Transcript Bacteroides

ЕКОЛОГИЧНА МИКРОБИОЛОГИЯ
МЕТОДИ ЗА ИЗСЛЕДВАНЕ ЕКОЛОГИЯТА НА
МИКРООРГАНИЗМИТЕ.ОТДЕЛЯНЕ НА МИКРООРГАНИЗМИТЕ ОТ
ЕКОЛОГИЧНИТЕ НИШИ И ПРОБЛЕМИ, СВЪРЗАНИ С
НЕКУЛТИВИРУЕМИТЕ ФОРМИ.ПРЕКИ МЕТОДИ ЗА ОЦВЕТЯВАНЕ НА
ПРОБИ ОТ ВОДА, ПОЧВА И ОТПАДЪЦИ. ПРЕКИ МЕТОДИ ЗА
ОЦЕНКА НА МЕТАБОЛИТНАТА АКТИВНОСТ НА КЛЕТКИТЕ.
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧНИ МЕТОДИ. МЕТОД НА ОБРАТНА
ТРАНСКРИПЦИЯ
ДОЦ. Д-Р ЦВЕТЕСЛАВА ИВАНОВА
Методи за изследване екологията на
микроорганизмите. проблеми, свързани с
некултивируемите форми
Според някои оценки, изследователите могат да обработват
по-малко от 0,1% от всички микроорганизми. Десетки
хиляди видове микроорганизми, които живеят като
симбионти на животни и растения трябва да бъдат отделени
и идентифицирани. Въпреки, че много от тези
микроорганизми
принадлежат
към
т.
нар.
"некултивируеми" и по този начин са недостъпни за
класически микробиологични методи за идентификация,
има няколко начина, които позволяват да се оцени тяхното
многообразие и разпространение. Такива методи съчетават
пряко наблюдение под микроскоп и различни техники,
основани на молекулярната диагностика, включително и
диагностика на последователността на генома, кодиращ
синтеза на молекулата на 16S рРНК
Преки методи за оцветяване на различни проби от вода, почви и
отпадъци
позволяват да се отделят много повече живи клетки, отколкото
при отглеждането им в различни среди. Голямата разлика в
резултатите от директното отчитане в сравнение с
отглеждането в хранителна среда поставя въпроса:
оцветените микроорганизми се явяват живи или мъртви?
Промяната в качеството на оцветителя акридиново оранжево
показва, че част от клетките се оцветяват с последваща
зелена флуоресценция, а част - остават оранжеви. Това е
довело първоначално до погрешното заключение. че
зелените клетки са живи, а оранжевите - мъртви.
Впоследствие се изяснило, че цвета на флуоресценция
зависи от съотношението на ДНК / белтък в клетката.
Активно делящите се клетки изглеждат зелени, а тези които
растат по-бавно, а също и почиващите дават оранжева
флуоресценция, при което също остават живи.
Разработени са и преки методи за директна оценка на
метаболитната клетъчна активност (клетъчното
дишане), които позволяват да се разграничат живи
клетки от мъртви в естествените проби. Методите се
основават на използването на различни соли
(тетразолиум), които при възстановяване в клетката на
дехидрогеназата (дихателната активност) се превръщат
в неразтворим формазан ( с червен цвят), който може да
бъде открит визуално под микроскоп. Има начин да се
направи разграничение между живите, мъртвите и
увредени клетки с измерване състоянието на
мембранния потенциал с помощта на флуорохром. Друг
метод предлага да се добави към пробата на живи
клетки инхибитор на клетъчното делене ( налидиксова
киселина), като активно растящите клетки ще се
удължават, без влизане в етап на двукомпонентно (
бинарно) делене.
Възможно е, много микроорганизми, наблюдавани
с микроскоп като живи, да са встъпили в
състояние на " некултивируема форма на
бактерии (НФБ). Тази идея беше предложена от
американски микробиолог проф. Р. Колвел през
1987 г. Показано е, че част от клетките на
природни образци не дават колонии в
лабораторни среди, въпреки че в природата те
водят активен начин на живот и патогенни форми
съхраняват своята вирулентност по отношение на
животните. Експериментите ясно показали , че
такива човешки патогени като Legionella
pneumophila, Salmonella enteritidis, Vibrio cholerae и
V.vulnifikus постоянно образуват НФБ в
природните екониши. Става ясно значението на
преките
микроскопски
наблюдения
на
естествените проби за откриване на патогени.



За да се наблюдават некултивируеми форми на микроорганизми в природните
образци се използват методи на молекулярния анализ ( молекулярно-генетични
методи). Разработени са няколко десетки диагностични проби последователност
на ДНК / РНК за специфичното откриване на определени видове, родове,
семейства или таксони от по-висок порядък непосредствено в природните
образци.
С използването на тези последователности било открито, че морските води,
съдържат много видове архебактерии и бактерии , които не се поддават на
култивиране ( отглеждане) в лабораторията. Олигонуклеотидните проби с
дължина 18 - 20 нуклеотида са най-подходящи за такава диагностика, тъй като
те лесно се хибридизират със специфични участъци от ДНК на конкретния
организъм.
Дори и малки количества от некултивируемите форми могат да бъдат намерени
в популациите на природни образци с помощта на диагностическите
последователности на ДНК.
