Разложение природных веществ (лигнина, белков, целлюлозы, агара, хитина) микроорганизмами. Роль микроорганизмов в гумусообразовании

Лигнин. Содержание лигнина в деревянистых тканях со­ставляет от 18 до 30% сухой массы. Этот растительный продукт подвергается биологическому разложению. Все мономерные блоки в молекуле лигнина- это производные фенилпропана, главным образом конифериловый спирт. Слож­ность строения лигнина обусловлена разнообразием связей, при помощи ко­торых мономерные блоки соединены друг с другом. Фенилпропаноидные единицы в молекуле лигнина различным обра­зом соединены между собой при помощи эфирных и углерод- угле­родных связей. Эти связи чрезвычайно устойчивы к действию ферментов. Лигнин в растениях представляет собой конечный продукт, который не вовлекается в метаболизм и выполняет лишь механические функции. Только микроорганизмы могут разрушать его. Разложение лигнина. Разрушающие древесину базидиомицеты можно разделить на две группы. Возбудители бурой гнили превращают древе­сину в красновато-коричневую массу; они разрушают главным образом целлюлозные и гемицеллюлозные компоненты древесины. Возбудители белой гнили разру­шают древесину с образованием почти белой массы; они действуют на лигнин. К гри­бам, разрушающим прежде всего лигнин, относятся Polystictus versicolor и некоторые другие. Есть также грибы, дей­ствующие одновременно на лигнин и целлюлозу: Pleurotus ostreatus, Ganoderma applanatum, Polyporus adustus. Первичное воздействие при разрушении лигнина осуществляют экзоферменты. Поскольку грибы, разрушающие лигнин, обычно выделяют фенолоксидазы, считают, что именно эти ферменты ответственны за отщепление ароматических соединений. Неклеточные оксидазы.

Применение: переработка древесины, корм в с/х.

Разложение белков. Белки - важный питательный субстрат, = аминокислота + пептидные связи.

- протеазы – экзоферменты. Протеазы делятся на 2 группы: 1) Экзопептидазы- отщепление углеродного остатка от азота или углерода конца цепи и 2) Эндопептидазы- внутри полипептидной молекулы.

Применение микробных пептидаз- в пищевой промышленности, кожевенной, стиральные порошки, для получения лекарственных гормональных препаратов.

Целлюлоза Целлюлоза состоит из остатков глюкозы, соединенных бета-1,4-гликозидной связью. Если остатки глюкозы повернуты на 180 градусов- целлобиоза. Гемицеллюлоза- полимер полисахаридной природы, состоит из ксиланов и глюкомонанов. Ферментативное расщепление целлюлозы осуществляется под воздей­ствием целлюлазы. Целлюлолитические микроорганизмы обладают набором ферментов, целлюлоза наиболее часто подвергается разложению у жвачных животных и на поверхности хищных простейших.

- экзоглюконазы- отщепление остатков целлобиозы от нередуцирующего конца целлюлозной цепи;

- эндоглюконазы- расщепление цепи во внутренней позиции;

-бетта-гликозидазы- гидролизация водного раствора олиго- и дисахаридов;

-Целлюлосомы- мультиферментные комплексы, направленные на расщепление целлюлозы у Клостридий.

Применение в промышленности: обработка соломы, при выращивании грибов, осветление соков, пивоварение, очищение сточных вод в целлюлозной промышленности, приготовление силоса, текстиль.

Хитин. широко распространен в животном и растительном мире. Из хитина состоит наружный скелет многих беспозвоночных животных. Непрерывно образуется хитин и в почве, это главный компонент клеточной стенки у многих грибов, особенно у базидиомицетов и аскомицетов. Многие почвенные и водные бактерии спо­собны использовать хитин. Из полевых почв было выделено около 50 видов бактерий, разлагающих хитин, среди них виды Flavobacterium. Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Streptomyces, Nocardia и Micromonospora.Среди грибов способ­ностью разлагать хитин обладают виды Aspergillus и Mortierella.

Микроорганизмы воздействуют на хитин с помощью экзофермен-тов. два фермента -хитиназу и хитобиазу. Расщепление хитина происходит в результате воздействия хитиназы на многие участки полимерной цепи; при этом образуются в основном хитобиозы и хитотриозы и лишь небольшое ко­личество N-ацетилглюкозамина. Хитотриозы и хитобиозы расщепляют­ся затем хитобиазой до мономеров.

Разложение агара. Агар представляет собой смесь агарозы и агаропектина. Главный полисахарид состоит из чередующихся остатков D-галактозы и 3,6-ангидрогалактозы. Агаропектин имеет более сложное строение: в состав его входят D-галактоза, 3,6-ангидрогалактоза, соответствую­щие уроновые кислоты и сульфат. Агар содержится в красных водорослях. Подавляющее большинство микроорганизмов не способно расще­плять агар. Лишь из морской воды и водорослей было выделено не­сколько видов бактерий, которые его гидролизуют. Признаком расще­пления агара такими бактериями служит погружение их колоний в слой агара. Виды, способные расщеплять агар, есть в родах Cyto-phaga, Flavobacterium, Bacillus, Pseudomonas и Alcaligenes.

