Екологична микробиология


Категория на документа: Биология


Физиологични методи за определяне на биомаса са на базата на измерване на дишането на пробите след добавянето на субстрата или на измерването на количеството на C02., който се отделя като резултат от разлагането на микробната биомаса след стерилизацията на пробите или добавянето на хлороформ. И двата метода изискват да се проведат многобройни проверки.

7 въпрос: Количествена оценка на метаболизма на микроорганизмите. Хетеротрофен потенциал. Процент на дишане. Скорост на микробната продукция. Скорост на фотосинтеза и скорост на дишане. Определяне активността на специфични ферменти

Последните достижения в аналитичната методология позволяват да се измерва метаболитната активност на микроорганизмите в техните естествени екологични ниши, но по време на експериментите трябва да вземат под внимание възможните сътресения на клетъчната микросреда с въвеждането на определени обекти. По този начин, просто ограничение в микронишата на стената може да предизвика ефект на стената, а вземане на проби от ограниченото пространство да наруши баланса на газ (съдържание на кислород). Всичко това води до намаляване на точността и повторяемостта на резултатите на измерванията.

Определянето на хетеротрофния потенциал на дадена екониша води в проучването с включване на радиоактивното маркиране (обикновено с 14C) от въведените в образците белязани хетеротрофни субстрати.
Този подход предполага, че субстратът се консумира от околната среда, подчинявайки се на кинетиката на реакции от първи порядък и че скоростта на поглъщане расте с увеличаването на концентрацията на субстрата до достигането на максималната скорост(V мах). Тази стойност може да бъде изчислена, ползвайки уравнението на Михаелис- Ментен и да се построи графика на зависимостта на скоростта на поглъщане на субстрата от неговата концентрация в координатите на Лайнуивер - Берк. Намирането на скоростта на микробната активност по този метод е ограничено от набора на субстрати, използвани от тази общност.
Обикновено при определяне на хетеротрофния потенциал на местообитанието се използват ацетат, глюкоза и други въглехидрати, глутамат и други аминокиселини или смес от белязани продукти на фотосинтезата, образувани след инкубация на водорасли на светлина с 14С02.

При оценяване на метаболитна активност на популацията се определя също така и процент на дишането, измерена като съотношение между сумата на включения 14C и отделящия се 14С02 към отделящия се 14С02, изразена като процент. Процентът на дишането - показател за енергия, изразходвана от популацията, за да се запази устойчивостта на системата, при това колкото е по-голям процента на дишането, толкова повече метаболитна енергия се изразходва за поддържане на жизнеспособността .

Измерване на скоростта на микробни продукти се извършва обикновено с използването на белязан тритиев тимидин, [зH ]-Тд, който се включва директно в ДНК при биосинтезата и отразява скоростта на растеж на микроорганизмите в популацията или прираста на биомаса. Понеже [зH]-Tд се включва само в бактериалната ДНК, този метод се оказа изключително удобен за анализ на темповете на растеж на водните бактериалните популации. Прилагането на този метод в почвата е свързано с някои експериментални трудности. [ зH]-Tд прониква в хумусните вещества, намиращи се в почвите в големи количества, както и в минералните вещества, глината и някои оксиди , а почвената ДНК трудно се извлича.

Скоростта на фотосинтезата обикновено се измерва във водни проби в светло и тъмно стъкло, с въведени порции 14С02. Пробите са инкубират в продължение на няколко часа или през целия светъл период in situ и се определя скоростта на включения белязан СО2 (обикновено в течение на първите 1 -2 часа на инкубацията), който отразява степента на фотосинтезата и общото включено количество 14С02 ( по-дълъг период ), което съответства на чистата продукция на фотосинтезата (т.е. разликата между количеството на включения 14С02 и количеството на органичните вещества , минерализирани до 14С02 в резултат на дишането).

Скоростта на дишането се определя чрез измерване скоростта на отделяне на 14С02 от органични субстрати, което отразява степента на минерализация на органичните вещества на дадена екологична ниша. Има също така и нерадиоактивни методи за определяне на метаболитната активност, при които се измерва скоростта на дишане на проба, взета от дадено място, с помощта на закрит кислороден електрод тип Кларк или измерване на образуването на C02, в постоянно аерирана проба, където е въведен субстрат на дишането. За дългосрочни опити за улавянето на образуващия се C02 са разработени херметически колби с две свързващи се изолирани отделения, в едно от които произхожда химическото потребление ( консумация ) на образувания СО2 от концентриран алкален разтвор , а в другото се помещава изследваната проба.

Определяне на активността на специфични ензими също отразява метаболитния потенциал на микробните популации на екологичната ниша. Една част от тези активности отразяват ензиматичния потенциал на цялото съобщество (сумарната активност на дехидрогенази, естерази, фосфатази), а другата (целулозната, хитиназната, нитрогеназната, денитрифициращата) – отразява само специфичните части на съобществото, което позволява еднакво да се оцени този или онзи негов потенциал. Ензимите на микроорганизмите, включени в биогеохимичния цикъл на веществата са важни за изучаване на микробната екология. Особено важни са ензимите, участващи в цикъла на въглерод и азот, тъй като те ни позволяват да се оцени стабилността на съобществата и на екосистемите и техния потенциал по отношение на минерализицията на органичните вещества. При определяне на ензимния потенциал на популацията, наред с изчисленията се измерва и активността на липазата, целулазата, протеазата, амилазата.. Когато се измерва ферментативната активност in situ е важно да не се нарушава микросредата на дадената ниша и да се следи за температурата, рН, влажността,а периодите на инкубация (измерване) трябва да бъдат достатъчно къси, така че през това време количеството на микроорганизмите да не се променя значително.

8 въпрос:. Генетично модифицирани организми (ГМО) и тяхното въвеждане в природните ценози
Проблемите, произтичащи от безконтролното въвеждане на ГМО в околната среда, задействат широки дебати в научната общност, включващи правителствени агенции и обществеността. Периодично те се появяват отново , при поява на съобщения за достигане до нови успехи в областта на генното инженерство или на нови успехи в клонирането на животни и хора. Значително място в тази дискусия се дава на отговора на въпроса: колко дълго ГМО и техните ДНК ще съществува в естествена среда и дали модифицирани гени от ГМО да бъдат прехвърлени към местните микроорганизми? Първоначално експериментите показват, че ГМО бързо умират, ако бъдат внесени в природените ценози, защото не могат да се конкурират със съществуващите съобщества от микроорганизми. Смяташе се, че чуждата ДНК внесена в ГМО, намалява конкурентоспособността на живите клетки в сравнение с непроменените клетки в резултат на голямото енергетично изразходване при репликацията на ДНК. Това предположение е потвърдено при проучване на преживяването в почвата на ГМО Pseudamonas sp. с въведените плазмиди, носещи гените за разделяне на силния хербицид, 2,4,5-трихлорфеноксиацетат. Клетките на ГМО Pseudomonas бързо изчезват от почвената проба и след няколко дни не се откриват при директна посявка на среда. Въпреки това, след няколко седмици ГМО на псевдомонади отново може да бъде открит в пробата , което показва, че те не са напълно умрели . Резултатите от тези и последващи експерименти показали, че модифицираните псевдомонади могат да живеят в почвата дълго време. Други наблюдения показват съществуването на ГМО в почвата и водните екосистеми в състояние НФБ.

Предполага се, че ДНК на мъртвите клетки с ГМО при попадане във всяка биоценоза бързо се подлага на хидролиза с ДНK-aза в почвата или водните екосистеми. Следователно, дори ако ГМО оцелеят, те няма да могат лесно да прехвърлят ДНК при трансформация в други клетки. Специални проучвания обаче показали, че ДНК, адсорбирана върху частици почвена глина е устойчива на въздействието на ДНК- аза и може да съществува в такъв имобилизиран вид достатъчно дълго време, и след това да се присъединят в процеса на трансформация. Гените в почвата и водните екосистеми, може също да бъдат прехвърлени в резултат на трансформация Ето един пример, който потвърждава това: Една година по-късно, след влизане във водната екосистема на специфичен щам на Pseudomonas sp. B13 са намерени видове, които разцепват 3-хлоро-бензол (3-ХБ), които никога не се отделят от тази екониша преди въвеждането на място на щам B13. Освен това, на генома на нови изолати бяха намерени последователности, принадлежащи на щам B13. , след което беше изказано предположение, че един нов щам се появява в резултат на обмяна на част от генома между местната бактерия и внесения щам B13, неспособен да утилизира 3-ХБ Така, трансфер на генетичен материал в природните ниши е възможен за значителен период от време след въвеждането на чужди гени, а последиците от това ще бъде промяна на генетичния фонд на микрофлората на екосистемите, който ще има последици за биологичното разнообразие и стабилността на тази общност.
Съвременните методи позволяват да се разшири участък от ДНК на клетките на една колония и да се определи последователност от участъка на генома, кодиращ ген 16 S рРНК. Това е достатъчно за сравняването му с известната последователност от генетичната банка, за идентифициране на микроорганизми по род и дори по вид

9 въпрос: Участие на микроорганизмите в природните местообитания. Микроорганизмите като част от екосистемите. Функции на микроорганизмите в природата. Микробни местообитания

Микроорганизмите като част от екосистемата. При естествени условия, микроорганизмите никога не съществуват като чисти култури. Лабораторните щамове са като"опитомени" форми, които съществуват в изкуствена среда "зоопарк". В природата микроорганизмите нарастват в смесени култури, и се явяват също част от по-голяма общност, включваща организмите на различни систематични групи. По този начин, микроорганизми са съществена част от всяка екосистема. Екосистемата е съвкупност от организми и тяхното физическо и химическо обкръжение на околната среда, която функционира като екологична единица. Всяка екосистема съдържа микроорганизми, които изпълнява две основни функции : 1) синтеза на нови органични вещества от C02 и други неорганични съединения в процеса на първичните продукти 2) унищожаването на натрупания органичен материал. Сега е признато, че микроорганизми са преобладаващия материал за живот на Земята. Екологичната роля на микроорганизмите е, че те могат да функционират на всички нива на екосистемата: - фиксират въглерод като основни продуценти, като използват светлинна енергия и химически връзки; - явяват се основни редуценти на органични вещества; - те са първични консументи, като някои от първаците като се използва някои бактерии и гъбички в храните. Ако в сухоземни местообитания първичните продуценти са обикновено висши растения, то в сладководните и морски водоеми са основно цианобактерии и водорасли. Тук за източник на енергия е светлината. Въпреки това, в местообитания, където светлината не достига (например, дълбоко в океана ), първично производство може да се основава на хемолитоавтотрофия (живота около "черните пушачи"). Основните първични производители тук са представители на родовете Thiobaccilus, Thiomicrospira, Thiothrix, Beggiatoa.

Функциите на микроорганизмите в природата.
Микроорганизми са източник на храна за много други организми, тъй като микробните клетки съдържат средно маса (%): въглерод - 50, азот - 14 и фосфор - 3 и други елементи. Основните функции на микроорганизмите в естествени местообитания са както следва:
■ минерализация, т.е. унищожаване на биологични субстрати за C02, NH3 ,H2, CH4,Н2О
■ доставката на хранителни вещества (под формата на метаболити, полизахариди) за други хемохетеротрофни микроорганизми;
■ осигуряване на храна за протозои, нематоди,почвени насекоми , т.е. участват в хранителната верига;
■ модификация на сложни съединения, които стават достъпни за други организми;
■ превръщане на съединенията в разтворими или газообразни форми Това е произлиза направо по метаболитен път или косвено, чрез промени в химически и физически фактори на околната среда под влияние на микроорганизми (например отделянето на на голямо количество на киселини );
■ подбор на съединения, които подтискат активността на други микроорганизми или ограничаване на оцеляване и функционирането на растения и животни (например, бактерициди антибиотици , токсини).
Микроорганизмите съществуват в природата и под формата на популация на организми от еднакъв вид, които образуват микроколонии ,живеещи в локализирани места, така и във вид на съобщества, където различните видове популациите си взаимодействат.

Микробни местообитания. Местообитанията на микроорганизмите имат сложен и постоянно променящ се характер и зависят от състава на хранителни вещества, токсични съединения и лимитиращите фактори (температура, рН, светлина, водна активност и т.н.). Затова екологичните ниши на микроорганизмите са безкрайно множество, но именно комбинацията от тези фактори определя екологичните ниши за конкретните микроорганизми. Тя се нарича още основната екологична ниша. За точните характеристики на местообитанието на микроорганизми е необходимо да се отчита тяхното микрообкръжение. Много специализирани групи микроорганизми, съществуват в такива микросреда, че изпитват минимална конкуренция от други микроорганизми. За пример, Helicobacter Pylori, обитаващи в стомашно-чревния тракт на човека и причинява язва на стомаха, червата, пикочната система, за да се защитят срещу повишено отделяне на стомашен сок образува по-голямо количество на уреаза, което води до образуване на амоняк. Да се освободи от от действието на имунната система му помагат липополизахаридите, притежаващи изменения и “молекулярна мимикрия”

Пример, че дори в малък район може да има различни зони е горната рисунка, която показва разпределението на кислород в буца добре аерирана почва. Къс почва с 12 мм диаметър съдържа зона на пълно anaerobiosis в диаметър от около 6 мм. В това анаеробно местообитание вече могат да съществуват анаеробни микроорганизми .
Дори и растежа на отделните клетки в колонията е обусловен от различните им позиции по отношение на различни фактори (фиг. 161). Така например вътре и непосредствено под колонията се формира анаеробна зона, дори когато колония на Bacillus cereus се отглежда на повърхността на хранителен агар в аеробни условия.

Микроорганизми предпочитат да се развиват в прикрепени състояния. На този метод се основава използването на метода: стъкло на обрастване по Холодни: -предметното стъкло покрива слой от хранителен агар и се поставя в почвата, а след това количествено се следи за развитието на микроорганизми. По същите причини микроби често образуват биофилм (слой).

10 въпрос: Взаимодействие на микроорганизмите с други организми
Взаимоотношения на микроорганизмите едни с други. Необходимо е да се отбележи, че микроорганизмите в природата обикновено не са в оптимални условия (ресурсите постъпват бавно) и растат с около 1 % от техните възможности. От друга страна, микроорганизмите си взаимодействат едни с други. В някои случаи, се формират конкурентни взаимоотношения и тогава микроорганизмите могат да произвеждат вещество за подтискане на конкурентната микробоценоза (особено в почвата ) - антибиотици, токсини, или по-малко специфични и неспецифични вещества (алкохол, киселини, основи, и т.н.) Рядко се среща в природата сътрудничеството (кооперация) между микроорганизмите. Обикновено, болшинството от аеробните микроорганизми могат да разделят субстрата самостоятелно. Факултативна кооперация може да възникне при натрупването на някои продукти. При анаеробни условия, кооперацията е по-скоро облигатна . В такова съобщество от микроорганизми възникват здрави трофични връзки и често субстратът може да се раздели на прости вещества от група микроорганизми, а не от отделни нейни членове, които когато са под форма на чисти култури, този субстрат изобщо не могат да го използват, заради енергийни бариери.
Един пример на тесни връзки: анаеробно съобщество, разлагащо полимерна молекула (фиг. 162), в частност микробоценозата на търбуха ( в стомаха на преживните).
І стадий – полимерите се разделят чрез вътреклетъчни ензими на ферментатори (много често това са клостридии).



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Екологична микробиология 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.