Жизнеспособните клетки на микроорганизмите могат да бъдат идентифицирани
също с помощта на специфичен за и РНК метод на обратна транскрипция, но
при използването на този метод трябва да се помни, че живота на някои
бактериални и РНК може да бъде по-малко от минута.
Изучаване активността на микроорганизмите в природата.
Микроелектроди. Радиоизотопи. Стабилни изотопи

Микроелектроди - Тъй като микробите са много малки, малка е и тяхната микросреда
(обкръжение) За размера на клетката от 3 микрона и микрообкръжение на разстояние
от 3 мм съответства разстояние 2 км за човека. Експериментаторите са разработили
специални миниатюрни електроди с диаметър до 2 - 3 микрона, които позволяват да
се проникне в микросредата на клетките в природните екониши и провеждане на
измерване на рН , солеността, температурата, съдържанието на кислород или на
някои химични елементи (Na +. K +, HS , NH4, N20, т.н.). Също така са разработени
миниатюрни спектрорадиометри, които позволяват качествено измерване на
поглъщане на светлината в микронишите, което е важно при изучаване на структурата
и функцията на циано - бактериални постелки и други микробни общности.
Микроелектроди се използват интензивно при изучаване на циано-бактериални
общности, по повърхността на които се развиват цианобактерии и водорасли, които
са основни продуценти на постелката, на дълбочината, на която светлината е
лимитиращ фактор. Проследено е, че на дълбочина от 1,0 - 1,2 мм от постелката (ако
общата дебелина около 2 см) фотосинтезата престава (и общността става анаеробна).
С това рязко се повишава нивото на концентрацията на сероводород, което възниква
като резултат от дейността на сулфатредуктори в ниските слоеве на постелката (в
този пример се разглежда структурата на постелката на морските местообитания).
Концентрацията на сероводород във всеки слой от съобществата - резултат на
балансиран процес от неговото отделяне от сулфатредукторите и от неговото
потребление от фототрофи и тионови или безцветни серни бактерии.
Радиоизотопи.
Методи за измерване на активността на микроорганизмите в техните естествени
местообитания или пресни проби с използване на радиоизотопи са найчувствителни от всички. Тези техники могат да хвърлят светлина върху съдбата
на субстрат в микробниобщности на определени екониши. За измерване на
интензитета на фотосинтезата се използва метод за измерване с включването на
белязан 14CO2. като има и контролна "тъмна" проба. За отчитане и измерване на
скоростта на сулфатредукцията се използват серни изотопи ( SО4) , които се
превръщат вH2S . Скоростта на метаногенезата може да се проследи по
превръщането на СО2 в CH4 при наличието на значителни количества водород
или по трансформацията на 14C- метанола, метилираните амини, или ацетата в
14СН4. Хемоорганотрофната активност може да се измери по скоростта на
включване на белязаните с 14 C органични съединения ( често за тези цели се
използва глюкоза или аминокиселина).Ефектът на органичната материя може да
се определи и по отделянето на 14 CO2 от белязаните с 14С органични субстрати.
Във всички случаи, при определяне на скоростта на процесите на консумация на
изотопа или неговото отделяне е необходимо да се отчита съотношението
между белязаните и небелязаните субстрати, внесени в пробата за отчитане на
специфичната активност на потребление на субстрата или съединенията на
продуктите.
Експерименти с радиоактивни изотопи се използват широко в микробната екология.
В разнородни природни местообитания, винаги могат да преминат и химически
преобразувания на субстрати, необходимо е да се осъществят паралелно опити,
със съответните контролни проби, основните от които са проби от мъртви
клетки. За тази цел, често използват формалдехид в концентрация от 4% или
изварени проби.
 Стабилни изотопи. Тъй като повечето от биогенните
елементи имат изотопи, стабилни и радиоактивни, е
възможно да се проучи активността на микроорганизмите в
естествените проби с използването на така наречен
"изотопен ефект", същността на който се свежда до това, че
живите клетки са способни да използват диференцирано
леките и тежките изотопи на един и същ елемент в
биологическите трансформации. В микробната екология найшироко разпространени са изследванията, свързани с
преобразуването на изотопите на C и S. Въглеродът в
природата е представен главно под формата на изотоп 12C,
въпреки че се среща и под формата на тежката форма 13C,
както и радиоактивната форма - 14C. По същия начин, поголямата част от серни съединения се състоят главно от 32S,
въпреки че се среща и стабилният изотоп 34S и
радиоактивният изотоп 35S. Повечето биохимични реакции,
протичащи в живи клетки, са в състояние да изберат полекия изотоп, от тези които са в наличност. Ето защо,
съединения с по-тежки изотопи остават неактивни и техния
относителен дял в останалите субстрати се увеличава ,а в
продукта - се намалява. Това явление се нарича
фракциониране на изотопите.
Събиране на образци от почви, вода, отпадъци,
въздух и биологически образци
За да се изследва броя и дейността на микробните популации в различните
екосистеми са разработени множество методологически подходи. В
проучването на микроорганизмите в природни образци (общият брой, броя
на съобществата, техните метаболитни активности ) представителните
части на пробата се анализират и резултатите се проектират върху
съобществото като цяло или върху екосистемата. Терминът
"репрезентативен (представителен) " означава, че пробата трябва да
отразява разнообразието и плътността на организмите с общо
местообитание, откъдето са взети пробите. В много местообитания,
разпространението на микроорганизмите не е хомогенно, а по-скоро
групирано.
