1.09.2020г. Лекция 1. "Предмет, задачи и место экологии микроорганизмов в системе экологических наук "

Микроорганизмы часто рассматриваются в качестве первых обитателей Земли. Впервые за живыми микроорганизмами под микроскопом наблюдал А. Левенгук (1676), а роль их в превращениях химических веществ и возникновении болезней была доказана в работах Л. Пастера и Р. Коха в конце XIX столетия. Постулаты Коха создали надежную основу для изучения роли микроорганизмов в инфекционном процессе. Термином «экология микроорганизмов» стали широко пользоваться в 60-х годах ХХ столетия, однако, экологически ориентированные работы с микроорганизмами проводили уже давно. Как известно, Левенгук обнаружил микроорганизмы в каплях дождевой воды (их естественное местообитание) и выявил действие перца на микробы (влияние окружающей среды). В конце Х1Х – начале ХХ вв. С.Н. Виноградский и М.Бейеринк разработали принципы элективных культур, что можно определить как дату рождения науки, которую впоследствии стали называть «экология микроорганизмов», изучающая специальным образом взаимоотношения между микроорганизмами и их биотическим и абиотическим окружением.

Среда обитания микроорганизмов охватывает весьма широкие зоны биосферы, часто с экстремальными условиями обитания, где не могут развиваться ни растения, ни животные. Микроорганизмы обнаружены в каждой пробе воды, почвы, воздуха, у животных, растений и человека. Они демонстрируют огромное разнообразие форм и мест заселений, включая экстремальные по температурам, давлению, солености и рН. Они найдены в самых глубоких слоях океана, где рядом с подводными термальными источниками они формируют новые оазисы жизни, не основанной на первичной фототрофной продукции органического вещества в результате деятельности хемолитотрофных микроорганизмов. В толще скальных пород на глубинах 4-6 км микроорганизмы осуществляют «водородный» и «метановый» циклы, их выделили из горных пород взятых на высоте 8 км и из метеоритных остатков.

За последние 30 лет стало понятно, что из определенных мест выделяют определенные микроорганизмы с определенными функциями. В природных пробах их никогда не находят в виде чистых культур, что позволяет утверждать о взаимодействии микробных популяций друг с другом и микроокружением. Было так же установлено, что микроорганизмы обладают сенсорами, т.е. способны к фото- хемо- и магнитотаксису, благодаря чему активно выбирают для себя наиболее выгодные места в градиентных местообитаниях.

Экология микроорганизмов изучает взаимоотношения популяций в их экологических нишах. Наиболее полно и глубоко в этом отношении изучена микробиология рубца жвачных животных. Известны признанные во всем мире и неоспоримые приемы профессора Р.Хангейта, которые сделали возможной работу со строгими анаэробами и позволили описать сложную микробную пищевую цепь формирующуюся в рубце и приводящую к образованию метана. Была разработана концепция «синантрофных микроорганизмов», позволяющих совместно проводить такие реакции и перерабатывать вещества, которые не под силу переработать ни одному члену сообщества в отдельности. При этом возникла концепция «межвидового переноса водорода», позволяющая существовать синтрофным ассоциациям микроорганизмов за счет термодинамически сложных процессов. Микробные процессы приводящие к перевариванию целлюлозы в рубце, стали так же примером взаимоотношения микроорганизмов и животных. Впоследствии аналогичное взаимоотношение было обнаружено при изучении пищевой цепи термиты – ассоциации микроорганизмов – высшие организмы.

В природе микробные сообщества растут, образуя биопленки, о чем впервые сообщили К.Зобэлл и М.Андерсон еще в 50-х годах ХХ столетия, однако более подробно изученные в последние 20 лет, благодаря развитию техники микроэлектродов. Установлено, что биопленки преобладают над свободно живущими микроорганизмами, как в численном отношении, так и по уровню метаболизма.

В 1956 году голландский профессор А.Клюйвер предположил, что половина существующей на Земле «живой протоплазмы» принадлежит клеткам микроорганизмов. В настоящее время эта догадка научно обоснована, хотя даже существующие современные методы все еще не дают возможности экологам-микробиологам наблюдать за развитием микроорганизмов в их микроокружении, не нарушая последние в процессе наблюдений. Новые методы исследований позволили глубже понять принципы функционирования микробных сообществ в их естественных местообитаниях, однако эти методы так же далеки от совершенства. Они поставили микробиологов перед шокирующим фактом, что выделенных чистых культур по отношению ко всей численности видов в природе удивительно мало: они составляют лишь менее 0,1% от общего количества. Некоторые расчеты показывают, что при существующей скорости описания новых видов все растения и животные будут описаны в течение 50 лет, тогда как на описание всех микроорганизмов потребуется 10 000 лет. Сколько интересных открытий должно таиться в оставщихся невыделенными 99,9% микроорганизмов, которые вызовут к жизни новые биотехнологические процессы и приведут к открытию новых веществ, полезных для практики.

Толчком к развитию методов экологии микроорганизмов послужили так же исследования космического пространства и поиск микробной жизни на других планетах.

Перечисленные аспекты современной экологии микроорганизмов требует дальнейшей работы, направленной на более глубокое понимание структурных и функциональных особенностей микробных сообществ. Ощущается острая необходимость в ускоренном развитии методов, позволяющих лучше понимать характер изменений в микроокружениях сообществ, при смене физико-химических условий. Это фактически и составляет предмет и задачи экологии микроорганизмов, среди которых выделяют следующие:

1.                                    выяснение основных закономерностей влияния факторов абиотической среды на М, а так же закономерностей взаимодействия в системе м/о – м/о, растения, животные, человек.

2.                                    выяснение роли м/о в круговороте веществ в природе, в образовании и разрушении минералов, месторождений полезных ископаемых, горных пород, а так же в миграции отдельных элементов.

3.                                    разработка и применение теоретических основ использования микроорганизмов в биологической очистке сточных вод, повышения плодородия почв, борьбе с вредителями и болезнями с/х растений и животных, повышении продуктивности и самоочищению водоемов.

4.                                    изучение экологических аспектов существования и распространения эпидемических заболеваний, вызываемых вирусами, бактериями, грибами и простейшими (бактериология, протистология, альгология – водоросли, микология и вирусология) и т.д..