Микроорганизмы в пещерах

Для обозначения отношения бактерий к факторам роста используют термины «ауксотрофы» и «прототрофы». Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста, прототрофы могут сами синтезировать необходимые для роста соединения.   

 Бактерии, растущие на плотных питательных средах, образуют изолированные округлые колонии с ровными или неровными краями, различной консистенции и цвета. Популяция бактерий, образующихся при размножении единственной бактериальной клетки, называется штаммом. При росте на жидкой питательной среде бактерии дают придонный, диффузный или поверхностный (в виде пленки) рост. Он имеет несколько фаз: лагфазу, фазу логарифмического роста, фазу стационарного роста, или максимальной концентрации бактерий, и фазу их гибели. Лагфаза — период между посевом и началом размножения бактерий, которые при этом увеличиваются в размерах и готовятся к делению.

Фаза логарифмического роста — это период интенсивного деления бактерий. Грамположительные бактерии делятся путём образования перегородок деления, а грамотрицательные – формируют перетяжку деления. При оптимальных условиях роста они могут делиться каждые 20—30 мин. Затем наступает фаза стационарного роста, в которой количество жизнеспособных клеток не изменяется. Завершает процесс роста фаза гибели, характеризующаяся отмиранием бактерий в условиях истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий.

1. Интенсивность роста и их размножения зависит от температуры окружающей среды. [http://www. wikipedia. ru.org›wiki/Пещерная_фауна]

Экологически обособленную группу в природе представляют термофильные микроорганизмы. Температурные условия вызывали в в процессе эволюции появление микробных форм, которые оказались способными развиваться при разных температурах, в том числе и при высокой (50—93 °С).

Видная роль в изучении термофильных микроорганизмов принадлежит А. А. Имшенецкому, Е. Н. Мишустину, Б. Л. Исаченко и др. Эти учёные не ограничились разработкой только теоретической стороны проблемы явления термофилии, и их исследования имели важное практическое значение.

Одна из главных отличительных  особенностей термофилов — ускоренный обмен веществ. За последние годы благодаря новейшим методам исследования удалось накопить данные, частично раскрывающие механизмы, при помощи которых клетка защищается от воздействия высокой температуры. Установлено, что наиболее существенные изменения под воздействием высокой температуры претерпевают клеточные белки и липиды, с которыми связаны основные жизненные процессы. Благодаря высокой скорости роста термофильные микроорганизмы могут найти широкое применение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Методы выделения термофильных и мезофильных бактерий в основном сходны. Различие заключается лишь в температуре выращивания. Для того чтобы точно установить оптимальную температуру развития и закрепить её, культуру необходимо длительно (1 — 2 месяца) пассировать (пересевать) в диапазоне найденного оптимума.

Различные микроорганизмы могут развиваться  при разных температурах: одни микробы  хорошо растут при низких температурах, близких к О °С (+5 °С); другие, наоборот, способны к росту при высоких температурах (около 90 °С). Поэтому микроорганизмы делят по их отношению к температуре на три основные группы— психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы (предпочитающие низкие температуры) — микроорганизмы, имеющие минимальную температуру роста ниже О °С.

Мезофилы (предпочитающие средние  температуры) — микроорганизмы, имеющие  минимальную температуру роста  выше, чем у психрофилов, а максимальную температуру ниже, чем у термофилов. Большинство микроорганизмов — мезофилы, растущие обычно при температурах от 0—10 °С до 40—45 °С.

Термофилы (предпочитающие высокие  температуры) — микроорганизмы с  максимальной температурой роста обычно выше 50 °С.

