Факультет

Студентам

Посетителям

Биосфера и невидимки. Роль микробов в круговороте веществ в природе

Биосфера (от греч. «биос» — «жизнь» и «сфера» — «шар») охватывает твердую, жидкую и газообразную оболочки Земли. Верхние границы биосферы простираются на 10—15 км, нижние — до 2 км (в твердой оболочке Земли) и на 10 км (в морях).

Учение о биосфере было разработано академиком В. И. Вернадским (1862—1945). По его расчетам, одна бактерия объемом в 10-12 см3 менее чем за 136 ч могла бы образовать живую пленку, которая покрыла бы весь земной шар. Но, к счастью, это не может произойти, так как микроорганизмы в больших количествах погибают от самых разных причин: действия ультрафиолетовых лучей, температуры, химических ядов и т. д.

Количество микробов в биосфере неисчислимо, поскольку она охватывает верхнюю часть земной коры, воды морей, рек, океанов и нижнюю часть атмосферы. Микробы в значительной степени определяют изменения, происходящие в почве, растительном покрове и животном мире. Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал, что миллиарды микроорганизмов рассеяны в природе и окружают нас повсюду; невидимые, они постоянно сопровождают человека, вторгаясь в его жизнь то как враги, то как друзья. Во множестве присутствуют они в поедаемой нами пище, в воде, которую пьем, в воздухе, которым дышим. Окружающие нас предметы, наша одежда, поверхность тела — все это буквально «кишит» микробами.

Микробы осуществляют круговорот веществ и энергии в природе. Они играют важную роль в повышении плодородия почв, образовании каменного угля и нефти, выветривании горных пород, в ряде других явлений природы; производят колоссальную работу по разложению органических соединений и образованию белка — источника жизни живых организмов.

В природе большое значение имеют следующие глобальные процессы, осуществляемые микроорганизмами: обогащение атмосферы кислородом, которое обусловлено деятельностью зеленых растений; накопление белка; разложение органических веществ в почве, воде, сточных водах. Работа «невидимок» поистине титаническая, именно она предохраняет окружающую нас среду от неминуемого загрязнения и обеспечивает в природе круговорот всех известных химических элементов. Остановись деятельность микробов — прекратилась бы жизнь на Земле.

Выдающимися русскими микробиологами В. Л. Омелянским, С. Н. Виноградским, Г. А. Надсоном была определена огромная роль микроорганизмов в разложении органических веществ, окислении водорода, метана, элементарной серы, в восстановлении сульфата и т. д., обеспечивающих непрерывный круговорот химических элементов в биосфере.

Развитие в городах автомобильного транспорта привело к накоплению в воздухе угарного газа, микробы по-своему откликнулись на это — произошло резкое увеличение численности микробов, способных окислять окись углерода до углекислоты. Тем самым биосфера как бы лечит сама себя. Так, пробы почв, взятые в Москве, показали в 50% содержание таких бактерий. Микробы могут использовать для своей жизнедеятельности метан, водород, ядовитые фенольные соединения. Пользуясь этим свойством, человек получает ценный микробный белок, который идет на корм сельскохозяйственным животным и птицам.

Тонкая оболочка жизни на поверхности Земли — биосфера — находится в настоящее время в устойчивом состоянии, которое постоянно поддерживается круговоротом необходимых для жизни различных элементов и непрерывным притоком энергии Солнца.

Основные элементы, необходимые для жизни — углерод, кислород, азот, водород, сера и фосфор, — постоянно подвергаются превращениям, что и составляет так называемый круговорот веществ. Под круговоротом веществ принято понимать целый ряд происходящих превращений органических и неорганических веществ, благодаря чему запас их не исчезает, а они только меняют свою форму. Как писал Ф. Энгельс, ничто не вечно, кроме вечно изменяющейся, вечно движущейся материи и законов ее движения и изменения. Так давайте проследим пути превращения отдельных элементов и выясним, какую роль в этом играют микроорганизмы.

Начнем с круговорота углерода и кислорода. В воздухе содержится 0,03% (по объему) углекислоты, являющейся основным источником питания растений. Эта концентрация углекислоты почти постоянна в результате существующего равновесия между фотосинтезом и минерализацией. Под действием солнечной энергии зеленые растения превращают углекислоту в органические соединения: углеводы, белки, жиры.

Огромную массу органических веществ в природе составляют соединения растительного происхождения. Накопление этих веществ на Земле в год достигает 50—100 млрд. т. Превращение органических веществ в минеральные соединения называется минерализацией, которая в 90% ведется микроорганизмами, в основном грибами и бактериями. Остальные 10% образуются в результате деятельности прочих организмов, при сжигании топлива, дыхании людей и животных.