Ето защо, всяка взета проба, разбира се, точна по отношение на изучаваното
местообитание - пространството може да съдържа много и малко
микроорганизми, което води до неправилно екстраполиране на
резултатите. Това е особено вярно за микроорганизми, които живеят в
условията на микросредата, за която експериментаторът по време на
вземане на проби и не предполага. Обработка на сложни образци,
приготвени от събрани индивидуални проби, с използване на специални
смесители, може да сведе до минимум грешките. Данните, съответстващи
на съответните проби за всички екониши трябва да бъдат подкрепени от
статистически анализ .
Важно е да се помни, че всяко измерване се състои от три фази:
1) събиране на проби 2) подготовка на проби 3) правилно измерване.
При тълкуването на резултатите трябва да бъдат критично
разглеждани всички три етапа от обработката на пробите.
При събирането на проби от такива сложни и разнообразни
местообитания, като червата на животните, на повърхностния слой
на почвата, водата на езеро, дълбоководни утайки на моретата се
използват различни подходи. Невъзможността плътно да се
приближим до мястото на вземане на проби води до това, че се
измислят различни начини за дистанционно вземане на проби.
Методите за вземане на проби и тяхното съхранение не трябва да се
променят количеството на клетки или тяхната активност.
Изследователят трябва да е сигурен, че избраните проби са
представителни и не са замърсени с външни микроорганизми, така
че методът за вземане на проби трябва да гарантира че
микроорганизмите в пробата са само от желаното местообитание.
Пробите от почвата обикновено са подбрани, съблюдавайки с минималната асептичност,
тъй като броят на микроорганизмите в повърхностните хоризонти е многократно
по-голям, отколкото във въздуха или нестерилни (но чисти!) контейнери за проба.
За да се събират проби от значителна дълбочина се избира ядро, което се пробива
ръчно или с помощта на специални механизми, и вътре в ядрото се намира нужната
зона
и
вече
се
работи
асептично
в
лабораторията.
За вземане на проби от почвените микроорганизми, които са в сравнително малки
количества се използват "атрактанти" или "примамка". В някои случаи, в почвата се
пуска чисто стъкло или стъкло със специфична среда агар-агар, върху които се
развиват необходимите микроорганизми (стъклото обраства според Холодной)
Чистите стъкла, които не притежават селективни свойства се използват за отчитане
на прикрепените микроорганизмите в почвата или утайки. В този случай, стъклото
е аналогично на минералните частици на почвата (кварц) и отразява микробното
разнообразие
неселективно.
Друг вариант на стъклообрастване се явяват плоскопаралелните капиляри, които
първо са разработени от Перфилев. Те се наричат също педоскопи, когато са
потопени в почвата и пелоскопи - при потапяне в дънни утайки. Капилярите са
отворени в двата края, и микроорганизми могат да се движат свободно в тях. Често
капилярите заливат средата (аттрактант), селективно до определена физиологична
групи микроорганизми . Предимството на плоски капиляри е в това, че тяхното
съдържимо може да се види под микроскоп пряко, а плоската стена свежда до
минимум изкривяването и пречупване на светлината, минаваща през капилярите.
Прилагане на капилярите на Порфилев позволява да се правят наблюдения за
развитието на почвената или утаечна микробиота (микробоценоза), дава
възможност за провеждане на непрекъснато (с автоматични кинокамери,
проектирани за определен брой снимки на час или на ден) проучване на
микробните популации, без страх от изсушаване на препарата, увеличава полето за
действие на експериментатора с въвеждането на различни хранителни вещества от
единия край на капиляра , като по този начин го прави протичащ. Такива капиляри
позволяват да се проследи развитието на анаеробни съобщества, без използването
на сложни технологии на анаеробно отглеждане. Капилярите помагат да се
наблюдава живота в екосистемите в естествени условия, без нарушаване на тяхната
цялост, както и да се откриват необичайни морфологични форми на все още
некултивирани микроорганизми.
Различни са разработени методи за събиране на проби от вода.
Проблеми с избора на водни проби е обикновено по-голяма,
отколкото с почвени проби, тъй като почти винаги водните проби
са избрани на значително разстояние от експериментатора. При
това възникват проблеми със спазването на стерилност, защото
откритите водни пространства съдържат малко микроорганизми
и тези проби може лесно да замърсяват с неестествена
микробиота устройството за вземане на проби. Всяка от
разработените сонди има своите предимства и недостатъци.
Често, целта на създаването на много сложни устройства е
увереността,че водните проби действително са избрани от
желаното място, например с дълбочина 100 м. Сред моделите,
разработени
за
водните
проби
са
следните:
вакумирани бутилки, които се пълнят с вода при определена
дълбочина с помощта на тежести, разбиващи водозасмукващите
капиляри; стерилен пластмасов пакет, отварящ се с помощта на
пружини на определена дълбочина след като се спусне от
повърхността тежеста, която едновременно провежда в
движение пружината и бръснача, разкриващ отвор в пакета;
сонда, с укрепени на различни дълбочини стерилни спринцовки,
в
които
едновременно
се
засмукват
проби
вода.
