Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Кафедра «Теплотехника и гидравлика»

Реферат

по дисциплине: «Общая микробиология»

на тему: «Роль микроорганизмов в круговороте углерода»

Выполнила:

студентка группы ПП-251А

Борисевская А. С.

Проверил:

старший научный сотрудник, д.м.н.

Самыгин В.М.

Волгоград, 2014

Введение

Микроорганизмы, несмотря на свою малую величину, играют огромную роль в природе и жизни человека. Микробы совершают круговорот веществ, разрушают сложные органические вещества, образующиеся в зелёных растениях, участвуют в процессах самоочищении воды и почвы. В превращении органических веществ, поступающих в почву и образующихся в ней, принимают участие различные группы микробов: гнилостные, нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие и др.

В последнее время микроорганизмы стали шире использоваться в геологии при поисках полезных ископаемых. Сейчас выясняется их роль в разрушении одних и образовании других горных пород.

Все это является примером биогеохимической деятельности микроорганизмов. В результате этой деятельности происходит трансформация элементов в биосфере, что определяется универсальностью ферментативного аппарата микробной клетки, способной перерабатывать любые вещества субстрата. [1]

В малом биологическом круговороте микроорганизмам принадлежит
ведущая роль. Знаменитые российские ученые С.Н. Виноградский, В.Л. Омелянский, Б.Л. Исаченко, Д.М. Новогрудский и многие другие, своими исследованиями способствовали раскрытию закономерностей, протекающих в малом биологическом круговороте. Было показано, что с помощью микрофлоры органические соединения животного и растительного происхождения разлагаются до углерода, азота и прочих биогенных элементов и вновь используются представителями макро- и микромира в синтетических процессах. [2]

1. Круговорот углерода

Среди изменений веществ, вызываемых микроорганизмами, наибольший интерес представляют превращения, связанные с кругооборотом углерода, являющегося важнейшими элементом всего живого органического мира.

Атмосферный воздух содержит около 0,03% С02, но продуктивность зеленых растений настолько велика, что весь запас углекислоты в атмосфере (2600-109 т С02) был бы истрачен за 20 лет -- срок, ничтожно короткий в масштабах эволюции. Фотосинтез бы прекратился, если бы микроорганизмы, растения и животные не обеспечивали возвращение С02 в атмосферу в результате непрерывной минерализации органических веществ.

С одной стороны, круговорот углерода обеспечивается процессом фотосинтеза, в котором наравне с зелеными растениями принимают участие фотосинтезирующие микроорганизмы; с другой - круговорот углерода тесно связан с процессами минерализации (разрушения, распада) высокомолекулярных безазотистых соединений, которые осуществляются посредством самых разнообразных микроорганизмов. Разложение органических веществ, не содержащих азота, происходит либо путем неполного окисления (брожения), либо полного окисления (дыхания).

Итак, круговорот углерода складывается из двух взаимосвязанных процессов: 1) потребление углекислоты атмосферного воздуха аутотрофными микробами; 2) возвращения, пополнения запасов углекислоты в атмосфере. [3]

2. Фотосинтезирующие микроорганизмы

Потребление СО₂ совершается фотосинтезирующими микроорганизмами. При фотосинтезе образуются различные органические соединения. Основная масса углерода отлагается в растениях в форме различных сахаров (глюкоза, фруктоза, крахмал и др.). Образовавшиеся органические соединения используются человек и животными для питания, а после их гибели органические вещества переходят в почву.

При кислородном фотосинтезе аэробные цианобактерии и зелёные растения основную часть окисленной формы углерода (СО2) переводят в восстановленное состояние, характерное для органических соединений (например, глюкозу), а восстановленную форму кислорода (Н2О) окисляют до О2. Хотя анаэробные пурпурные и зелёные бактерии могут восстанавливать СО2 до органических веществ, окисляя отличные от воды соединения (NH3, NO2, Н2, Fe2+, восстановленные соединения серы), вклад этих процессов в общую фиксацию СО, незначителен. В результате фотосинтетической фиксации СО2 образуются сахара и другие соединения. Основная масса фиксированного углерода растений откладывается в виде полимерных углеводов (крахмал, целлюлоза). Поэтому сахара играют ведущую роль в питании всех живых организмов, нуждающихся в органической пище (организмы-гетеротрофы), и служат предпочтительными питательными веществами для большинства гетеротрофных микроорганизмов. [4]

3. Микроорганизмы, вызывающие брожение, участвующие в круговороте углерода

Возвращение углекислоты происходит микроорганизмами почвы и воды. Большое количество углекислоты поступает обратно в атмосферу при минерализации органических остатков растений и животных почвенными бактериями и грибами. Главными субстратами процессов минерализации в природе являются сахара в форме полимеров. Использование глюкозы в качестве основного энергетического материала при процессах биологического окисления (брожение, дыхание) приводит к высвобождению углекислоты.[5]

Значение брожения было установлено еще Л. Пастером. Благодаря брожению безазотистые органические соединения, в частности углеводы, превращаются в продукты неполного окисления - спирты, альдегиды, органические кислоты.

Биологическое значение брожения заключается в образовании энергии для жизнедеятельности микроорганизмов. При этом следует отметить, что при дыхании разложение безазотистых органических веществ идет до СО2 и Н2О, а при брожении - до промежуточных соединений, свойственных каждому из видов брожения. Именно поэтому энергетический выход при брожении превышает таковой при дыхании.[6]

В природе существует много типов брожений, вызывающихся определенными видами микробов. Наибольшее значение для круговорота углерода имеют следующие.

Брожение клетчатки. В природе огромные запасы углерода сосредоточены в клетчатке (целлюлозе) растений. После их гибели идет разложение клетчатки с высвобождением углерода в виде углекислоты, возвращающейся в атмосферу. Наиболее интенсивно клетчатка разлагается целлюлозными микробами в пищеварительном аппарате травоядных животных. Различают анаэробное и аэробное брожение клетчатки.

Интенсивно разлагают клетчатку в навозе в анаэробных условиях термофильный микроб Cl. termocelum, согревая его до 60--65oС.
Аэробное брожение клетчатки наиболее интенсивно происходит под влиянием следующих трех родов микроорганизмов, широко распространенных в природе: Cytophaga -- подвижных длинных палочек с заостренными концами, Celvibrio -- изогнутых палочек, Celfacicula -- коротких палочек. В аэробных условиях клетчатку разлагают также актиномицеты и плесневые грибы родов Aspergillus, Penicillium и др.
Целлюлозные микроорганизмы выполняют огромную санитарную роль, разлагая клетчатку отмерших растений, благодаря чему в почве накапливается гумус, повышающий ее плодородие.

Брожение пектиновых веществ. Разрушение отмерших растений происходит при активном участии микроорганизмов, вызывающих брожение пектиновых межклеточных веществ, связывающих растительные клетки. При нагревании пектиновые вещества приобретают студневидную консистенцию (пектис -- студень). Возбудители этого брожения -- Cl. pectinovorum -- спорообразующие подвижные крупные палочки. Большое практическое значение пектиновокислое брожение имеет при мочке волокнистых растений (льна, конопли). микроорганизм круговорот углерод брожение

Спиртовое брожение вызывается дрожжевыми грибами, разлагающими сахара ферментом зимазой с образованием этилового спирта и углекислоты, по следующему уравнению:

Saccharomyces cerevisiae -- пекарские, хлебные дрожжи -- представляют собой овальные клетки величиной 8--10 мкм. Эти дрожжи вызывают верховое и низовое брожение. Верховое брожение происходит при температуре 14--24oС с обильным выделением газа, при этом дрожжи поднимаются вверх, образуя пленку. Этот вид брожения используется в хлебопечении и виноделии. Низовое брожение протекает при температуре 4--10 oС , дрожжи размножаются медленно в нижних слоях, используется в пивоварении.

Tarula utilis -- кормовые дрожжи -- крупные, круглые клетки, обладающие энергичным ростом, цитоплазма их богата жиром. Torula kephir -- кефирные дрожжи -- овальные и круглые клетки, сосредоточивающиеся в кефире колониями.

Молочнокислое брожение. Микробиологический характер этого процесса установил Л. Пастер. В результате молочнокислого брожения, главным образом сахара, а также многоатомные спирты и белки расщепляются до молочной кислоты. Схематически этот процесс можно представить следующим уравнением:

Молочнокислое брожение -- анаэробный процесс, протекающий без кислорода. Оно давно и широко используется человеком для изготовления различных молочных продуктов -- масла, сыра, кефира, кумыса, простокваши. Приготовление силоса, квашение и соление овощей основано также на молочнокислом брожении. Возбудители этого брожения весьма широко распространены в природе, их обнаруживают в почве, воде, воздухе, на растениях, в животноводческих помещениях, на коже животных, в жилых помещениях.

Streptococcus lactis -- шарообразные или овальные клетки этого микроба располагаются попарно, но чаще цепочками; образует 0,8--1 % молочной кислоты. Bact. bulgaricum впервые выделена И. И. Мечниковым из болгарской простокваши; это неподвижная длинная, не образующая спор палочка, оптимальная температура для нее 40--48oС, накапливает 3--3,5% молочной кислоты. Bact. acidophilum -- морфологически и физиологически сходна с болгарской палочкой. Bact. casei-- неподвижная палочка, встречаются короткие и длинные формы, располагающиеся цепочками. Bact. Delbrucki -- неподвижная, длинная, бесспоровая палочка, накапливает более 2 % молочной кислоты, а в среде с мелом до 10 %, в промышленных условиях является продуцентом молочной кислоты. Bact. brassicum -- основной возбудитель брожения при сквашивании капусты, накапливает около 2 % молочной кислоты. Bact. cucumeris fermentati-- возбудитель брожения при засолке огурцов, накапливает 1 % молочной кислоты.
Все молочнокислые бактерии являются антагонистами гнилостных микробов. На этом основано применение диетических молочнокислых продуктов для профилактики и лечения желудочно-кишечных заболеваний, вызванных гнилостными микробами у человека и новорожденных животных.

Уксуснокислое окисление -- микробиологический процесс окисления этилового спирта в уксусную кислоту. Природу его впервые установил Л. Пастер, доказав ведущую роль в нем бактерий. Последние широко распространены в природе, их обнаруживают в почве, воздухе, на растениях, в жилых помещениях и на животноводческих фермах.
Род уксуснокислых бактерий -- Acetobacter -- состоит из 11 видов, среди них главной является Bact. aceti -- уксусная палочка. Это неподвижная, короткая, бесспоровая, аэробная палочка, располагается изолированно, но чаще длинными цепочками.

Маслянокислые микробы в большинстве анаэробы, они широко распространены в природе, их обнаруживают в почве, воде, воздухе, на растениях, продуктах питания и кормах. Одновременно с углеводами они разлагают жиры и белки, при этом вначале образуются промежуточные продукты -- пировиноградная кислота, уксусный альдегид, затем масляная кислота и побочные продукты -- ацетон, бутиловый спирт, углекислота, водород. Маслянокислое брожение вызывает около 25 видов микроорганизмов.

Основные из них: Cl. pasteurianum, Cl. pectinovorum, Cl. felsineum. Это подвижные крупные палочки с закругленными концами, образуют споры, приобретая характерную веретенообразную форму. В цитоплазме этих микробов содержится гликоген и гранулеза, поэтому они хорошо окрашиваются раствором йода в синий и бурый цвет. [7]

Заключение

Микроорганизмы, благодаря легкости их расселения по воздуху и воде, распространены по всей биосфере, и вследствие их чрезвычайно высокой метаболической активности они играют главную роль в химических превращениях, которые происходят на поверхности Земли. Возможность жизни на нашей планете определяется непрерывно протекающим круговоротом основных элементов (углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, серы и др.). Ведущая роль в процессах трансформации этих элементов принадлежит микроорганизмам.

В круговороте углерода активное участие принимают растения, водоросли и цианобактерии, фиксирующие СО2 в процессе фотосинтеза, а также микроорганизмы, разлагающие органические вещества отмерших растений и животных с выделением СО2. При аэробном разложении органических веществ образуются СО2 и вода, а при анаэробном брожении - кислоты, спирты, СО2. Таким образом, можно сделать вывод.[8]

При спиртовом брожении микроорганизмы (дрожжи и др.) расщепляют углеводы до этилового спирта и диоксида углерода. Молочнокислое брожение, вызываемое молочнокислыми бактериями, характеризуется выделением молочной и уксусной кислот и диоксида углерода. Процессы пропионовокислого (вызываемого пропионибактериями), маслянокислого, ацетонобутилового (вызываемых клостридиями) и других видов брожения сопровождаются образованием различных кислот и диоксида углерода.

Размещено на Allbest.ru