Поступление в атмосферу углекислоты происходит благодаря деятельности микробов, которые в процессе дыхания и брожения разлагают разнообразные органические соединения и вновь возвращают углерод в атмосферу в форме углекислоты. Если бы не существовало углеродного цикла, то вся углекислота атмосферы была бы исчерпана примерно за 20 лет в случае отсутствия ее пополнения. В основном низшие животные и микроорганизмы обеспечивают регенерацию двуокиси углерода в ходе непрерывной минерализации органических веществ.

Несмотря на то, что Мировой океан — мощный резерв углекислого газа, за год только 10% его участвуют в обмене воздуха с океаном. Причем принимает участие в газообмене только тонкий поверхностный слой водной глади наших океанов. Отмечено, что на протяжении многих лет в воздухе непрерывно увеличивается содержание углекислого газа, что, по-видимому, связано с вырубкой лесных массивов и в результате уменьшением фиксации углекислого газа при фотосинтезе растений. Накоплению двуокиси углерода в атмосфере также способствует развитие промышленных предприятий.

Основная часть окисленной формы углерода переходит путем фотосинтеза в восстановленное состояние, в котором он находится в органических соединениях, а восстановленная форма кислорода (H2O) окисляется до молекулярного кислорода (O2). Таким образом, превращения углерода и кислорода связаны между собой посредством фотосинтеза, с одной стороны, и аэробного дыхания — с другой.

Как велика роль микроорганизмов, можно судить по тому, что верхний плодородный слой почвы изобилует ими: его толщина в 15 см может содержать около 5 т грибов и бактерий на 1 га.

В воздухе больших городов в результате сгорания различных видов топлива, а также при разложении хлорофилла и гемоглобина содержание окиси углерода в атмосфере повышается, что приводит к увеличению количества микроорганизмов, окисляющих окись углерода до углекислоты. Определенная часть углерода не участвует в круговороте. Это наблюдается при образовании известняков щ торфяных болот, где с течением времени откладывается неполностью разрушенное органическое вещество, называемое торфом. В течение целой геологической эпохи он превращается в каменный уголь. Изъятие углерода из круговорота происходит и при отложении природной нефти, газа (метана).

До возникновения жизни на Земле атмосферные газы пребывали в сильно восстановленном состоянии; азот — в виде аммиака, кислород — в виде воды, а углерод — в форме метана. В настоящее время эти элементы находятся в окисленной форме: азот и кислород — в виде простых газов (азота и кислорода), а углерод — в форме двуокиси углерода.

Исключительно важное значение для поддержания жизни на Земле имеет круговорот азота, поскольку он в виде соединений с другими элементами является необходимой составной частью белковой молекулы, и содержание его в живых организмах достигает 16—18%. В азоте нуждается все живое. Большое количество свободного азота находится в воздухе (сухой воздух содержит 78,11%. по объему свободного азота), но газообразный азот для растений недоступен, так как они усваивают азот из почвы только в виде минеральных соединений. При электрических разрядах в атмосфере образуется аммиак, который, проникая в почву с дождем, также служит источником азота для растений. В связанном состоянии азот находится в воде морей и почве в виде органических и минеральных соединений. В 1 га почвы содержится примерно от 16 до 18 т связанного азота, но растения могут использовать не более 1% общего запаса азота в почве.

Микроорганизмы, находящиеся в почве, проделывают очень большую работу, постоянно пополняя запасы азота в почве тем, что минерализуют органические соединения и в конечном процессе превращают их в аммиак. Определенные почвенные бактерии аммонийную форму азота окисляют до нитритов и нитратов. Нитраты частично усваиваются корневой системой растений, а частично восстанавливаются до аммиака и молекулярного азота.

В круговороте азота ведущее место занимает особая группа микробов, так называемые азотфиксаторы, обладающие способностью фиксировать атмосферный азот и переводить его в связанное состояние, доступное для усвоения его растениями. За счет деятельности этих микроорганизмов в почву ежегодно поступает 60—75% азота от общего содержания его в почве. Подсчитано, что культурные растения земного шара потребляют за год 100 млн. т азота, в то время как минеральных удобрений вносится только 32 млн. т, а остальной дефицит азота пополняется за счет деятельности особых микроорганизмов — азотфиксаторов.

Безжизненный газ (азот) становится источником органических веществ. Далее органические вещества растений и животных подвергаются разложению исключительно за счет «великих могильщиков» — микробов. В результате распада белков при гниении как конечный продукт образуется аммиак. Белки разлагаются многими микроорганизмами — аэробными (живущими при доступе кислорода) и анаэробными (усваивающими связанный кислород), грибами и актиномицетами. При разложении белков образуются разные продукты — двуокись углерода, аммиак, органические кислоты, сероводород и другие вещества.