Такива устройства обикновено се използват за събиране на проби
от повърхностни стратифицирани езера. При дълбоководните
проби трябва да се предвиди възможността за декомпресия на
организми, по време на изкачване на повърхността.
Разработените модели за водни проби дават възможност да се
отварят и затварят входните отвори на дълбочина, без да се
позволи на налягането вътре в извадката да пада при
изкачването.

Пробите от утайки обикновено са избрани от
повърхността с помощта на стъргало или
кофи, но тези методи не позволяват да се
опазят данните от извадките от замърсяване с
микроорганизми. Спазвайки асептичност
могат да се вземат проби-ядра, които след
това в лабораторията в стерилни условия,
разделени във вертикална посока, което
позволява да се проследи динамиката на
утайките в хоризонтално положение. Найточно избрани образци от морски утайки се
събират с помощта на миниатюрни дву- или
триместна подводница, която се потапя на
дълбочина до 3 км, където с помощта на
манипулатори и специални свредели се
вземат проби от утайки в точно локализиран
участък (това е особено важно в местата с
подводни термални извори или "черни
пушачи"). Използването на мини-подводница
позволява също така да се събират проби и да
се обработват в нужния вид на мястото, от
което са събрани ( например да се вкарат
радиоизотопи) и да се оставят на място за
инкубация с последващо изваждане на
повърхността за анализ.
Събирането на проби от въздуха е необходимо да се извършва при
използването на апарати, които минимално наранят живите клетки
на микроорганизми, които обикновено са в малки капчици във
въздуха. Пасивната седиментация, която позволява да се изчисли
количеството на постоянните клетки на микроорганизмите (и
формирането на колониите) на повърхността на Петриева чаша с
агар-агар среда, е подходяща за преброяване на броя на спорите,
но не за количествено отчитане на бактериите във въздуха..
Повечето от пробите на въздуха се вземат като се пропуска
определен обем от него през бактериални филтри,чиито пори имат
размер, който може да варира и това дава възможност за
диференциация по размер на микроорганизмите от въздуха . Някои
прибори (устройства) (апарат на Кротов) са проектирани така, че те
насочват потока от въздух, засмукан при вземане на проби, на
повърхността на Петриевата паничка с агар-агар среда, върху която
както се смята се утаяват всички частици, суспендирани във
въздуха, включително и микроорганизмите.
 Биологични проби от растения или животни включват
събирането на биологични течности (растителен сок,
кръв, урина, лимфата, слюнката ), екскрети (фекален)
или проби от повърхността на обекта, както и
вътрешните органи (биопсия). Повърхността на
микроорганизмите, се измиват и изчистват със
стерилен буферен разтвор или физиологичен разтвор
(0,85% разтвор на NaCl в дестилирана вода) с помощта
на стерилен памучен тампон. В други случаи,
микроорганизмите се съхраняват непосредствено в
проби от тъкани, което е важно, за да се наблюдава
тяхното топографическо разпределение в тъканите или
количествено измерване. Понякога, анализите на
пробите се провеждат непосредствено под микроскоп
(сканираща електронна микроскопия) за разглеждане
на взаимодействието на микробни общности или
изучаване на връзката между животни, растения и
микробоценоза.
Обработка
на
проби. Фенотипно
микроорганизми
определяне
на
 Пробите, съдържащи микроорганизми много рядко съдържат
такова количество от тях, което може да бъде изчислено, без да
се прибягва до концентриране или разреждане на пробата.
Концентрираните проби трябва да се разреждат до желаната
гъстота на микроорганизмите, последвано от засяване в
хранителни среди (преброяване на живите клетки).
Разреждането на пробите се извършва обикновено в 10-кратна
последователност, така че на повърхността на средата в
Петриевата паничка да попаднат 50-200 клетки, които да
образуват колония. При това е важно да се подбере разредител,
така че концентрация на живите клетки да могат да растат почти
два пъти при посявка на почвени микроорганизми от една и
съща проба, ако ние използваме различни солеви разтвори за
разреждане. Разредените проби трябва да бъдат концентрирани
преди посявката. За това се използват центрофугиране или
филтруване чрез мембранни филтри с определени размери на
порите.
Ако е важно да се определи броят на живи микроорганизми в пробата по време на
нейното събиране, е необходимо да се разгледа възможността за
размножаване на клетките в пробата по време на съхранение или транспорт
(феномен, известен като,"ефект на бутилката" и е особено важен за
преработка на проби от морска вода , лишени от тяхната естествена
абсорбираща повърхност). Когато една проба от морската вода се намира в
стерилни съдове, хранителни вещества от водата се абсорбират върху
вътрешната повърхност на съда, повишавайки локалната концентрация на
субстратите и става атрактивна за микроорганизмите, които също се адсорбират
върху стените на съда и като последица от повишената концентрация на
субстрати започват бързо да се размножават. От друга страна, условията за
съхранение на събраните проби може да доведе до загуба на популациите от
микроорганизми и да причинят понижаване на общата микробна численост
При разреждане на проби от микроорганизми следва да бъдат разпределени в
обема на пробата равномерно. Това е трудна задача,особено при обработката на
проби от почвата или утайката, в която микроорганизмите са склонни да се
прикрепят към частици (органични и минерални). Степента на десорбция на
клетките с частиците до голяма степен зависи от концентрацията на
суспендиращия разтвор и неговия химически състав, е също така и от часа,
температурата и сила смесване. Процесът на оптимална десорбция на клетките с
частиците зависи силно от състава на пробата и следователно са нужни
абсолютно стандартизирани методи за подготовка на проби за посявка.