Роль микроорганизмов в гумусообразовании. Гумусом называют содержащийся в почве аморфный, обычно темноокрашенный материал биологического проис­хождения. В образова­нии гумуса участвуют наряду с бактериями и грибами также простейшие и разного рода черви. Одновременно с гумификацией растительного материала происходит обогащение его азотом. Значительная часть азота переводится в органические соединения, т.е. в такую форму, в которой растения не могут его использовать. Гумус находится как бы в состоянии динамического равновесия: с одной стороны, количе­ство его все время пополняется за счет притока органических остатков, а с другой- убывает, так как часть гумуса подвергается полному окис­лению. Содержание гумуса в почве тем выше, чем в большей мере поч­венные условия способствуют его образованию и чем они менее благо­приятны для его распада. Малое количество гумуса в почве тропиче­ских районов связано с быстрым разложением любых органических веществ под действием микроорганизмов, развитию которых способствует тропический климат. Степной чернозем образуется в областях с продолжительной холодной зимой и сухим летом. Однако количество накапливающегося гумуса зависит не только от климатических и поч­венных условий, но и от природы растительных остатков. Солома хлебных злаков и остатки степных растений дают легко разлагающийся гумус, тогда как из листьев лесных деревьев и особенно из хвои обра­зуется грубый гумус, с трудом поддающийся разложению.

В процессе образования гумуса в органических соединениях освобождается или образуется много карбоксильных групп. Поэтому для качества гумуса и бы­строты его переработки микроорганизмами решающее значение имеет наличие или отсутствие оснований. В почвах, бедных минеральными компонентами, в частности щелочными катионами (подзолы, почвы пустошей и хвойных лесов), происходит накопление фульвокислот (кислый гумус). При достаточном количе­стве щелочных минеральных веществ образуются нейтрализованные щелочами коллоиды гумуса, которые в сочетании с коллоидами глины составляют так на­зываемый сорбционный комплекс почвы. Образование мягкого гумуса ведет к активизации жизни в почве; грибные гифы и слизь связывают частицы почвы, в результате чего она приобретает благоприятную комковатую структуру.

10. Микроорганизмы и окружающая среда. Экология микроорганизмов. Микроорганизмы как симбиотические партнеры: мутуалистический и антагонистический симбиоз.

Экология микроорганизмов - наука о взаимоотношениях микроорганизмов друг с другом и окружающей средой. 3 раздела:

1)Аутэкология - раздел, изучающий особенности взаимоотношений микроорганизмов с разнообразными абиотическими факторами среды обитания.

2)Демэкология - экология малых групп- раздел экологии, изучающий естественные группировки микроорганизмов 1 вида.

3)Синэкология - экология сообществ, раздел, изучающий взаимоотношения популяций и сообществ микроорганизмов с другими формами живого.

Виноградский в 1925 году предложил выделять микроорганизмы:

1) Алохтонные- появление зависит от случайного появления организмов (Е.coli в воде);

2) автохтонные- типичные представители определенной экосистемы (E/ coli в кишечнике).

Для каждого вида микроорганизмов нужны определенные условия существования - влажность, температура, рН, давление.

Микроорганизмы участвуют в круговоротах веществ (С, N, P).

Мутуалистический симбиоз: Примером высокоразвитого эктосимбиоза между микроорганизма­ми могут служить лишайники. В талломе лишайника гриб и цианобактерия так тесно связаны между собой, что образуют еди­ное растительное тело. Из такого симбиоза извлекают пользу оба партнера. Гриб получает от клеток водо­росли органические вещества (продукты фиксации С02), а сам снабжает водоросль минеральными солями и защищает ее от неблагоприятных воздействий, в особенности от высыхания.

У многих растений существует тесная ассоциация корней с гриба­ми -микориза. Многие почвенные грибы, в том числе агариковые, могут проникать в корни растений и внедряться в их клетки; при этом они стимулируют рост корней, выделяя ауксины. Некоторые съедобные грибы растут только вблизи определенных видов деревьев (ель, лиственница, сосна, дуб), которые в микоризе играют роль растения-хозяина. Польза для гриба со­стоит в том, что он получает от растения продукты ассимиляции, а для растения- в более эффективном поглощении минеральных веществ (фос­фата, связанного азота) из почвы.

Симбиоз видов Rhizobium с клетками бобовых растений в корневых клубеньках отно­сится к наиболее дифференцированным симбиотическим взаимоотноше­ниям. Он служит примером развития тесной ассоциации внутриклеточного симбионта с клеткой-хозяином.

Мутуалистический характер взаимоотношений между человеческим организмом и его бактериальной флорой становится очевидным, когда эти от­ношения нарушаются и популяции бактерий гибнут под действием антибиотиков и химиотерапевтических средств. Нормальная бак­териальная флора играет решающую роль в защите от патогенных и других посторонних микроорганизмов.

Многие морские рыбы имеют особые светящиеся органы. В морфологическом отношении это очень сильно дифференцированные структуры, в которых растут светящиеся бактерии(Photobacterium fisheri).

Антагонистические: Симбиотические отношения, при которых хозяину наносится более или менее выраженный вред, существуют между самими микроорганизмами и между микробами, с одной стороны, и животными и растениями-с другой. бактерии Bdellovibrio bacteriovorns, парази­тирующей на других бактериях; о возбудителях бо­лезней у растений (Erwinia, Corynebacterium, Pseudomonas, Uredo, Ustilago, Puccinia, Claviceps) и у животных.