Геохімічна діяльність водних мікроорганізмів
Мікробіоценози водних екосистем представлені численними у фізіологічному відношенні мікроорганізмами, різноманітність яких є важливою екологічною характеристикою. У кожну фізіологічну групу зазвичай входять різні в систематичному відношенні мікроорганізми, але вони поєднуються спільністю здійснюваних ними перетворень. Основна роль біоценозах відводиться групам мікроорганізмів, що у кругообігу найважливіших біогенних елементів — вуглецю, азоту, сірки, фосфору.
Аналіз фізіологічних груп дає можливість скласти уявлення про співвідношення мікроорганізмів, що здійснюють різні фізіологічні процеси, і до певної міри судити про панівні напрямки в цих процесах у даній екосистемі.
До основних фізіологічних груп бактерій, що характеризують антропогенне навантаження можна віднести аммоніфікуючі, нітрифікуючі, денітрифікуючі, вуглеводні, сульфатредукуючі мікроорганізми.
Поживні середовища:
Євтрофні мікроорганізми - середовище РПБ, РПА
Оліготрофні мікроорганізми - модифіковане середовище ММС:
NaCl – 7,0 г; MgSO4х7H2O - 1,0 г; KCl – 0,7 г; K2HPO4 - 2,0 г; Na2HPO4 - 3,0 г; NH4NO3 - 1,0 г; вода дистильована – 1000 мл; джерело вуглецю та енергії – 50 мг/л дріжджового екстракту; голодний агар.
Вуглеводневі бактерії - модифіковане середовище ММС з додаванням дизельного палива: NaCl - 7,0 г; MgSO4х7H2O - 1,0 г; KCl – 0,7 г; K2HPO4 - 2,0 г; Na2HPO4 - 3,0 г; NH4NO3 - 1,0 г; вода дистильована -1000 мл; дизельне паливо – 10 мл.
Амоніфікати -середовище РПБ з додаванням 3% пептону
Нітрифікуючі бактерії - середа Виноградського:
1) I фаза: (NH4)2SO4 - 2,0 г; K2HPO4 - 1,0 г; MgSO4х7H2O - 0,5 г; NaCl – 2,0 г; FeSO4х7H2O - 0,05 г; CaCO3 - 5,0 г; вода дистильована – 1000 мл.
2) II фаза: NaNO2 -1,0 г; K2HPO4 - 0,5 г; MgSO4х7H2O - 0,5 г; NaCl – 0,5 г; FeSO4х7H2O - 0,4 г; Na2CO3 - 1,0 г; вода дистильована – 1000 мл.
Теоретичні відомості
Потоки елементів Землі здійснюються замкнутим шляху як взаємозалежних і взаємозалежних циклів, які у масштабі всієї планети, і у кожної окремої екосистемі. Мікроорганізми здатні здійснювати всі реакції глобальних циклів, і тому є основними біогеохімічними агентами.
Кругообіг азоту складають такі процеси, як азотфіксація, амоніфікація, нітрифікація, асиміляційна та дисиміляційна нітратредукція. Мікроорганізми здатні здійснювати всі взаємопереходи форм азоту.
Амоніфікатори - фізіологічна групабактерій, використовують білки та амінокислоти як енергетичні субстрати, що супроводжується виділенням у середу аміаку.
Тобто. в процесі аеробної та анаеробної амоніфікації аміногрупи органічних сполук перетворюється на іон амонію. Біополімери (переважно білки) попередньо гідролізуються з утворенням мономерів (коротких пептидів та амінокислот). До найактивніших амоніфікаторів належать мікроорганізми - представники пологів Bacillus, Clostridium, Mycobacterium, Arthrobacter, Micrococcus, Pseudomonas, Proteus та плісняві гриби. Аміак виділяється також під час розкладання сечовини уробактеріями.
Нітрифікуючі бактерії. В результаті амоніфікації білкових речовин у ґрунті та водоймах утворюється аміак, що окислюєтьсяспецифічними мікроорганізмами у дві фази
Процес окислення аміаку в нітрат отримав назву нітрифікації, а бактерії названі нітрифікуючими. Ці бактерії були відкриті С. Н. Виноградським, який встановив, що кожна фаза окислення аміаку обумовлюється діяльністю певних мікроорганізмів: перша фаза-діяльністюNitrosomonas(окислюють аміак до нітритів), друга -Nitrobacterокислюють нітрити у нітрати).
Процес нітрифікації обумовлює збагачення ґрунту та водойм нітратами - найбільш доступною для рослин формою азотистого харчування. Нітрифікуючі бактерії є важливою ланкою в кругообігу азоту в природі.
Деяка частина амонію окислюється гетеротрофно без отримання енергії. В анаеробних умовах амоній і нітрит споживаються планктоміцетами, що здійснюють анаеробне окислення амонію, з утворенням молекулярного азоту. Амоній може також асимілюватись мікроорганізмами в реакціях амінування та переамінування. Рослини, деякі бактерії та гриби здатні до асиміляційної нітратредукції, що призводить до включення іону амонію до речовин клітини.
Денітрифікація широко поширений у природі процес відновлення нітратів до молекулярного азоту, що викликається бактеріями (що денітрифікують).
Багато факультативно анаеробних мікроорганізмів в анаеробних зонах активно здійснюють нітратне дихання (дисиміляційну нітратредукцію). Наприклад, відновлення нітратів до нітритів характерне для деяких видів пологів Bifidobacterium та Pseudomonas. Представникам пологів Bacillus, Paracoccus, Pseudomonas властиво відновлювати нітрати через низку продуктів до газоподібного азоту (здійснювати денітрифікацію).
Денітрифікація здійснюється за схемою:
Кінцевими продуктамиденітрифікації можуть бути N2, N2О та NO:
Замикає цикл азоту прокаріотичний процес азотфіксації, що відбувається як в аеробних, так і безкисневих умовах. Азотфіксатори виявлені в багатьох групах мікроорганізмів (серед ціанобактерій, метилотрофів, членів пологів Clostridium, Azotobacter, Rhizobium та ін.).
Вуглеводневокисляючі (УВ) мікроорганізми. Вуглеводні бактерії широко поширені в різних природних місцеперебуваннях - в морських і прісних водах, а також в грунтах. Відомо, що серед них немає вузькоспеціалізованих форм і здатні використовувати інші доступні джерела вуглецю та енергії - вуглеводи, амінокислоти, білки та інші сполуки.
Однак основний внесок у процеси біохімічного руйнування нафти роблять мікроорганізми, здатні використовувати вуглеводні як єдине джерело вуглецю та енергії. Такі форми зустрічаються, переважно, серед аеробних мікроорганізмів. Вони отримали назву вуглеводневих кислот.
До вуглеводневих бактерій відносяться бактерії з пологівAcinetobacter, Arthrobacter, Bacillus, Cytophaga, Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, Methanobacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Nocardia, Rhodococcus, Pseudomon> , Penicillium , Mucor, Fusarium, Trichoderma,дріжджі -Candida, Endomyces, Rhodotorula, Saccharomyces, Torulopsis.
Практична робота 4