Что же такое минимальная и максимальная температуры роста? Минимальная — это такая пороговая температура, при незначительном снижении которой скорость роста микроорганизма (прирост клеток за 1 ч) близка к нулю, т. е. практически рост прекращается. Максимальная температура — пороговая температура, при незначительном повышении которой скорость роста микроорганизма близка к нулю. При изучении особенностей каждого нового штамма обязательно определяют и оптимальную температуру, т. е. устанавливают тот температурный диапазон, в котором данный микроорганизм растёт с максимальной скоростью. При максимальной скорости роста микроорганизм, естественно, наиболее интенсивно размножается. Поэтому довольно часто скорость роста выражают как число генераций за 1 ч. Английский ученый Т. Д. Брок предложил схему, показывающую зависимость скорости роста (частоты генераций) от температуры для различных температурных групп микроорганизмов.

Внутри группы термофилов различают еще четыре более мелкие подгруппы  — экстемально термофильные микроорганизмы, стенотермофилы, эвритермофилы, термотолерантные микроорганизмы (термотолеранты). Экстремально термофильные микроорганизмы вовсе не растут при температурах ниже 40—45 °С, оптимальная температурная зона роста — около 80 °С, максимальные температуры близки к 93 °С. Стенотермофилы характеризуются минимальными температурами роста, равными 37—40 °С, максимальные лежат в области 70— 80 °С, зона оптимальных температур — 55— 65 °С.

Наибольшее количество термофильных микроорганизмов относится  к подгруппам эвритер-мофилов и термотолерантов. Эти подгруппы довольно сложно чётко охарактеризовать. Особенно трудно отличить термотолерантные штаммы от некоторых мезофилов.

Эвритермофилы имеют минимальную  температуру роста ниже 37 °С, а  максимальную — выше 48 °С, но ниже 70 °С. Эта подгруппа включает представителей различных систематических групп — бактерий, актиномицетов, дрожжей, грибов, водорослей.

Термотолеранты характеризуются  максимальной температурой роста, равной 45—48 °С (для бактерий). Однако некоторые  мезофильные штаммы также могут иметь максимальную температуру, равную 45 °С. В таких случаях отличить термотолерантный штамм от мезофильного можно по изменению величины скорости роста при незначительном (на 3—6°) сдвиге температуры в сторону возрастания от значения температур, являющихся оптимальными для мезофильных штаммов бактерий (обычно 37 °С). При таком увеличении температуры скорость роста термотолерантного микроорганизма существенно не изменится, а мезо-фильный штамм будет развиваться с заметно снижающейся скоростью. Если микроорганизм окажется эвритермофильным (со сравнительно низкой максимальной температурой 48—50 °С), то его скорость роста при повышении температуры от 37 до 43 °С резко возрастет.

Таким образом, по изменению скорости роста можно установить принадлежность данного штамма микроорганизма к той или иной температурной группе или подгруппе.

2. Итак, термотолерантный микроорганизм способен размножаться с почти одинаковой скоростью как при обычной температуре (37 °С), являющейся оптимальной для мезофильных штаммов, так и при более высокой (на 3—7° выше) температуре. Термотолерантный микроорганизм как бы безразличен к такому изменению температуры. Да и сам термин «термотолерантность» означает терпимость к повышению температуры. Следовательно, под термотолерантностью следует понимать способность микроорганизма размножаться без существенного уменьшения или увеличения скорости роста при указанном выше увеличении температуры. В природе и лабораторных условиях микроорганизмы могут подвергаться кратковременному воздействию высоких температур. Во время такого теплового воздействия клетки обычно не размножаются. После прекращения действия этого неблагоприятного для развития микроорганизма фактора одни штаммы могут сохранить репродуктивную способность (способность к размножению), другие оказываются менее устойчивыми и погибают. Устойчивость микроорганизмов различных температурных групп (психрофилов, мезо-филов, термотолерантов, термофилов) к кратковременному воздействию высоких температур без повреждения репродуктивной способности микроорганизма (при снятии действия этих температур) целесообразно характеризовать термином термоустойчивость (термо-резистентность). [http://www.bgu.org.ua›workbox/products/energy/biogaz/Work/…]

Бактерии, растущие при низкой температуре, называются психрофилами, при средней (оптимум роста около 37°) — мезофилами, при высокой температуре — термофилами. Психрофильные бактерии составляют большую группу сапрофитических микроорганизмов — обитателей почвы, морей, пресных водоёмов, сточных вод. К ним относятся некоторые железобактерии, псевдомонады, светящиеся бактерии, бациллы и др. Некоторые психрофильные Б. могут вызывать порчу продуктов питания, хранящихся при низкой температуре. Способностью расти при низких температурах обладают некоторые бактерии, вызывающие заболевания у человека, например возбудитель псевдотуберкулеза может размножаться при t 4°. В зависимости от температуры культивирования меняются и другие свойства бактерий. Так, Serratia marcescens образует при t° 20—25° большое количество красного пигмента (продигиозана), а при t° 37° — меньшее его количество, однако скорость её размножения выше при 37°. Синтез полисахаридов, в т.ч. капсульных, выше при более низких температурах культивирования (в пределах температур, при которых возможен рост). Интервал температур, при котором возможен рост психрофильных бактерий, колеблется от —10° до 40°. Небольшая часть психрофильных бактерий способна расти при нижнем пределе температуры —10°, если в среде обитания имеются соли в концентрации, предотвращающей замерзание среды. Мезофилами являются многие патогенные и условно-патогенные бактерии. Они растут в диапазоне температур от 10° до 47°. Термофильные бактерии, развиваются при t° 250—300° в горячих сульфидных водах и давлении 265 атм на дне океана. Термофилы обитают в горячих источниках, участвуют в процессах самонагревания навоза, зерна, сена. Титр термофилов — наименьший вес почвы, в котором содержится один термофильный микроорганизм, — используется для оценки санитарного состояния почвы.   

 Температура, ультрафиолетовое  излучение, высушивание, различные  вещества в зависимости от  дозы и времени воздействия  могут оказывать на бактерии бактериостатическое (остановка роста бактерий) или бактерицидное (убивающее) действие.   

При воздействии неблагоприятных  факторов окружающей среды некоторые  бактерии образуют споры, называемые эндоспорами. Эндоспоры имеют плотную оболочку, содержащую дипиколинат кальция, что способствует их длительному сохранению при действии высоких температур и высушивании. Споры различных видов бактерий располагаются центрально, субтерминально или терминально (на конце палочковидной бактерии). Диаметр спор может превышать диаметр бактерий, приобретающих вследствие этого форму веретена. Отсюда название этих бактерий — клостридии (греч. klōstēr веретено + eidos вид), в отличие от бацилл, диаметр спор которых не превышает диаметр клетки.    

3. Способность бактерий приживаться в тканях организма-хозяина и вызывать инфекционные болезни называется патогенностью. Мерой, степенью патогенности является вирулентность. Патогенность определяется генами, ответственными за образование компонентов с адгезивными свойствами (пили, липотейхоевые кислоты клеточных стенок грамположительных бактерий и др.); ферментов с инвазивной активностью (гаалуронидаза, нейраминидаза, коллагеназа и др.); веществ с антифагоцитарной активностью (капсулы, слизь, корд-фактор микобактерий и др.), веществ с токсической активностью — эндотоксины, белки, секретируемые бактериями. Патогенность обусловливают не только гены хромосомы, но и плазмидные гены. Так, определённые плазмиды контролируют образование пилей, ответственных за адгезию. Условно-патогенные, или потенциально патогенные бактерии, являясь главным образом представителями нормальной микрофлоры человека и животных, реализуют патогенный генотип в условиях сниженной резистентности и иммунитета организма-хозяина. Бактерии так же можно идентифицировать по морфологическим, тинкториальным (способ окраски), культуральным (особенности роста), биохимическим и серологическим свойствам. [http://www. znaiu.ru/art/400026600.php]

Глава 2. Спелеофауна

Внимание исследований последних лет обращено на микроорганизмы и микробные сообщества, развивающиеся в определённых экосистемах.

Учреждение РАН Институт микробиологии им. С.Н. Виноградарского  несколько лет занимается изучением темы: жизнедеятельность микроорганизмов в экстремальных экосистемах – термальных источниках, содовых и гиперсоленых озерах, сульфидсодержащих морских и пресных водоемах, техногенных отходах. Открыта группа алкалофильно-содофильных фототрофных бактерий. В содовых озёрах обнаружена новая группа облигатно автотрофных сероокисляющих бактерий, из них выделено и изучено более 100 штаммов, отнесённых к 3 новым родам и 13 видам. В настоящее время эти бактерии являются предметом углубленных физиолого-биохимических исследований.

Галоалкалофильные серобактерии представляют большой практический интерес для технологии очистки промышленных и природных газов высокого давления от сероводорода. В настоящее время их применение прошло стадию лабораторных тестов и выходит на стадию пилотных испытаний, что защищено международным патентом.

Более 20 лет изучаются микроорганизмы, разрушающие каменные здания (мраморные, известняковые), а также микроорганизмы, повреждающие настенную живопись. В процессе разрушения каменных зданий бактерии, используя органические соединения производят кислоты, которые и разъедают камень. В случае настенной живописи бактерии могут использовать переменно-валентные элементы, входящие в состав красочного слоя, а вновь образованные соединения часто имеют другой цвет. [http://www. inmi.ru›index.php?SECTION_ID=114]

Пещеры – это естественные подземные полости, сообщающиеся с поверхностью Земли одним или несколькими отверстиями. Они могут быть заполнены воздухом или другим газом, водой, частично твёрдыми отложениями. По происхождению пещеры подразделяются на первичные и вторичные. Первичные пещеры сингенетичны тектоническим породам: газовые пузыри и тоннели в лавах, полости в рифах и известковых туфах, пещеры гидратации в гипсо-ангидритах; вторичные пещеры — результат геологических процессов, проявляющихся в сформировавшейся породе или леднике: пещеры выветривания, выщелачивания, выдувания, суффозионные, абразионные на берегах морей, карстовые, гидротермальные, гляциальные в ледниках.

Наиболее распространены карстовые  пещеры. Искусственными пещерами называются заброшенные горные выработки, сходные с естественными, а также высеченные в породах помещения, главным образом средневековые пещерные города (например, Вардзиа в Грузии и Чуфут-Кале в Крыму).

Пещеры состоят из расширенных (галереи, гроты, залы) и узких (проходы, ходы) участков, иногда образующих сложные системы. Наиболее протяжёнными являются карстовые пещеры, образованные в результате деятельности подземных вод в трещиноватых относительно хорошо растворимых природными водами породах: известняках, доломитах, гипсах, ангидритах, каменной соли.

По положению в пространстве пещеры разделяются на вертикальные (шахты, пропасти), наклонные, горизонтальные. В мире исследовано 26 шахт глубиной более 1 км.

Формирование пещер  может быть обусловлено целым  рядом очевидных или неочевидных  факторов:

1. Деятельностью подземной речной сети в известняках, доломитах, гипсах и других легкорастворимых породах. Вода, просачиваясь по порам и трещинам и растворяя породы, способствует их расширению и превращению в каверны и пещеры. Часто просочившаяся в пещеру и насыщенная минералами вода, испаряется. При этом образуются сталактиты (натечные образования, которые свисают с потолка пещеры) и сталагмиты (нарастают снизу вверх). Некоторые из таких образований весьма живописны.
2. Пещеры могут формироваться и в результате вулканической деятельности: при вытекании жидкой лавы из-под затвердевшего лавового потока (лавовые тоннели), наличии газовых карманов в лаве, протаивании льда под лавой и пр.
3. Иногда пещеры возникают в результате землетрясений.
4. Морские волны вымывают пещеры в береговых уступах, а реки – в склонах долины.
5. В пустынях переносимые ветром твердые песчинки могут "выдалбливать" пещеры в скалах. [http://www.computerra.ru/xterra/37809/?print]