МИКРООРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Хорошо известно, что важнейшая особенность микроорганизмов заключается в их способности приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды. В процессе эволюции микроорганизмы адаптировались к самым различным экологическим условиям. Из литературных источников известны многие примеры осуществления жизнедеятельности микроорганизмов в экстремальных условиях. Так, известны бактерии, размножающиеся при весьма высоких температурах, например при 65—75 °С; микроорганизмы, растущие при температуре -6 °С; размножающиеся в среде, содержащей до 25 % NaCl; бактерии, которые обитают в воде, охлаждающей атомные реакторы, и переносят большое облучение; дрожжи, живущие в меде и варенье; бактерии, размножающиеся в кислых средах при pH 1,0 или выдерживающие давление в несколько сот атмосфер и т. п. Необычайная устойчивость микроорганизмов к различным факторам внешней среды позволяет им занимать крайние границы биосферы: их обнаруживают в грунте океана на глубине около 11 км, на поверхности ледников и снега в Арктике и Антарктике и высоко в горах, в почве пустынь, в атмосфере на высоте 20 км. Все среды биосферы буквально пронизаны микроорганизмами. Вездесущность микробов объясняется их уникальной способностью находить и утилизировать самые ничтожные источники энергии, углерода и азота для своей жизнедеятельности. Колоссальное генетическое разнообразие обусловливает удивительную адаптацию микробов к условиям обитания, гибельным для любых других живых существ. Исключительно интенсивная жизнедеятельность огромного числа разнообразных микроорганизмов является важнейшим фактором обеспечения динамического равновесия земной биосферы.

Основные среды обитания микроорганизмов в природе — почва, вода, воздух, животные и растительные организмы. Кожные покровы человека и сообщающиеся с внешней средой слизистые оболочки плотно колонизированы микробами. Микроорганизмы обитают обычно в виде сложных ассоциаций — биоценозов, представленных разными видами. Поддержание эволюционно сложившихся взаимоотношений между отдельными видами, а также между биоценозами и внешней средой чрезвычайно важно для существования всего царства протистов, в том числе и прокариот — бактерий и цианобактерий. Доказано, что бактерии способны самостоятельно обеспечить основные функции живого вещества, которые необходимы для дальнейшего существования биосферной оболочки нашей планеты. К таковым относят: энергетическую, концентрационную, деструктивную и средообразующую функции. Только благодаря активной деятельности бактерий реализуется замкнутый характер круговорота азота и углерода как обязательных конструктивных элементов биосферы.

Микроорганизмы могут осуществлять разрушение и обезвреживание различных загрязнений почвы, воды и воздуха.

Почва является естественной средой обитания микроорганизмов. Они находят в почве все условия, необходимые для развития: пищу, влагу, защиту от губительного влияния солнечных лучей и высушивания.

Микрофлора почвы по количественному и видовому составу значительно колеблется в зависимости от региональных и климатических условий, химического состава и физических свойств почвы, реакции (pH), температуры, влажности, степени аэрации. Существенно влияют также время года, агротехнические мероприятия, характер растительного покрова и многие другие факторы.

Микроорганизмы распространены по горизонтам почвы неодинаково. Меньше всего микроорганизмов содержится обычно в самом поверхностном слое почвы толщиной несколько миллиметров, где они подвергаются неблагоприятному воздействию солнечного света и высушиванию. С глубиной почвенного слоя изменяется видовой состав микрофлоры. В верхних слоях почвы, содержащих много органических веществ и подвергающихся хорошей аэрации, преобладают аэробные сапрофитные организмы, способные разлагать сложные органические соединения. Чем глубже почвенные горизонты, тем беднее они органическими веществами, доступ воздуха в них затруднен, поэтому здесь численность анаэробных бактерий увеличивается.

Микрофлора почвы представлена разнообразными видами бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей и простейших животных.

К постоянным обитателям почвы относятся различные гнилостные, преимущественно спорообразующие, аэробные и анаэробные бактерии; бактерии, разлагающие клетчатку; нитрифицирующие, денитрифицирующие, азотфиксирующие, серо- и железобактерии.

Деятельность почвенных микроорганизмов играет большую роль в формировании плодородия почвы. Последовательно сменяя друг друга, микроорганизмы осуществляют процессы, определяющие круговорот веществ в природе. Органические вещества, попадающие в почву в виде остатков растений, трупов животных и с другими загрязнениями, постепенно минерализуются, и происходит самоочищение почвы. Соединения углерода, азота, фосфора и других элементов из недоступных для растений форм преобразуются микробами в усваиваемые ими вещества.

Наряду с обычными обитателями в почве встречаются и болезнетворные микроорганизмы, преимущественно спорообразующие бактерии, например: возбудители столбняка, газовой гангрены, пищевого отравления (ботулизма) и др., поэтому загрязнение пищевых продуктов почвой представляет опасность для здоровья человека. Патогенные бесспоровые бактерии (например, брюшно-тифозные, дизентерийные), попадая в почву, сохраняются в ней неделями и месяцами, а споры бактерий и некоторые аспорогенные виды — годами.

Природные воды являются, как и почва, естественной средой обитания многих микроорганизмов, где они способны жить, размножаться, участвовать в процессах круговорота углерода, азота, серы, железа и других элементов. Численный и видовой состав микрофлоры природных вод разнообразен.

Состав микрофлоры подземных вод (артезианской, ключевой, грунтовой) зависит главным образом от глубины залегания водоносного слоя, его защищенности от попадания загрязнений извне. Артезианские воды, находящиеся на больших глубинах, содержат очень мало микроорганизмов. Подземные воды, добываемые через обычные колодцы из некоторых водоносных слоев, куда могут просачиваться поверхностные загрязнения, содержат обычно значительные количества бактерий, среди которых могут быть и болезнетворные. Чем ближе к поверхности расположены грунтовые воды, тем обильнее их микрофлора.

Поверхностные воды — воды открытых водоемов (рек, озер, водохранилищ и др.) — характеризуются большим разнообразием видов микрофлоры в зависимости от химического состава воды, характера использования водоема, заселенности прибрежных районов, времени года, метеорологических и других условий. Помимо постоянных обителей, в открытые водоемы попадает много микроорганизмов извне. Например, в реке, протекающей в районе крупных населенных пунктов или промышленных предприятий, вода может содержать сотни тысяч и миллионы бактерий в 1 см3, а выше этих пунктов — всего лишь сотни или тысячи бактерий в таком же объеме.

В воде прибрежной зоны водоемов, особенно стоячих, микроорганизмов больше, чем вдали от берега. Больше микроорганизмов содержится также в поверхностных слоях воды, но особенно много их в иле, главным образом в его верхнем слое, где образуется как бы пленка из бактерий, играющая большую роль в процессах превращения веществ в водоеме. Значительно возрастает число бактерий в открытых водоемах во время весеннего половодья или после обильных дождей, а также при сбрасывании хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. С различными органическими и минеральными загрязнениями сточных вод в водоемы попадают как сапрофитные, так и патогенные микроорганизмы.

Питьевая вода по составу и свойствам должна быть безопасной в эпидемиологическом отношении, безвредной по химическому составу и иметь хорошие органолептические показатели.

Наиболее удовлетворяют этим требованиям артезианские воды, многие из которых не нуждаются в очистке. Воду из открытых водоемов подвергают очистке на водопроводных станциях с целью улучшения ее физических и химических свойств и обеззараживания, в том числе от болезнетворных микроорганизмов.

Обеззараживают воду чаще всего методом хлорирования. Существенное преимущество хлорирования — пролонгированный эффект действия. В практике очистки используются также такие способы, как озонирование и облучение бактерицидными ультрафиолетовыми лучами и др. Ультрафиолетовое облучение может быть применено только для обработки воды с незначительной цветностью и мутностью. При этом бактерицидный эффект ультрафиолетового облучения зависит не только от качества воды, но и от используемого источника излучения (например, ртутные или ксеноновые лампы) и режима его работы. Озонирование отличается не только высоким бактерицидным эффектом, но и улучшает органолептические свойства воды.

В атмосферный воздух микроорганизмы попадают как из почвы, так и с водной поверхности, а также с поверхности растений, тела человека и животных ит.д.. Попадают они и с пылью, поднимающейся с различных объектов. Воздух не является благоприятной средой для развития многих видов микроорганизмов из-за малого содержания или отсутствия в нем влаги. В этой связи микроорганизмы сохраняют жизнеспособность в воздухе лишь определенное время. При этом некоторые микроорганизмы достаточно быстро погибают из-за обезвоживания клеток.

Видовой состав микрофлоры воздуха и ее количество заметно изменяется в зависимости от географических и климатических особенностей территорий, их санитарного состояния и других факторов.

В воздухе населенных мест, как правило, содержится значительно больше микроорганизмов, особенно в местах депонирования отходов, неорганизованных свалок и т. п. По мере удаления от подобных мест содержание микроорганизмов в воздухе заметно уменьшается.

Большую роль в снижении содержания микроорганизмов в воздухе играют зеленые насаждения. Трава, листья деревьев и кустарников обладают значительной пылезадерживающей способностью. Уместно отметить, что скашивание травы практически «до поверхности земли» в этом случае уменьшает пылезадерживающий эффект травы. В этой связи скашивание травы необходимо производить до определенного предела в зависимости от конкретных условий.

Известно, что источниками загрязнения воздуха патогенными микроорганизмами являются как больные люди и животные, так и наличие неорганизованных свалок различных отходов.

Состав микрофлоры воздуха жилых и производственных помещений изменяется в широких пределах в зависимости от скопления людей и состояния помещений, а также вида деятельности и характера перерабатываемой продукции и т. д.

На жизнедеятельность микроорганизмов в различных средах существенное влияние оказывает действие физических и химических факторов.

Температура имеет важнейшее значение для регуляции интенсивности метаболических реакций в микробных клетках. Известно, что жизнедеятельность микроорганизмов может осуществляться при различных температурах и в этой связи выделяют три группы микроорганизмов — термофилы, психрофилы и мезофилы. Для термофилов оптимальная температурный интервал составляет около 50—60 °С; для психрофилов —примерно 10—15 °С. Отдельные виды психрофил могут осуществлять жизнедеятельность даже в холодильных камерах, если температура внутри этих камер будет приемлемой для них.

Большинство известных микроорганизмов относится к мезофи- лам, для которых оптимальный температурный интервал составляет около 25—37 °С. При этом, как известно, для одних групп микроорганизмов необходимо строгое соблюдение температурного оптимума, а для других — некоторое приближение к температурному оптимуму.

Критические температуры неодинаковы для разных микроорганизмов. Известно, что повреждающее действие высокой температуры связано с необратимой денатурацией ферментов и других белков, низкой — с разрывом, например, клеточной мембраны кристаллами льда при быстром снижении температуры. Последний фактор является весьма значимым. Быстрое уменьшение температуры заложено и в технические решения, с помощью которых реализуется дезинтеграция (разрушение) биомассы микроорганизмов, например для извлечения из клеток отдельных веществ. При медленном понижении температуры не происходит повреждающего действия на клетку, но все метаболические процессы прекращаются, что позволяет создавать условия, при которых можно длительное время хранить клетки микроорганизмов с целью их последующего возможного использования.

При оптимальных температурах микроорганизмы хорошо развиваются на питательных средах и сохраняют свою жизнеспособность при отклонениях от регламентного режима.

Хорошо известно, что рост и размножение микроорганизмов происходят при наличии воды в окружающей среде и, наоборот, их угнетение и прекращение жизнедеятельности при отсутствии воды. И человечество давно использует хранение продуктов путем их высушивания. Следует также отметить, что поиск жизни, например, на планетах Солнечной системы, непременно увязывают с поиском воды. Вода необходима для пассивного и активного транспорта питательных веществ в клетки микроорганизмов. Известно, что споры бактерий сохраняются длительное время, иногда даже многие годы, в безводных средах. Также хорошо известно, что для длительного хранения бактерий, грибов и вирусов применяют технологию лиофильного высушивания, суть которой заключается в замораживании биомассы в специальных средах при низкой температуре с последующим медленным удалением кристаллизованной воды в вакуумных аппаратах. Высушенные микробы хранятся в специальных условиях в течение нескольких лет и даже десятилетий.

В промышленной биотехнологии хорошо известны, например, правила хранения биомассы кормовых дрожжей с остаточной влажностью не более 10 % в течение 6 месяцев от даты получения до использования.

Повреждающее действие клеток микроорганизмов от различных внешних воздействий, в том числе от ионизирующего излучения, зависит прежде всего от ее характера и источника и в меньшей степени от вида микроорганизмов, хотя следует отметить, что различные виды микроорганизмов по разному реагируют на излучение. Ионизирующее излучение может вызывать повреждения различной степени генома микроорганизмов, включая гибель клеток. При этом следует отметить, что для клеток микроорганизмов летальные дозы значительно выше, чем для животных и растений.

Эффект ультрафиолетового излучения, наоборот, в большей мере выражен при воздействии на микроорганизмы, чем животных и растения. УФ-излучение вызывает повреждения ДНК микробных клеток, которые приводят к мутациям или их гибели. Эффект поражающего действия УФ-излучения еще более усиливается при наличии в среде окислителей, например перекиси водорода или озона. Имеются сведения о практическом использовании установок для ультрафиоле- вого воздействия совместно с указанными окислителями для обработки опасных отходов, отдельных видов сточных вод и т. п., при использовании которых не только погибают микроорганизмы, но и разрушаются отдельные органические вещества.

Прямой солнечный свет чаще всего отрицательно влияет на жизнедеятельность большинства видов бактерий. Только некоторые микроорганизмы выдерживают воздействие солнечной радиации относительно легко. Влияние различных видов излучения на клетки микроорганизмов зависит от длины волны, а также интенсивности и длительности излучения. Излучение в видимой части спектра и инфракрасное излучение при интенсивном и длительном воздействии способно оказать поражающее влияние лишь на некоторые микроорганизмы, в первую очередь за счет теплового эффекта.