При концентрираните проби, видно място играят избора на филтри, като филтри с
малки пори бързо се запушват и не дават възможност за филтруване на проба от
достатъчен обем, както и филтри с широки пори могат да прескочите някои от
клетките. Поликарбонатните филтри са за предпочитане пред нитроцелулозните
филтри с по-голяма плоска повърхност и повече унифициране на пробите.
Химичният състав на материала на филтъра също оказва влияние върху
преживяването на микроорганизмите.
Неспазването на условията , при обработка на пробата , необходими
за определени физиологични групи микроорганизми може да
промени съществено резултата на анализа. Така, обработка на
проби за разкриване на строги анаероби изисква всички
разреждания в разтвори да са без кислород и посявка на проби в
безкислородна атмосфера. За разкриване на психрофилни
микроорганизми всички стъклени съдове и течностите, които са
в контакт с пробата, трябва да се охлаждат за максимално
запазване на жизнеспособността на клетките на психрофилите.
Ако пробите не са предназначени за определяне на броя на
живите и мъртвите клетки, те често се фиксират с формалдехид
или глутаров алдехид веднага след избора. Такива препарати са
готови за директна микроскопия.
При събирането на вирусни частици от природни проби е
необходимо да се използват специални методи на
концентрацията им. Вируси от водни проби могат да бъдат
концентрирани при нееднократна абсорбция / елюция на
подкиселени проби, при пропускането им през епоксидни или
нитроцелулозни филтри. Процедурата може да се повтори
нееднократно , хилядократно концентрирайки вирусни частици,
например от морска вода или проба от утайки.
Фенотипно
определяне
на
микроорганизми
При чашечния метод на засяване на природните проби могат да се постигнат два
резултата, за да получат отделни колонии от чисти култури на микроорганизми (
клонинги на една клетка) и да се започне фенотипно определяне на различни
организми (описание на колонията). В някои случаи, отделни клетки от колонии
могат да бъдат въведени в пластинки за анализ (API-тест, Biolog), по резултатити
на които може да се определят микроорганизмите ( до род).
Изолиране и идентифициране на членовете на микробната общност по метода на
директна посявка в чашата е ефективно при висока концентрация на клетките на
този или онзи член на съобществото. Ако относителното количество на клетките
от желания вид е малък, те могат да "изчезнат ", при този метод на обработка на
проби и в този случай методът на директна посявка в чашата с разредени проби е
неподходящ за анализ.
Тъй като различни членове на идентифицируемо микробно съобщество могат да
наложат (състав и съдържание на соли, органразлични изисквания към
компонентите на околната среда ични субстрати), както и физически условия за
отглеждане (температура, влажност, съдържание на кислород и т.н.) за по-добро
определяне на членове на съобществото се използват паралелно посявки в
среда, с различен състав (например, за разкриване на копиотрофи и oлиготрофи,
oрганотрофи и литотрофи, азотфиксатори и т.н.). Има методи за добавяне към
средата на специфични инхибитори, които да потискат развитието на тези или
онези групи микроорганизми (напр. актидион потиска развитието на
еукариотната клетка в чаша с прокариоти.
API тест система
Определяне на микроорганизми чрез химически методи. Анализ
на микроорганизмите по техния липиден състав.
Липиди - задължителни компоненти на мембраните, които са около цитоплазмата на всяка
микробна клетка. Липидният състав на различните микроорганизми в значителна степен се
различива един от друг. Съществуват 6 (дори повече) класа на липидите открити в
микроорганизмите, всеки от които се състои от индивидуални липиди с шест или повече
структурни характеристики. Всеки микроорганизъм има своя липиден профил (основни
липиди) и това свойство е заложено в основата на химичната идентификация на
микроорганизмите, основана на състава и съдържанието на липиди в клетката. Следва да се
отбележи, че този метод не е перфектен, защото всеки микроорганизъм може съществено
да промени липидния си профил, в зависимост от възрастта на културата и условията за
култивиране
на
клетките.
Анализът, основан на проучване и сравнение на метилови естери на мастни киселини
(MEМK), влизащи в състава на липидите, е получил широко разпространение поради своята
простота и достъпност. Пълният процес на идентификация включва естерификация на
липидите, метилиране на влизащите в техния състав мастни киселини и разделянето им на
хроматографски колони и количествено определяне с помощта на газова хроматография
или високоефективна течна хроматография (ВЕТХ). Специално обработени колони
предоставят добра резолюция на MEМK, която позволява да се сравнят техните времена на
задържане, с предварително идентифицирания липиден профил (стандарти). Количеството
на всяка мастна киселина може да бъде изчислено по площта на хроматографския връх, а
абсолютната концентрация определя въвеждането на вътрешен стандарт.Анализ MEМK,
извлечена от почвени проби, позволява бързо и сравнително евтино определяне на състава
на популацията на почвените микроорганизми. Интерпретацията на резултатите в някои от
случаите е затруднена, заради еднаквостта на много от липидите на различните
представители от изследваните микробни съобщества.
Газова хроматография-мас спектрометрия (GC-MS) е аналитичен
метод, който съчетава характеристиките на газово-течна
хроматография и мас спектрометрия за идентифициране на
различни вещества в проба. Приложения на GC-MS включват
откриване на наркотици, противопожарно обследване, анализ
на околната среда, експлозиви разследване, и идентификация
на неизвестни проби. GC-MS може да се използва и в областта
на сигурността на летището, за да открие вещества в багажа
или на човешките същества. Освен това, тя може да
идентифицира микроелементи в материали, които по-рано се
смяташе, че са се разпадна след идентификация.
GC-MS е широко приветстван като "златен стандарт" за
идентификация на веществото съдебномедицински, защото тя се
използва за извършване на специфични тестови. A специфичен
тест положително идентифицира действителния присъствието на
дадено вещество в дадена проба. A неспецифичен тест просто
показва, че дадено вещество попада в категорията на
веществата. Въпреки неспецифичен тест може да предложи
статистически идентичността на веществото, това може да
доведе до фалшиво положителни резултати
Определяне на отделните гени и геномни
последователности

С откриването на отделни гени или специфични геномни последователности са свързани
преди всичко възможностите за анализ на микробни съобщества, без изолация и
идентификация на нейните членове в чисти култури. Методите се основават на екстракция (
извличане) от почва, утайки или водни проби на общата ДНК, нейното пречистване и анализ
чрез гел - електрофореза термическа и денатурираща ( ТГГЕ/ДГГЕ ). Основната трудност при
извличането на ДНК е отделянето и пречистването й от хумусните вещества на почвата.
Въпреки това, методите позволяващи такова пречистване, постоянно се усъвършенстват.
След извличането, ДНК се подлага на имобилизация с нитроцелулозен или найлонов
филтър, топене и хибридизация с известна последователност на гените, отговорни за
синтеза на някои специфични ензими. Така, при наличие в извадката на общата ДНК на гени,
хибридизирани с гени, кодиращи нитрогеназа, показва наличието в анализираното
съобщество на азотфиксатори, гени на метанмонооксигенази - метанотрофни, гени на
РуБисКо - автотрофни микроорганизми, фиксиращи въглероден диоксид чрез цикъла на
Калвин. Разчетени са вече няколко десетки гени, кодиращи ключови реакции на някои
процеси, и с прилагане на метода на хибридизацията, ние можем да правим изводи за
наличието
на
някои
микроорганизми
в
проба,
която
анализираме.
Метод ПЦР дава възможност за идентифициране на непознати микроорганизми, намиращи
се в естествената проба, без отделяне на чисти култури. Разработени са "универсални"
грундове за бактерии, архебактерии и еукариоти, което позволява определени специфични
последователности на тези три групи от микроорганизми да се разделят като се използва
TГГE / ДГГE метод (термична и денатурираща електрофореза) и тогава, след повторно
усилване на отделни групи, се получава почти пълен профил на микробната общност с
идентификация на отделните филогенетични линии и класификация на микроорганизмите,
основава на последователности на I6S рРНК.
Определяне числеността на
микроорганизмите.

Когато се работи с чисти култури, определянето на количеството
микроорганизми не предизвиква затруднения. Друго е, когато е
необходимо да се определи броя на микроорганизмите в
природните образци, защото микроорганизмите в тях са
изключително разнообразни. Методите, използвани за преброяване
на вируси, бактерии, гъбички, и първаци ( едноклетъчни
организми), са различни. Специална техника се прилага за
изчисляване на психрофили и строго анаеробните форми.
 Съществуват два метода за преброяване на бактериите:
 1) пряко преброяване на клетките под микроскоп и 2) непряко
изчисляване след подрастването на твърди носители ( пресмятане
на живите клетки ). Често се използва първия метод, при който
обикновено не се прави разлика между живи и мъртви клетки ( по
Виноградски). Методът може да бъде модифициран (видоизменен)
с прилагането на флуоресцентен микроскоп и флуоресцентни
диференциращи бои за изчисляване на живите и мъртви клетки в
препарата. Клетките на микроорганизмите също така могат да
бъдат изчислени и в определен обем от течна проба под светлинен
микроскоп (камера Тома- Горяев, Петрова-Хаузер).
При пресмятане на живите микроорганизми след
подрастването основно се използват два метода:
1 ) изчисляване по чашите с отгледаните колонии
след съответните разреждания и
2 ) пресмятане по метода на пределното
разреждане
И двата метода изискват разделяне на
микроорганизмите
преди
посявката
на
индивидуални
клетки,
които
после
да
произвеждат
потомство.
Прилагането
на
методите за изчисление с посявки, изисква
внимателно отнасяне с пробите, за да се съхрани
жизнеспособността на клетките. Трябва да се има
предвид,
че
за
преброяването
на
микроорганизмите от различни групи следва да
се
прилагат
различни
среди.
Участие на микроорганизмите в природните местообитания. Микроорганизмите като част от
екосистемите. Функции на микроорганизмите в природата. Микробни местообитания

При естествени условия, микроорганизмите никога не съществуват като чисти
култури. Лабораторните щамове са като"опитомени" форми, които съществуват
в изкуствена среда "зоопарк". В природата микроорганизмите нарастват в
смесени култури, и се явяват също част от по-голяма общност, включваща
организмите на различни систематични групи. По този начин, микроорганизмитe
са част от всяка екосистема. Екосистемата е съвкупност от организми и тяхното
физическо и химическо обкръжение на околната среда, която функционира като
екологична единица. Всяка екосистема съдържа микроорганизми, които
изпълнява две основни функции : 1) синтеза на нови органични вещества от C02 и
други неорганични съединения в процеса на първичните продукти 2)
унищожаването на натрупания органичен материал. Сега е признато, че
микроорганизми са преобладаващия материал за живот на Земята.
Екологичната роля на микроорганизмите е, че те могат да функционират на
всички нива на екосистемата: - фиксират въглерод като основни продуценти,
като използват светлинна енергия и химически връзки; - явяват се основни
редуценти на органични вещества; - те са първични консументи, като някои от
първаците като се използва някои бактерии и гъбички в храните. Ако в
сухоземни местообитания първичните продуценти са обикновено висши
растения, то в сладководните и морски водоеми са основно цианобактерии и
водорасли. Тук за източник на енергия е светлината. Въпреки това, в
местообитания, където светлината не достига (например, дълбоко в океана ),
първично производство може да се основава на хемолитоавтотрофия (живота
около "черните пушачи"). Основните първични производители тук са
представители на родовете Thiobaccilus,Thiomicrospira,Thiothrix, Beggiatoa.
Функциите на микроорганизмите в природата.
Микроорганизми са източник на храна за много други организми, тъй като
микробните клетки съдържат средно маса (%): въглерод - 50, азот - 14 и
фосфор - 3 и други елементи. Основните функции на микроорганизмите в
естествени местообитания са както следва:
минерализация, т.е. унищожаване на биологични субстрати за C02, NH3 ,H2,
CH4,Н2О
доставката на хранителни вещества (под формата на метаболити,
полизахариди)
за
други
хемохетеротрофни
микроорганизми;
осигуряване на храна за протозои, нематоди,почвени насекоми , т.е.
участват в хранителната верига;
модификация на сложни съединения, които стават достъпни за други
организми;
превръщане на съединенията в разтворими или газообразни форми. Това
произлиза направо по метаболитен път или косвено, чрез промени в
химически и физически фактори на околната среда под влияние на
микроорганизми (например отделянето на на голямо количество на
киселини );
подбор на съединения, които подтискат активността на други микроорганизми
или ограничаване на оцеляване и функционирането на растения и животни
(например,
бактерициди
антибиотици
,
токсини).
Микроорганизмите съществуват в природата и под формата на популация
на организми от еднакъв вид, които образуват микроколонии ,живеещи в
локализирани места, така и във вид на съобщества, където различните
видове популациите си взаимодействат.
 Микробни
местообитания.
Местообитанията
на
микроорганизмите имат сложен и постоянно променящ се
характер и зависят от състава на хранителни вещества,
токсични
съединения
и
лимитиращите
фактори
(температура, рН, светлина, водна активност и т.н.). Затова
екологичните ниши на микроорганизмите са безкрайно
множество, но именно комбинацията от тези фактори
определя
екологичните
ниши
за
конкретните
микроорганизми. Тя се нарича още основната екологична
ниша. За точните характеристики на местообитанието на
микроорганизми е необходимо да се отчита тяхното
микрообкръжение.
Много
специализирани
групи
микроорганизми, съществуват в такива микросреда, че
изпитват минимална конкуренция от други микроорганизми.
За пример, Helicobacter Pylori, обитаващи в стомашно-чревния
тракт на човека и причинява язва на стомаха, червата,
пикочната система, за да се защитят срещу повишено
отделяне на стомашен сок образува по-голямо количество на
уреаза, което води до образуване на амоняк. Да се освободи
от от действието на имунната система му помагат
липополизахаридите,
притежаващи
изменения
и
молекулярна мимикрия
царство:Bacteria
отдел:Proteobacteria
тип:Proteobacteria
клас:Epsilon
разред:Campylobacterales
семейство:Helicobacterac
eae
род:Helicobacter
вид:H. pylori

Взаимодействие
на
микроорганизмите
с
други
организми
Необходимо е да се отбележи, че микроорганизмите в природата обикновено не са в
оптимални условия (ресурсите постъпват бавно) и растат с около 1 % от техните
възможности. От друга страна, микроорганизмите си взаимодействат едни с други. В
някои
случаи,
се
формират
конкурентни
взаимоотношения
и
тогава
микроорганизмите могат да произвеждат вещество за подтискане на конкурентната
микробоценоза (особено в почвата ) - антибиотици, токсини, или по-малко
специфични и неспецифични вещества (алкохол, киселини, основи, и т.н.) Рядко се
среща в природата сътрудничеството (кооперация) между микроорганизмите.