Определенные микробы, открытые С. Н. Виноградским в 1890 г., претерпевают превращения, связанные с окислением аммиака, который сначала используется нитрозными микроорганизмами, а нитриты, образующиеся последними, служат источником жизни для нитратных бактерий. Этот процесс имеет прямую связь с плодородием почвы: чем богаче почва, тем большее количество азотной кислоты она может накопить.

Одновременно с накоплением азота в почве происходит обратный процесс — превращение окисленных форм азота в окислы азота или молекулярный азот. Способностью к выделению молекулярного азота обладают так называемые денитрифицирующие бактерии, которые приводят к обеднению почвы, но и это явление необходимо для замыкания круговорота и пополнения воздуха азотом.

Денитрификация — процесс, имеющий большое экологическое значение. Он лишает почву необходимого для растений азота, потери которого могут достигать при определенных условиях до 50% связанного азота. Особенно значительные потери происходят в удобренных почвах. Тем не менее денитрификация способствует накоплению определенного количества связанного азота в почве. При отсутствии денитрификации земной запас азота, включая азот атмосферы, в конце концов сосредоточился бы в океанах, и жизнь стала бы невозможной на основной части суши. Денитрификация делает пресную воду пригодной для питья, поскольку высокие концентрации ионов нитрата токсичны.

В природе происходят процессы превращения соединений серы и железа, аналогичные, круговоротам азота и углерода. Основную роль в этих явлениях играют определенные микроорганизмы (серо- и железобактерии). Специфические серобактерии осуществляют важнейшие этапы превращения серы: минерализацию органической серы, окисление минеральной серы и ее восстановление. В водоемах серобактерии окисляют ядовитый сероводород в безвредные сернокислые соли.

Сера — необходимый питательный элемент для организмов. Бактерии, окисляющие неорганические соединения серы, находят применение при разработке месторождений полезных ископаемых, в частности при микробиологическом выщелачивании меди из различных минералов, в которых медь соединена с серой. Этот способ экономически более выгоден, чем добывание меди плавкой.

Помимо биологического круговорота серы в земной атмосфере происходят важные небиологические превращения газообразных форм серы. Подсчитано, что в атмосферу ежегодно выделяется около 90 млн. т серы в форме сероводорода, который образуется биологическим путем, еще 50 млн. т — в форме оксида серы при сжигании ископаемых видов топлива и около 0,7 млн. т в форме сероводорода и оксида серы возникает в результате вулканической деятельности.

Известный ученый С. Н. Виноградский в 1888 г. обнаружил особые бактерии, окисляющие закисные соли железа в окисные (последние осаждаются в виде гидрата окиси железа вокруг их оболочки). Там, где развиваются железобактерии, скапливается большое количество гидрата окиси железа, который придает желтый цвет тому водоему, где они живут. Иногда гидрат окиси железа, отлагаемый бактериями, вызывает закупорку водопроводных и дренажных труб. Микроорганизмы принимают деятельное участие и в круговороте фосфора. Живые клетки усваивают фосфор в виде свободных фосфатных помов (PO4-3), а образуемые ими органические фосфорсодержащие соединения после смерти живых организмов подвергаются гидролизу и вновь превращаются в фосфатный ион. Микроорганизмам принадлежит ведущая роль в переводе нерастворимых органических фосфатных отложений в PO4-3.

В результате активной жизнедеятельности микробы образуют органические кислоты, а также азотную и серную, которые растворяют фосфат кальция, а образованный микробами сероводород способствует растворению фосфатов железа. Большая часть земных запасов фосфора находится в виде нерастворимых солей кальция, железа или алюминия и поэтому не может усваиваться живыми организмами. В почве растворимые фосфаты постоянно теряются, так как переносятся в моря благодаря выщелачиванию. Только фосфор возвращается на сушу, главным образом в виде отложений (гуано) морских птиц.

Все реакции, образующие в совокупности круговорот веществ, приводят к сбалансированному образованию и потреблению биологически важных элементов в биосфере.

Деятельность микроорганизмов оказывает большое влияние на окружающую нас среду. Ведь эти мельчайшие «невидимки» ежесекундно, неутомимо в огромных масштабах совершают сложные биологические процессы, которые очищают и обогащают атмосферу воздушных и водных пространств необъятного земного шара. Они ответственны за плодородие почв, а значит, и за урожаи сельскохозяйственных культур, обилие даров природы.

Все области знания в равной мере необходимы, но некоторые из них важнее других. И биологию нам следовало бы поставить на первое место, так как ее цель — понять и объяснить сущность жизни.

Источник: А.Г. Гриневич, Р.С. Сыздыкова. Таинственные невидимки. Кайнар. Алма-Ата. 1984

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: