Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Экология микроорганизмов экстремальных водных систем: Учебное пособие

Голосов: 2

В учебном пособии изложены современные аспекты экологии микроорганизмов, даны определения и понятия микробной экологии. Рассмотрены вопросы структуры и функционирования микробного сообщества в экстремальных водных системах Байкальского региона (содово-соленые озера, холодные и горячие минеральные источники, озеро Байкал). Пособие содержит методы исследования экологии микроорганизмов. Предназначено для студентов биологических специальностей высших учебных заведений.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
          ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
     БУРЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ СО РАН




   ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
  ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВОДНЫХ СИСТЕМ


     Рекомендовано Учебно-методическим советом БГУ
  для специальностей 020201.65 «Биология и направления»,
                  020200.62 «Биология»




                       Улан-Удэ
        Издательство Бурятского госуниверситета
                         2008


       УДК 579.26 (075.8)
            Э 40
           Утверждено к печати Ученым советом научно-
          образовательного центра «Байкал», редакционно-
         издательским советом Бурятского госуниверситета

       Издание осуществлено при финансовой поддержке
       проектов «Фундаментальные исследования и высшее
       образование» (проект НОЦ- 017 «Байкал»), «Высшая
       школа БГУ» (рук. Б.Б. Намсараев) и «Развитие научно-
       го потенциала высшей школы (2006-2008 гг.)» (проект
       РНП.2.2.1.1.7334).


                          Рецензенты
                     Н.Б. Бадмаев, д-р биол. наук
                    Л.П. Козырева, канд.биол. наук




       Экология микроорганизмов экстремальных водных
Э 40        систем: учеб. пособие / Б.Б. Намсараев, Е.Ю. Аби-
       дуева, Е.В. Лаврентьева и др. – Улан-Удэ: Издательство
       Бурятского госуниверситета, 2008. – 94 с.
       ISBN 978-5-9793-0104-4

          В учебном пособии изложены современные аспекты экологии
       микроорганизмов, даны определения и понятия микробной эколо-
       гии. Рассмотрены вопросы структуры и функционирования микроб-
       ного сообщества в экстремальных водных системах Байкальского
       региона (содово-соленые озера, холодные и горячие минеральные
       источники, озеро Байкал). Пособие содержит методы исследования
       экологии микроорганизмов.
          Предназначено для студентов биологических специальностей
       высших учебных заведений.



                                    © Коллектив авторов, 2008
       ISBN 978-5-9793-0104-4       © Бурятский госуниверситет, 2008
                                2


                          ВВЕДЕНИЕ


    Огромный мир микроскопических живых существ является
предметом науки микробиологии. Познание жизни как планетарно-
го явления будет ограниченным, если не учитывать деятельность
прокариотных и эукариотных микроорганизмов.
    Одним из направлений современной микробиологии является
экология микроорганизмов. В настоящее время эта наука бурно раз-
вивается, используя новые методы исследования.
    Постулат Бейеринка гласит: «…Микробы всегда оказываются
там, где они нужны…». В многомерном пространстве экологиче-
ских ниш микроорганизмы способны существовать при крайних
значениях температуры, рН, солености и повышенном давлении,
т.е. в таких экстремальных условиях, которые порой коренным об-
разом отличаются от «обычных» условий, характерных для нашей
планеты в целом. Способность микроорганизмов существовать в
этих условиях, возможно, позволила им сохранить свойства, соот-
ветствующие далекому прошлому нашей Земли. Поэтому мы имеем
дело как бы с «миром ископаемых», который является отголоском
прошедшей эволюции, но сохранился до наших времен.
    Итак, эта книга не о пользе, которую приносят микробы, не о
том вреде, который они также могут приносить, что само по себе
очень важно и излагается в других учебных изданиях. Мы постара-
лись подчеркнуть прежде всего экологическое значение, своеобра-
зие способов существования микроорганизмов в экстремальных
системах, подтверждающих своим существованием теорию биохи-
мического единства жизни и одновременно иллюстрирующих бога-
тое разнообразие прокариот на уровне физиолого-биохимических
свойств.
    Учебное пособие охватывает широкий круг вопросов по распро-
странению, биоразнообразию, функционированию микроорганиз-
мов в экстремальных водных экосистемах Байкальского региона с
позиции экологии. Представленный материал базируется на много-
летних исследованиях, проведенных авторами в экстремальных
                               3


водных системах Байкальского региона (Биоразнообразие Байкаль-
ской Сибири, 1999; Намсараев, Земская, 2000; Намсараев и др.,
2006; Намсараев, Намсараев, 2007).
   Первая глава содержит основные экологические понятия, после-
довательно рассматриваются важнейшие представления современ-
ной экологии, лежащие в основе аутэкологии, синэкологии и демэ-
кологии.
   Во второй главе представлена характеристика экстремальных
водных систем Байкальского региона: термальные и холодные ис-
точники, содовые и соленые озера, озеро Байкал. Приведены дан-
ные физико-химических параметров, анионно-катионный состав
вод, содержание органического вещества в воде и донных осадках.
Пособие знакомит с экологическими условиями обитания микроор-
ганизмов, влиянием различных физико-химических параметров
среды на распространение и активность микроорганизмов. Показана
динамичность и мозаичность распределения физиологических
групп микроорганизмов в воде и донных осадках.
   В третьей главе приведены различные типы микробных сооб-
ществ (термофильные, термоалкалофильные, алкалофильные, гало-
фильные, галоалкалофильные, психрофильные). Представлен обзор
биологического разнообразия экстремофильных микроорганизмов и
состава микробных сообществ, дана функциональная характеристи-
ка составляющих компонентов микробного сообщества. В данной
главе содержатся материалы по экофизиологии микроорганизмов,
температурные и рН границы развития, даны зависимости роста и
активности микроорганизмов от одного или комбинации абиотиче-
ских факторов.
   В четвертой главе рассматриваются теоретические аспекты мо-
лекулярной адаптации микроорганизмов. Приводится сравнитель-
ный анализ механизмов адаптации прокариот, которые развиваются
в условиях, отличающихся по одному или нескольким параметрам
от повсеместно распространенных и поэтому называемых экстре-
мальными условиями. Особое внимание уделено анализу молеку-
лярных механизмов, которые обеспечивают внутриклеточную инте-
грацию различных внешних сигналов и функционирование прока-
риотной клетки как целого организма.

                              4


   В пятой главе представлены методы экологии микроорганизмов.
Приведены этапы проведения исследований на водоемах и методы
отбора проб для лабораторных микробиологических и физико-
химических исследований. Описаны методы выделения микроорга-
низмов из природных образцов, приемы и способы изучения физио-
лого-биохимических свойств чистых культур микроорганизмов и их
идентификации, в том числе с применением современных методов
молекулярной биологии.




                              5


                           Глава I

       ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ


   Термин «экология» ввел в научный обиход один из крупнейших
немецких ученых Эрнст Геккель в 1866 г. для обозначения изучения
взаимодействий организма и среды (Одум, 1986).
   Экология (греч. ойкос – дом, жилище, домашнее хозяйство) –
раздел биологии, наука о взаимосвязях между организмами и окру-
жающей их средой, о круговороте веществ и потоках энергии, де-
лающих возможной жизнь на Земле. Экология связывает между со-
бой различные области естествознания. В понятие «организмы»
включаются микроорганизмы, растения, животные и человек (Гон-
чарова, 1993) .
   Экология микроорганизмов представляет собой синтетическую
дисциплину, предполагающую знакомство с основами физиологии
и биохимии микроорганизмов, кинетики их роста, условиями оби-
тания, деятельностью их в природе. Она отличается от экологии
животных или растений: 1) специфичностью и разнообразием хи-
мической деятельности микроорганизмов при исключительно осмо-
трофном питании бактерий; 2) непосредственным взаимодействием
микроорганизмов с геосферой; 3) первичностью в истории Земли.
   Различают аутэкологию (отдельные организмы и окружающая
их среда), демэкологию (экологию популяций) и синэкологию (ме-
стообитание и населяющие его организмы).


                       АУТЭКОЛОГИЯ

   Аутэкология рассматривает зависимость отдельных организмов
от абиотических факторов среды и условия их существования. Ор-
ганизмы исследуются преимущественно в их зависимости от абио-
тических факторов окружающей среды.

                               6


   Любой абиотический фактор имеет зоны оптимума (условия бла-
гоприятные для развития организма) и лимитирования или ингиби-
рования (неблагоприятные условия).
   Крайние пределы изменений абиотического фактора, которые
организм еще способен перенести, называют пределами толерант-
ности. Организмы с широкими пределами толерантности называют-
ся эврибионтами, а организмы, способные существовать в относи-
тельно узких пределах изменений фактора, – стенобионтами.
   Организмы в природе подвергаются воздействию нескольких
факторов одновременно. При этом действие отдельного фактора
зависит от уровня других.


             ПОПУЛЯЦИИ (ДЕМЭКОЛОЛОГИЯ)

   Популяция – совокупность особей одного вида, обладающих
общим генофондом и обитающих в более или менее непрерывном
ареале.
   Важнейшие характеристики популяции – это численность и
плотность (т.е. число особей на единицу занимаемой территории). К
ним относятся также такие специфические характеристики популя-
ции, как соотношение полов, распределение особей по возрасту
(возрастная структура), размерам (размерная структура) и особен-
ности пространственного распределения особей (пространственная
структура). Эти показатели относятся к категории статических ха-
рактеристик популяции.
   Для того чтобы оценить изменения во времени, происходящие в
популяции, нужно провести серию измерений через определенные
интервалы времени. Тогда можно оценить скорости соответствую-
щих процессов в популяции. Скорости также являются групповыми
характеристиками популяции, и их принято называть динамически-
ми. К ним относятся такие важнейшие показатели, как рождаемость
– количество особей в популяции, родившихся за единицу времени;
смертность – количество особей, погибших в той же популяции за
единицу времени. Добавим к ним также скорость изменения чис-
ленности популяции, количество потребляемой пищи за определен-
ный период времени, количество органического вещества, син-
тезированного организмами данной популяции за единицу времени,
                               7


– это будет, соответственно, суточная, сезонная или годовая про-
дукция популяции.
   Численность популяции определяется рождаемостью, смертно-
стью, иммиграцией (вселение) и эмиграцией.

   Взаимодействие популяций
   Разнообразие взаимодействий популяций достаточно велико. За
основной признак классификации предлагается принять изменение
удельной скорости роста численности каждой из популяций как ре-
зультат их взаимодействия. Если две популяции сосуществуют на
одном и том же местообитании, то присутствие каждой из них мо-
жет, очевидно, либо способствовать ускорению роста второй, либо
замедлять его, но, возможно, скорость роста одной из популяций
никак не меняется при наличии второй.
   Наиболее распространенными типами межпопуляционных вза-
имодействий являются нейтрализм, комменсализм, аменсализм, му-
туализм, хищничество и паразитизм и другие.
   Нейтрализм – взаимодействие, при котором каждая из популя-
ций никак не влияет на скорость роста другой популяции.
   Комменсализм – в присутствии первой популяции вторая растет
быстрее, но это никак не отражается на скорости роста первой.
   Аменсализм – в присутствии первой популяции рост второй за-
медляется, но это никак не отражается на скорости роста первой.
   Если две популяции не только взаимно ускоряют рост численно-
сти друг друга, но и вообще друг без друга существовать не могут,
то такое «взаимовыгодное сотрудничество» называют мутуализмом.
   Хищничество и паразитизм – общее между этими видами взаи-
модействий сводится к тому, что для одной из популяций присутст-
вие второй несомненно положительно, так как и для хищника и для
паразита жертва или соответственно хозяин служит пищей. Для
второй популяции присутствие первой очевидно отрицательно, так
как деятельность хищника сокращает численность жертвы, а дея-
тельность паразита, если и не приводит обязательно к гибели хо-
зяина, то может снизить его биотический потенциал в результате
истощения организма.
   Среди микроорганизмов распространена катаболическая син-
трофия. Термин синтрофия обозначает взаимодействие микроорга-
низмов, осуществляющих межвидовой перенос водорода, сероводо-
рода и, возможно, формиата.
                               8


              СООБЩЕСТВА (СИНЭКОЛОГИЯ)

   В 1877 г. профессор зоологии Кильского университета Карл Мё-
биус предложил термин «биоценоз» для обозначения такого сооб-
щества, «в котором сумма видов и индивидуумов, ограничивающих
друг друга и подвергающихся постоянному отбору под влиянием
внешних условий жизни, благодаря размножению устойчиво зани-
мает некоторую определенную территорию».
   Принятый в англоязычной литературе термин «community» (со-
общество) по своему содержанию мало отличается от термина
«биоценоз». Наиболее важно, независимо от названия «биоценоз»,
или «сообщество», что это система надорганизменного уровня,
имеющая специфические свойства и характеристики, отличающие
ее от популяции и тем более от организма.
   Одна из таких характеристик – видовой состав сообщества, или
перечень видов, из которых оно состоит. Ясно, что два разных со-
общества различаются по набору видов. Основной характеристикой
сообщества как системы более высокого уровня организации, чем
популяция, является видовое разнообразие, т.е. число видов в со-
обществе.
   Для сообщества как системы характерна определенная сопря-
женность между видами, когда в пределах одного и того же место-
обитания в течение достаточно длительного времени встречаются
одни и те же виды, хотя при этом их относительные обилия могут
изменяться в результате межпопуляционных взаимодействий или
под влиянием внешних воздействий. Такая сопряженность опреде-
лена наличием разнообразных биоценотических связей между ви-
дами, важнейшие из которых трофические (пищевые) связи. При
всей пестроте типов и форм трофических связей отмечена их общая
особенность: эти связи определенным образом ориентированы или
однонаправлены. Такая последовательность превращений органи-
ческих веществ в сообществах называется трофической (пищевой)
цепью. По этой цепи идет поток вещества и поток энергии.


                               9


                       ЭКОСИСТЕМЫ

   В любом экологическом сообществе постоянно идут два проти-
воположно направленных процесса: продукция, т.е. новообразова-
ние органических веществ из неорганических, «косных», компонен-
тов, и деструкция – разложение живого вещества с возвращением
минеральных веществ в окружающую среду. Эти процессы тесно
связывают все живые организмы и их абиотическое окружение в
единую систему, которую и называют экосистемой. Экосистемный
подход принципиально отличается от рассмотренной выше аутэко-
логической методологии тем, что вместо искусственного разграни-
чения организма и среды его обитания они рассматриваются как
единое целое.
   Только на экосистемном уровне можно изучать такое важнейшее
явление в жизни сообществ, как сукцессия. Данным термином на-
зывают последовательную смену видового состава сообщества на
определенном местообитании. Основная причина такой смены как
раз и заключается в том, что под влиянием сообщества меняется
среда его обитания. Сами же эти изменения обусловлены отсут-
ствием баланса продукции и деструкции.
   Активизация деструкционных процессов и снижение первичной
продукции приводят к тому, что в экосистеме устанавливается про-
дукционно-деструкционное равновесие. Совокупность видов, обра-
зующих сообщество в такой экосистеме, называют климаксом. Лю-
бое нарушение продукционно-деструкционного равновесия приво-
дит к возврату экосистемы к одной из более ранних сериальных
стадий. Причиной такого нарушения могут быть различные виды
хозяйственной деятельности людей, которые разрушают климакс-
ные экосистемы и могут положить начало вторичной сукцессии.




                              10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика