, там хорошая аэрация и поэтому преобладают аэробные гетеротрофные микроорганизмы. В более глубоких почвенных слоях значительно меньше органических веществ и кислорода, поэтому там преобладают анаэробные бактерии. Особенно широко пред­ставлены в почве аэробные и анаэробные гнилостные бактерии, маслянокислые, разлагающие целлюлозу, денитрифицирующие и нитрифицирующие, азотфиксирующие, актиномицеты и другие бактерии, а также мицелиальные грибы.

Плодородие почв связано с жизнедеятельностью микроор­ганизмов, с активным участием их в круговороте веществ в поч­ве. Однако органические вещества животных и растительных остатков подвергаются минерализации частично, а оставшаяся незатронутой часть их превращается в сложные соединения, составляющие почвенный гумус (перегной). Он довольно устой­чив к воздействию микроорганизмов и медленно подвергается минерализации. Накопление перегноя в почве способствует повышению ее плодородия. Чем больше перегноя в почве, тем энергичнее в ней протекают микробиологические процессы и активнее круговорот веществ, что играет огромную роль в на­коплении питательных веществ для растений.

Кроме сапрофитов в почве встречаются и патогенные бакте­рии— возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены, си­бирской язвы и различных кишечных инфекций. Поэтому за­грязнение сырья и готовой продукции почвой может привести не только к потерям ценных питательных веществ и снижению их качества вследствие микробной порчи, но и к инфекцион­ным заболеваниям и пищевым отравлениям.

Микрофлора воды. Гидросфера включает подземные воды, поверхностные воды и воды Мирового океана (совокупность, морей и океанов) и занимает ^ъ/₄ поверхности планеты. Вода является таким же естественным биотопом для микроорганиз­мов, как и почва, где они активно размножаются, и участвуют в процессах круговорота веществ.

Количество микроорганизмов в воде зависит от ее проис­хождения. Поскольку в пищевой промышленности пользуются, как правило, пресной водой, то ниже будут рассмотрены только пресноводные природные воды.

Подземные воды. Эти воды (ключевые, грунтовые, ар­тезианские) содержат неодинаковые количества микроорганиз­мов. Ключевые воды бедны микрофлорой, что объясняется адсорбцией микроорганизмов на частичках почвы при прохож­дении воды через грунт. Грунтовые воды, особенно мелких колодцев, обычно содержат значительное количество микроор­ганизмов, в том числе и патогенных, попадающих туда в ре­зультате просачивания поверхностных вод во время весенней распутицы, а также с воздухом, пылью, дождем. Артезианские воды, в отличие от грунтовых, залегают на больших глубинах и являются наиболее чистыми. Единичные микроорганизмы по­падают в воду при прохождении ее через трубы, сама же артезианская вода свободна от бактерий.

Поверхностные воды (континентальные во­доемы). Это воды открытых водоемов — рек, озер, водохрани­лищ, прудов. Микрофлора их многочисленна и разнообразна, что зависит в первую очередь от количества питательных веществ. Чем больше вода загрязнена органическими остатка­ми, тем больше в ней микроорганизмов. Степень аэрации, температура, химический состав воды, ее прозрачность, от которой зависит глубина проникновения солнечного света, близость населенных пунктов и. промышленных предприятий, откуда в водоемы поступают сточные воды, время года и т. д. также оказывают большое влияние на количественный и видо­вой состав микрофлоры воды.

Микрофлора поверхностных вод состоит из собственно вод­ных микроорганизмов и попавших извне — из почвы, воздуха, с хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами. Так, воды рек по течению выше городов всегда беднее микро­флорой, чем в самом городе и ниже его, где реки вбирают массу стоков. С ними в водоемы попадают и патогенные мик­роорганизмы.

Основная масса микроорганизмов попадает в водоемы из почвы. Так, в водоемах со стоячей водой (пруды, озера) коли­чество бактерий в прибрежной зоне, непосредственно сопри­касающейся с почвой, всегда значительно больше, чем на уда­лении от берега. Число микроорганизмов возрастает во время таяния снега и половодья. Много микроорганизмов содержится также в поверхностных слоях воды, так как какое-то количе­ство микроорганизмов попадает в воду из воздуха, частично оседая с пылью, а частично — с атмосферными осадками.

Количество бактерий в воде резко возрастает в дождливую погоду и уменьшается в солнечную. Много микроорганизмов в придонных слоях воды, и особенно в поверхностном слое ила на дне водоема, где оседают разнообразные растительные и животные остатки, богатые органическим веществом. Здесь происходят интенсивные микробиологические процессы, обеспе­чивающие круговорот веществ в водоеме.

Микрофлора воздуха. Микроорганизмы обнаруживаются в нижнем слое атмосферы — тропосфере (на высоте до 9—11 км). Наибольшее количество их находится в прилегающем к земле слое (около 1 м). Токами воздуха микроорганизмы заносятся даже в стратосферу, они обнаружены на высоте 20 км и более.

Атмосферный воздух является наименее благоприятным биотопом для микроорганизмов из-за недостатка питательных веществ, капельно-жидкой влаги, а также действия ультрафио­летовых лучей. Если в воде и почве микроорганизмы могут не только сохраняться, но и активно размножаться, то в воздухе они лишь временно сохраняют свою жизнеспособность. Бла­годаря этому микрофлора воздуха сравнительно немногочислен­на. Попадают микроорганизмы туда в основном из почвы, с растений и животных, разносятся ветром с пылью, с атмосферными осадками, например при тумане, немалую роль играют и насекомые.

Количество микроорганизмов в 1 м³ воздуха колеблется от нескольких единиц до многих десятков тысяч. Это связано со степенью чистоты воздуха: чем он чище, тем меньше в нем микроорганизмов. Воздух над густонаселенными городами обычно содержит большое количество микроорганизмов, но по мере удаления от поверхности земли их становится меньше. В арктических областях, а также на высокогорье или на море вдали от берега воздух исключительно чист. В воздухе лесов, особенно сосновых, содержится мало микроорганизмов в связи с губительным действием на них летучих веществ (фитонцидов), выделяемых деревьями. В воздухе удобряемых полей микро­организмов больше; в одной и той же местности до дождя их больше, чем после дождя; зимой в воздухе их значительно меньше, чем летом.

Микрофлора воздуха представлена в основном различными видами спорообразующих бактерий, в ней много пигментных форм. Очевидно, пигменты играют защитную роль при дейст­вии ультрафиолетовых лучей на бактериальную клетку. Обычно в воздухе встречаются споры различных мицелиальных грибов и дрожжей. Патогенные бактерии практически в открытом воздухе отсутствуют, они обнаруживаются обычно только в воз­духе закрытых помещений.