XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Бактерии - это самая древняя группа организмов, появившаяся более чем 3,5 миллиарда лет назад. На протяжении почти миллиарда лет они были единственными живыми организмами на нашей планете.

Большинство бактерий не имеет цвета, и только малая их часть окрашена в пурпурный или зеленый цвета.

Первооткрывателем бактерий стал голландский естествоиспытатель 17 века Антоний Левенгук, впервые создавший совершенную лупу-микроскоп, увеличивающий предметы в 160-270 раз [1].

Существуют подвижные и неподвижные формы. Подвижные передвигаются за счет волнообразных движений или жгутиков, которые состоят из белка флагеллина. Количество жгутиков может быть различным, располагаются они на одной части клетки или по всей поверхности [1].

Термин железобактерии ввел С.Н. Виноградский для обозначения организмов, которые используют энергию окисления Fe²⁺ до Fe³⁺ для ассимиляции CO₂. Они могут отлагать окисное железо на поверхности клетки при помощи двух процессов: аккумуляции металлов из раствора и окисления. Окисление железа, которое приводит к образованию энергии, происходит в соответствии с уравнением: 2Fe²⁺ + 1/2O₂ + 2H⁺ —> 2Fe³⁺ + H₂O.

Железо – это один из наиболее распространенных элементов в природе. который содержится в земной коре до глубины 15 метров и является третьим по содержанию после алюминия и кремния [2].

Бактерий, ускоряющих реакцию окисления закисных соединений железа, Виноградский и назвал железобактериями. Т.е. железобактерии – это бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трехвалентного и использовать освобождающуюся энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов [2].

Железобактерии хорошо распространены, они обитают в пресных водах и в морских водоемах, а также они играют большую роль в круговороте железа в природе.

Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество руд железа и марганца [2]:

Характеристика типичных железобактерий

В водных растворах состояние железа, прежде всего, зависит от концентрации водородных ионов, что описывается диаграммами полей устойчивости в координатах Red-Ox потенциала и pH. В соответствии с областью устойчивости Fe²⁺ в системе координат Eh-pH. Железобактерии делятся на три большие группы [6]:

1) Ацидофильные хемолитотрофы, у которых высокое значение Eh и низкое значение pH (например,Thiobacillus);

2) Микроаэрофильные хемолитотрофы и органотрофы, имеющие средние значения Eh, и значение pH, близкое к нейтральному (например, Gallionella, Crenothrix);

3) Хемоорганотрофы, разрушающие железоорганические соединения, у которых значение Eh высокое, а pH нейтральное (например, Arthrobacter).

Подземные воды характеризуются величиной рН, близкой к нейтральной, поэтому в качестве микробиологических агентов систем водоснабжения выступают, как правило, представители двух последних групп, что находит подтверждение в работах ряда исследователей [6]. Ими в системах водоснабжения были обнаружены представители родов: Gallionella, Leptothrix, Crenothrix, Siderocapsa (Arthrobacter).

Gallionella является типичным представителем одноклеточных железобактерий. Бактерии этого рода представляют собой слегка изогнутые бобовидные клетки, от вогнутой стороны которых отходят длинные переплетенные стебельки, хорошо различимые при микроскопировании. Общая длина стебелька может достигать 1000 мкм. В состав стебелька входят железо в аморфном состоянии и органическое вещество. Более 90% сухой массы этих организмов приходится на окисное железо. По сравнению со стебельком сама клетка очень мала, ее размеры составляют от 0,5−0,6 до 1,2−1,5 мкм. Именно по этой причине бактерии Gallionella долго оставались незамеченными исследователями. В настоящее время установлено, что представители рода Gallionella не имеют клеточной стенки и представляют собой сапрофитные микоплазмы [6].

Leptothrix – нитчатый микроорганизм. Наиболее распространенный вид данного рода – L. оchracea. Окисляя закисное железо, он образует гидроокись железа, которая откладывается на поверхности клеток. При этом образуется типичный слизистый чехол, импрегнированный гидроокисью железа, который препятствует сообщению клеток с внешней средой. Когда чехол становится достаточно плотным, клетки покидают его, и они приступают к выработке нового. Освободившиеся клетки имеют жгутики и поэтому подвижны. Чехол L. оchracea имеет форму цилиндра, постоянного диаметра на всем протяжении: внутренний – 1 мкм, наружный – 2-3 мкм. Нити L. оchracea никогда не ветвятся.

Для Crenothrixхарактерны коническая форма чехла и прикрепление к субстрату узким концом. Железо откладывается только у основания. Длина нитей Crenothrix достигает 3 мм, ширина у основания – 1,5-5 мкм, а у верхнего конца – 6-9 мкм. Клетки Crenothrix размножаются не только поперечным, но и продольным делением, поэтому у открытого конца чехла образуется несколько параллельных рядов.

Различные виды рода Siderocapsaв таксономическом отношении принадлежат к коринебактериям рода Arthrobacterи характеризуются большой морфологической вариабельностью, обусловленной возрастом и условиями культивирования. Чаще обнаруживаются кокки или короткие палочки, погруженные в капсулу, в свою очередь, окруженную желтыми или коричневыми отложениями, содержащими железо или марганец. Единый взгляд на наиболее распространенные формы железобактерий в системах водоснабжения отсутствует. Одни исследователи указывают на Gallionella, другие – на нитчатые организмы Crenothrix, Leptothrix; третьи – на Siderocapsa (Arthrobacter). Однако данные расхождения можно связать с химическим составом воды и условиями эксплуатации систем водоснабжения [5].

Использование железобактерий в промышленности

Крупная эколого-трофическая группировка железомарганцевых бактерий играет ключевую роль в глобальных биогеохимических круговоротах железа и марганца – элементов, которые широко распространены в земной коре и имеют огромное практическое значение в жизни человека. Так доля потребления железа среди металлов составляет 95%, марганец же используется как незаменимая легирующая добавка при производстве стали. В связи с этим не менее велико практическое значение прокариотических организмов, окисляющих или восстанавливающих железо и марганец. Прокариоты, аэробно окисляющие железо, используются, прежде всего, в гидрометаллургии, в процессе извлечения металлов из природных месторождений. Кроме того, железобактерии играют важную роль в коррозии металлов.

Биотехнологический потенциал бактерий, окисляющих или восстанавливающих марганец, с успехом может быть использован в решении таких задач, как разрушение рекальцитрантных субстратов при биоремедиации, предотвращении эвтрофикации путем извлечения растворенного марганца из очищаемых стоков и других водных экосистем [4].

Список литературы

Биоиндикация экологического состояния равнинных рек /под ред. О. В. Бухарина, Г. С. Розенберга. - Москва : Наука, 2007. - 403 с.

Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / под ред. О. П. Мелеховой, Е. И. Егоровой. - Москва : Издательский центр «Академия», 2007. - 288 с.

 Евсеев В. В. Лабораторный практикум по экологии микроорганизмов. - Курган : Изд-во КГУ, 2007. - 128 с.

Козлов М. Н, Дорофеев А. Г., Асеева. В. Г. Микробиологический контроль активного ила биореакторов очистки сточных вод от биогенных элементов. -Москва : Наука, 2012. - 80 с.

Методы биоиндикации и биотестирования природных вод. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1989. - 279 с.

Закарян Э. Л. Виссарионова М. Е, Бородина Т. Ю, Митрофанов П. Г., Мамонтов Ю. И. К вопросу о качестве питьевой воды в студгородке Лесники // Экология и здоровье: материалы научно-практической конференции. -Курган : ИПП «Зауралье», 1996. - С. 87-89.

Код для цитирования: Скопировать