Также поражающим фактором является воздействие ультразвука на определенных частотах, которое может приводить к гибели микроорганизмов. Пока еще не совсем понятен механизм поражающего действия ультразвука. По-видимому, как отмечают многие разработчики, действие ультразвука способно вызывать разрушение как клеточной оболочки, так и отдельных структур клеток микроорганизмов. В отдельных случаях ультразвук может быть использован для дезинтеграции клеток микроорганизмов, напрмер дрожжей в случае их более широкого и эффективного использования.

Интересно отметить, что атмосферное давление даже в сотни атмосфер не оказывает заметного влияния на бактерии. Однако существенное значение имеет скорость изменения атмосферного давления. При быстром изменении давления происходит разрушение клеточной оболочки и гибель микробных клеток. На этом явлении основано действие способа дезинтеграции клеток микроорганизмов путем создания в среде высокого давления путем подачи сжатого воздуха, а затем сброса давления до атмосферного. В результате такого резкого изменения давления происходит разрушение клеток микроорганизмов.

Существенное влияние оказывает на жизнедеятельность микроорганизмов реакция pH среды. От нее зависит активность ферментов, являющаяся основой биохимической активности микроорганизмов. Например, при изменении pH дрожжи могут по разному продуцировать продукты метаболизма.

Большинство бактерий лучше развиваются в нейтральной или слабокислой среде. Важное значение при этом имеет pH сточных вод, направляемых на биологическую очистку. Для культивирования микроорганизмов активного ила, в котором основную окислительную функцию выполняют бактерии, необходимо поддержание pH в пределах 6,5—7,5. В некоторых случаях при биологической очистке pH среды слегка подщелачивают для изменения состава бактериального населения микроорганизмов активного ила. Микроорганизмы, которые хорошо развиваются в щелочной среде, получили название алка- лофильных. Бактерии, которые лучше растут в кислой среде, называются ацидофильными, например тионовые бактерии.

Многие вещества в зависимости от химического состава и их концентрации в среде могут оказывать на микроорганизмы стимулирующее, ингибирующее и бактерицидное действие. Вещества, которые действуют на микроорганизмы, вызывая их гибель, называют антисептиками. Такие вещества используют для уничтожения различных патогенных микроорганизмов. Например, хлорсодержащие вещества получили особенно широкое распространение в практике очистки воды для ее обезвреживания от различных микроорганизмов, включая патогенные.

Следует отметить и влияние (в большинстве случаев отрицательное) тяжелых металлов на процесс культивирования микроорганизмов, в частности на скорость роста и размножение.

Среди газов, оказывающих воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов, следует особо выделить кислород, который является обязательным компонентом любой клетки. Подавляющее большинство живых организмов используют кислород как в свободном, так и связанном виде. По отношению к молекулярному кислороду среди микроорганизмов различают: облигатные аэробы, облигатные анаэробы, факультативные анаэробы и микроаэрофилы.

В случае получения биомассы микроорганизмов при осуществлении аэробного процесса содержание кислорода в среде и его поступление в микробные клетки иногда имеет решающее значение для достижения высоких технико-экономических показателей. В качестве яркого примера можно привести процесс получения кормовых дрожжей на парафинах нефти, когда решение задачи о снятии лимитирующей концентрации кислорода позволило повысить отдельные технико-экономические показатели примерно в 1,5—2,5 раза.

В случае биологической очистки сточных вод с использованием современных технологий содержание кислорода в очищаемой среде варьируется от практически полного отсутствия свободного кислорода до определенного значения (2 мг/л и более) в аэробных зонах.

В целом в биотехнологических процессах в зависимости от поставленной задачи подача кислорода варьируется и регламентируется теми группами микроорганизмов, которые используются.

Взаимоотношения различных организмов, живущих в экосистеме, бывают самыми разнообразными. Микроорганизмы в различных группировках связаны между собой энергетическими цепями и испытывают взаимное влияние. Изучение этих взаимоотношений имеет чрезвычайно важное значение для понимания круговорота веществ в природе, образования почв, эволюции видов прокариот.

Органические вещества природного происхождения могут быть окислены в процессах жизнедеятельности микроорганизмов, и каким бы сложным ни был состав органического вещества всегда можно найти микроорганизмы, способные разложить исходное вещество на отдельные элементы, которые практически всегда используются другими микробами.

Рассматривая это на примере состава активного ила, можно найти представителей различных групп микроорганизмов с их четко выраженными функциями. В этой связи говорят о различных формах взаимоотношений между микробными группами.

Указанные положения имеют важное значение при выборе и использовании способов экологической биотехнологии.

Изучение влияния физических, химических и биологических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов позволяет регулировать их жизнедеятельность и делает возможным эффективное управление процессами культивирования микроорганизмов и более качественным использование биотехнологических процессов, в том числе при применении их в природоохранных технологиях.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >