XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение микроценоза водоёма с помощью колонки Виноградского

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Косенкова Н.В. 1

---

1МОУ "Университетский лицей"

Трофимова С.А. 1

---

1Петрозаводский государственный университет

Работа в формате PDF

298 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Микроорганизмы встречаются во всех природных средах: в почве, воде, воздухе, на растениях, в организме животных и человека. Они являются неотъемлемым компонентом любой экологической системы и биосферы в целом.

Микробы – это большей частью прокариоты: археи, цианобактерии, бактерии. Они имеют относительно простое строение и представляют собой одноклеточные организмы. Как первые обитатели Земли они сформировали ту биосферную систему, в которой появились и существуют все остальные организмы (Заварзин, Колотилова, 2001). Это связано с тем, что микроорганизмы являются связующими звеньями биосферы, обеспечивающими протекание биогеохимических процессов.

Основоположник экологической микробиологии, великий русский учёный С.Н.Виноградский (1856-1953) писал: «микробы … являются живыми носителями бесчисленно разнообразных реактивов, можно даже сказать воплощёнными реактивами, без которых немыслимы бы были многие из необходимых процессов, составляющих круговорот веществ» (Виноградский, 1897).

Для изучения микробных сообществ применяются разнообразные микробиологические методы исследований: от микроскопии до молекулярно-биологического анализа. Кроме этого важным источником информации об экологии микроорганизмов служит непосредственное наблюдение за микробными сообществами в природе и в природных моделях (микрокосмах) (Колотилова, 2022). Яркой иллюстрацией такого подхода служит «колонка Виноградского» - модель микробиоценоза водоёма, разработанная известным микробиологом С.Н. Виноградским. Колонка Виноградского представляет собой стеклянный цилиндр, заполненный растительными остатками, илом и водой, в котором благодаря градиенту концентраций веществ и локальных условий развиваются различные группы микроорганизмов. В колонке происходят микробиологические процессы, характерные для природного водоёма.

Изучение природных моделей микробных сообществ представляет как теоретический, так и практический интерес. Речь, в первую очередь, идёт об исследовании состава микробиоценозов, о выявлении участия микроорганизмов в биогеохимических циклах, о мониторинге природных и антропогенных экосистем и о возможностях регуляции их функционирования.

Целью работы было изучение состава и структуры микробного сообщества пресного водоёма и его участия в биогеохимических циклах на примере колонки Виноградского.

В задачи работы входило:

1. Выделение групп микроорганизмов в колонке Виноградского в соответствии с вертикальным градиентом окислительно-восстановительных условий.

2. Описание выделенных групп микроорганизмов и определение их роли в биогеохимических циклах углерода и серы.

3. Выявление специфики микробных сообществ водоёмов на основе анализа литературы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1. Роль микроорганизмов в превращении веществ в природе

Живые организмы в природе участвуют в двух противоположных постоянно протекающих процессах: синтезе из минеральных веществ сложных органических соединений, и наоборот, разложении органических веществ до минеральных. Единство этих процессов лежит в основе биологической роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе.

Основное значение для живых организмов имеют круговорот азота, углерода, фосфора, серы, железа. Большая часть превращения веществ происходит в почве и гидросфере (Кисленко, 2006).

Азот входит в состав белков и является важнейшим по значению для жизни элементом. В круговороте азота в природе с участием микроорганизмов выделяют следующие этапы: азотфиксацию, аммонификацию, нитрификацию, денитрификацию (рис.1).

Рис.1. Схема круговорота азота: 1 – денитрификация, 2 – аммонификация, 3 – нитрификация, 4 - азотфиксация (Плакунов, 2010).

Азотфиксацию – усвоение азота из атмосферного воздуха – осуществляют свободноживущие и симбиотические микроорганизмы.

При аммонификации происходит минерализация азотсодержащих органических веществ до газообразного аммиака или ионов аммония.

На этапе нитрификации происходит превращение аммонийных солей в нитраты через нитриты.

В процессе денитрификации микроорганизмы восстанавливают нитраты до молекулярного азота, возвращающегося из почвы в атмосферу.

Важнейшим органогеном, входящим в состав микробов, растений, животных, является углерод. Автотрофные организмы восстанавливают углерод углекислоты с помощью солнечной энергии (фотосинтез) или химической энергии окисления минеральных веществ (хемосинтез).

Под влиянием микроорганизмов органические соединения разлагаются, и углекислый газ возвращается в атмосферу.

Фосфор входит в состав белков и липоидов. Микроорганизмы вызывают минерализацию органического фосфора, и способствуют его превращению хорошо растворимые соединения.

Железо входит в состав гемоглобина и играет важную роль в процессе дыхания человека и животных. В превращениях железа важную роль играют железобактерии, участвующие в образовании железомарганцевых руд.

В состав белка растительного и животного происхождения входит и сера. Соединения серы также используются микроорганизмами в процессе хемосинтеза (Никитин, 2004).

1. 2. Микроценозы водоёмов

Сообщество организмов разного уровня: животных, растений, микроорганизмов – называют биоценозом. Биоценозы являются объектами исследований общей экологии и специальной науки биоценологии.

Понятие микроценоз, или микробная ассоциация, используют для характеристики сообщества, включающего только микроорганизмы.

Микроценозы разнообразны даже в пределах ограниченной территории. Наряду с этим они могут быть достаточно стабильными по своему составу и свойствам. Нарушение целостности микроценоза обычно имеет отрицательное значение. Например, нарушение постоянного состава микроценоза активного ила ухудшает качество очистки сточных вод.

Одной из естественных сред обитания микробов является вода. Из пресных и солёных вод выделяют представителей всех таксономических групп микроорганизмов: бактерий, простейших, грибов, водорослей и вирусов (Поздеев, 2010). Основная масса микробов поступает в воду из почвы, воздуха с оседающей пылью, с отбросами, стоками и т.д. Особенно много микроорганизмов в открытых водоёмах (Госманов и др., 2013).

Микроорганизмы воды играют значительную роль в круговороте веществ. Они расщепляют органические вещества животного и растительного происхождения и обеспечивают питательными веществами другие организмы, живущие в воде. С помощью микроорганизмов происходит самоочищение водоёмов от микробов (Литусов, 2015).

Благодаря осмотрофному питанию бактерии способны потреблять питательный субстрат, находящийся в среде в ничтожно малых количествах (1-5 мг/л). Процесс окисления бактериями органических и минеральных веществ воды и сопряжённого с ним бактериального синтеза являются наряду с фотосинтезом водорослей самыми крупномасштабными биологическими процессами, протекающими в водоёмах (Никитин, 2004).

1. 3. Колонка Виноградского в изучении прокариотной экосистемы

Для изучения разнообразия микроорганизмов, их свойств и способов взаимодействия выделяют чистые культуры микроорганизмов. В естественных условиях чистые культуры встречаются редко, поэтому сначала знакомятся с накопительными культурами.

Для знакомства с микроценозом водоёма удобно использовать колонку Виноградского, позволяющую выделить накопительные культуры фотоавтотрофных, хемолитотрофных и хемогетеротрофных микроорганизмов. Она также является моделью взаиморасположения в водоеме разных групп микроорганизмов, прежде всего связанных с метаболизмом углерода и серы.

Вертикальный градиент окислительно-восстановительных условий (от анаэробных в нижней части колонки к аэробным — в верхней) обеспечивает формирование разных экологических ниш для отдельных групп бактерий.

В первые дни после постановки колонки в толще ила начинается анаэробное разложение органического вещества с участием микроорганизмов-гидролитиков и первичных анаэробов (бродильщиков). Продукты брожения (Н₂, органические кислоты, спирты) используются вторичными анаэробами, в том числе сульфатредуцирующими бактериями. Продукты метаболизма последних (сульфид и СО₂) диффундируют в среду и служат субстратами для роста фототрофных аноксигенных (пурпурных и зеленых) и хемолитотрофных (тионовых, бесцветных серных) бактерий.

Аноксигенные фототрофные бактерии развиваются в анаэробной зоне осадка и воды, образуя окрашенные слои или пятна на обращенной к свету стороне колонки. В верхней части колонки появляются цианобактерии и водоросли, выделяющие на свету О₂.

Тионовые и нитчатые бесцветные серные бактерии могут развиваться в условиях одновременного присутствия Н₂S, диффундирующего снизу, и О₂, поступающего сверху. В разные периоды времени в различных зонах колонки создаются условия для развития многочисленных групп микроорганизмов, входящих в состав экосистемы водоема (рис. 2) (Экологическая микробиология, 2016).

Рис. 2. Схема распределения различных групп микроорганизмов в колонке Виноградского (Экологическая микробиология, 2016).

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для монтирования колоники Виноградского использовали следующие материалы и оборудование: стеклянный цилиндр высотой 30 см и диаметром 8 см (объем – 500–1000 мл), ил из р. Неглинка г. Петрозаводска (500-700 г), карбонат кальция (CaCO₃), сульфат кальция (CaSO₄), измельченную фильтровальную бумагу, дистиллированную воду, пластиковую крышку, источник света (окно или лампа дневного света).

Из р. Неглинка взяли ил, очистили его от мусора, добавили 5 г CaCO₃ и 5 г CaSO₄ и 10 г измельченной фильтровальной бумаги. Тщательно перемешали. Полученную массу поместили в колонку, тщательно утрамбовывали, чтобы удалить воздушные полости. Оставшийся ил перенесли в колонку (до уровня примерно 5 см от верха), вновь утрамбовали, добавили воды (она должна покрывать ил на 2–3 см). В колонке должно было остаться 2–3 см воздушного пространства над водой. Затем колонку герметично укупорили. Колонку инкубировали при комнатной температуре и непрямом солнечном свете (на окне) (Экологическая микробиология, 2016).

Колонки были заложены осенью 2018 г. в двукратной повторности.

Микроскопирование проб по всей высоте колонки осуществляли методом «раздавленной капли» (ув.10*40) и фиксированного мазка (ув. 10*90, масляная иммерсия, окр. фуксин) с помощью микроскопа «Биомед».

Определение рН среды колонки на разной высоте проводили с помощью индикаторных полосок.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты исследования показали, что микробное сообщество в колонке Виноградского начало активно развиваться через несколько месяцев после закладки опыта и продолжало существовать около пяти лет.

В момент наблюдений колонка Виноградского (рис.3) имела хорошо выраженные зелёные пятна по всей высоте, кирпично-коричневого участки в средней части, чёрные пятна в нижней части колонки и красные пятна, разбросанные в средней и нижней частях колонки. В толще ила были заметны пустоты, вызванные накоплением газообразных соединений.

Рис. 3. Колонка Виноградского

Изменение цвета свидетельствует о размножении окрашенных форм микробов, среди которых фототрофные организмы с пигментами зелёного и красного цвета, другие окрашенные формы бактерий и химические соединения с характерной окраской. Так, например, соединения железа имеет кирпично-красную окраску, а сульфиды – чёрную.

Благодаря свету и окислительно-восстановительному градиенту (градиенту аэрации) в колонке сформировались условия для роста разнообразных в экологическом и таксономическом плане групп бактерий. Эти формы бактерий осуществляют различные метаболические процессы, такие как, оксигенный и аноксигенный фотосинтез, аэробное и анаэробное дыхание, хемосинтез и др.

Фототрофы, осуществляющие фотосинтез, можно обнаружить по зелёной и красной окраске клеток, связанной с наличием пигментов фотосинтеза. Углерод большинство фототрофов получает из CO₂, восстанавливая его за счёт доноров электронов. У организмов с оксигенным фотосинтезом донором является вода, их относят к литотрофам. В процессе оксигенного фотосинтеза выделяется кислород. Осуществляют оксигенный фотосинтез все растения, водоросли и цианобактерии.

В процессе микроскопирования в верхней части колонки были обнаружены цианобактерии (рис.4).

Рис. 4. Цианобактерии (ув.10*40)

В процессе эволюции оксигенный фотосинтез возник позже, чем аноксигенный. При аноксигенном фотосинтезе организмы на свету восстанавливают углерод за счёт таких веществ, как сероводород, сера, тиосульфат, молекулярный водород, органические соединения. Кислород не выделяется. Аноксигенный фотосинтез осуществляют пурпурные и зелёные бактерии. По-видимому, красные пятна в средней и нижней части колонки, которые мы наблюдали, были скоплениями пурпурных бактерий.

Большая часть микроорганизмов относится к гетеротрофам, то есть получает углерод из органических веществ. При разложении органических веществ также выделяется необходимая для жизнедеятельности энергия. Эти организмы являются хемогетеротрофами.

Окисление органических веществ может происходить с участием кислорода в процессе аэробного дыхания с выделением СО2 и воды.

Аэробные формы гетеротрофов развиваются в верхнем слое колонки, они бесцветны. Среди них могут встречаться Bac. cereus, Sarcinaflava, Bac. anthracis (рис.5).

На заре возникновения жизни, на нашей планете кислорода в атмосфере не было. Он появился и накопился позднее в результате деятельности фототрофов.

В анаэробных условиях дыхание идёт, но конечным акцептором атомов водорода, вместо кислорода выступают другие окислители: нитраты, сульфаты, сера, железо III, карбонат, фумарат.

Таким образом, элементы, имеющие несколько степеней окисления, (азот, сера, железо, углерод) участвуют в окислительно-восстановительных реакциях в качестве, как восстановителей, так и окислителей.

В 1887 году С. Н. Виноградский открыл хемосинтез – образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии полученной в результате окисления неорганических соединений (водород, сероводород, аммиак). Осуществляют хемосинтез водородные бактерии, тионовые бактерии, бактерии-нитрификаторы. Их называют хемолитотрофами, в переводе с греческого это означает «пожиратели камня».

Многие литотрофные бактерии способны восстанавливать газообразный азот до органического азота (аммония). Этот процесс называется азотфиксацией. Благодаря азотфиксаторам молекулярный азот переходит в доступную для растений форму. Азотфиксацию осуществляют в том числе и цианобактерии.

Большинство хемолитотрофов бесцветны, поэтому их сложно визуально обнаружить. Исключение составляют сульфатредуцирующие бактерии, которые окисляют водород или другие вещества, а в качестве акцептора электронов используют сульфат. Сульфат редукторы отвечают за чёрный оттенок осадочных пород, потому что образуют сульфиды металлов.

Микроскопирование колонки Виноградского показало наличие цианобактерий, диатомовых водорослей (рис.6), коков (рис. 7). В большинстве проб наблюдали минеральные частицы разной формы, по-видимому, кремнезёма.

pH среды по всей высоте колонки составлял от 6 до 7, что является оптимальным значением для большого числа бактерий.

Рис. 6. Диатомовые водоросли (ув.10*40)

Рис. 7. Кокки (ув.10*40)

В исследуемом биоценозе наблюдали развитие групп микроорганизмов, различающихся по источникам энергии, донору электронов и по источнику углерода. Следует отметить, что эти группы микроорганизмов взаимодействуют друг с другом через образуемые и используемые ими химические соединения среды. То есть благодаря живым организмам происходит круговорот веществ. Энергетическое обеспечение круговорота осуществляется за счёт фотосинтеза, дыхания и хемосинтеза.

Изучение микроценоза водоёма на примере колонки Виноградского позволило рассмотреть биохимические процессы, происходящие в водоёмах и способствующие их самоочищению. Велика также роль бактерий в биохимическом преобразовании окружающей среды.

С помощью колонки Виноградского можно изучить вопросы, связанные с возникновением и развитием жизни на Земле от анаэробных гетеротрофов до аэробных фототрофов и геторотрофов.

Колонка Виноградского является моделью микробного биоценоза водоёма. С её помощью можно оценить состав и структуру природного сообщества, выявить связи между экологическими группами микроорганизмов, оценить их роль в природе и жизни человека.

ВЫВОДЫ

1. В колонке Виноградского по окраске участков ила и в соответствии с вертикальным окислительно-восстановительных градиентом были выявлены такие группы микроорганизмов, как фототрофы: цианобактерии, пурпурные серные бактерии, зелёные серные бактерии и хемотрофы: сульфатредуцирующие и нитрифицирующие бактерии.

2. Дана характеристика основных метаболических путей выделенных групп микроорганизмов: оксигенного и аноксигенного фотосинтеза, аэробного и анаэробного дыхания, хемосинтеза.

3. Показана ключевая роль микроорганизмов в геологических процессах и круговоротах отдельных элементов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Атлас морфологии бактерий. – Киев. 1940. – 120 с.

Виноградский С.Н.О роли микробов в общем круговороте жизни: Речь, произнесённая на Общем собрании членов Имп. ин-та эксперим. мед. 8 дек. 1896 г./[Речь] С.Н. Виноградского.- СПб. : тип. Имп. акад. наук, 1897. – 27 с.

Госманов Р.Г., Ибрагимова А.И., Галиуллин А.К. Микробиология и иммунология. М. : Лань, 2013. – 240 с.

Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н. Введение в природоведческую микробиологию : учебное пособие / – М.: Книжный дом «Университет», 2001. – 256 с.

Кисленко В. Н. Ветеринарная микробиология и иммунология. Часть 1. Общая микробиология. М.: КолосС, 2006. — 183 с. 

Колотилова, Н. Н. Вертикальные движения популяции фототрофных бактерий в лабораторном микрокосме / Н. Н. Колотилова // Жизнь Земли. – 2022. – Т. 44, № 3. – С. 377-382.

Литусов Н.В. Общая микробиология. Иллюстрированное учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГМУ, 2015. – 516 с.

Никитин Е. Б. Микробиология с основами иммунологии // Павлодар: Арман-ПВ. – 2004. – 180 с.

Плакунов В.К. Основы динамической биохимии: учебник / В.К. Плакунов, Ю.А. Николаев. – М.: Логос, 2010. – 216 с.

Поздеев, О. К. Медицинская микробиология : учебное пособие / Поздеев О. К. Под ред. В. И. Покровского - 4-е изд. , испр. - Москва : ГЭОТАР-Медиа, 2010. - 768 с.

Экологическая микробиология : учеб.-метод. пособие / М. И. Чернявская [и др.]. – Минск : БГУ, 2016. – 63 с.