Обикновено, болшинството от аеробните микроорганизми могат да разделят
субстрата самостоятелно. Факултативна кооперация може да възникне при
натрупването на някои продукти. При анаеробни условия, кооперацията е по-скоро
облигатна. В такова съобщество от микроорганизми възникват здрави трофични
връзки и често субстратът може да се раздели на прости вещества от група
микроорганизми, а не от отделни нейни членове, които когато са под форма на чисти
култури, този субстрат изобщо не могат да го използват, заради енергийни бариери.
Един пример на тесни връзки: анаеробно съобщество, разлагащо полимерна
молекула , в частност микробоценозата на търбуха ( в стомаха на преживните).
І стадий – полимерите се разделят чрез вътреклетъчни ензими на ферментатори
(много често това са клостридии). ІІ стадий на ферментацията – облигатни
възстановители на Н + - обикновено провеждат ендергонични реакции, като се
използват мастни киселини с повече от два С атома и алкохоли, с повече от един С
атом, с образуването на ацетат и H2. Тези реакции непременно изискват
отстраняване на H2. В метаногенните разграждания тази операция се извършва от
метаногените. Разлагането е в три етапа. При сулфатзависимото разлагане на
полимери схемата действа в два етапа – ферментатори + сулфидогени
При натрупване на голямо количество органична материя в анаеробната метаногенна
система,благодарение на бързото формиране на киселини рН се снижава до 6,0 или
по-малко и метаногените се “включват”. Налице е разбалансиране на системата,
което
води
до
ацидоза
на
преживните
животни.
с изпъкнали костни израстъци,
наранявания, несигурна походка, всичко
това свидетелство за недостатъчна
енергийна обезпеченост, кетоза, ацидоза.

В този смисъл, за нормалното функциониране на анаеробни хранителни вериги е
необходим пренос между видовете на водород (понякога формиат, ацетат) от
микроорганизми на микроорганизми. Отделеният по време на ферментацията
H2 може да се отделя от метаногени, ацетогени, сулфат- и сяроредуктори.
При тези условия възниква синтрофия - пълна взаимозависимост на
микроорганизмите един от друг в хранителните им потребности.
Като пример за синтрофия може да послужи първоначално подбран като един
микроорганизъм «Methanobacillus omelanskii” ,впоследствие оказал се в
синтрофна асоциация с трудноразделящите се микроорганизми S и M.o.N.
Партньор
S
осъществява
реакция:
2CH3 CH2 OH + 2 H2О -> 2CH3 COO- + 2H + (ΔG ° = +19 кДж / 2 мол на етанол),
организъм
M.o.N.
консумират
молекулярен
водород:
4H2 + C02 -> CH4 + 2H2 0 (ΔG = -131 кДж / мол на метан)
Първата реакция се извършва при ефективно отделяне на водород.
Понастоящем са определени микроорганизмите, участващи в такива
асоциации:
•първата реакция могат да осъществят бактерии от рода Pelobacter, а втората –
(хидрогенотрофни) водородните метаногени от родовете Methanospirillum,
Methanococcus,
Methanobacterium,
Methanobrevibacter.
Друг пример за такава асоциация: Acetobacterium woodii + Methanosarcina barkeri.
Първият организъм превръща фруктозата в ацетат, а метаногените
осъществяват оцетна ( ацетокластический метаногенез) метанова ферментация.
Асоциации на микроорганизми, оформени структурно, се наричат консорциуми
(например, гранули от анаеробния ил, където присъстват всички
микроорганизми, отговорни за всеки етап от деградацията на сложни
съединения) .

Ако зависимостта между организмите се дължи не само на хранителна
връзка, се говори за симбиоза. Симбиозата се различава по внесените в нея
компоненти (микро + микро; макро + микро; макро + макро ), по
разположение на компонентите един спрямо друг ( екзо- и ендосимбиоза), по
характера на взаимоотношенията в тях (взаимноизгодни - мутуализъм, който
потиска или убива един от партньорите - паразитизъм, безразлични неутрализъм). Трябва да се отбележи, че в руската и чужда литература има
доста съществени разлики в термините, така че е важно да се определи какво
точно се разбира от тези термини. Характерът на симбиозата е относителен.
При промяна в условията, той може да се променя. Например, нормалната
човешка микробиота е мутуалистична симбиоза, но ако имунният статус на
човека се понижи, то някои бактерии както в храносмилателния тракт,
така и по кожата могат да станат патогенни (т.нар опортюнисти).
Симбиозата може да бъде задължителна, когато един партньор, обикновено
ендосимбионт не може да съществува без друг (рикетсии- облигатни
паразити в животински клетки или бактерии, които причиняват болести по
растенията.). Пример за факултативна симбиоза – грудкови бактерии, които
могат да съществуват без растения. Значението на мутуалистичната
симбиоза - защита от външни влияния, получени от някои хранителни
компоненти, предимства при разпознаването на половите партньори и при
размножаване. В този случай, отношенията са основани на взаимно
подобряване на условията един за друг. Така например, в "чайном грибе"
маята ферментира захарта в алкохол и въглена киселина, а оцетнокиселите
бактерии окисляват алкохол в ацетат. В кефирните зърна, маята освен че
ферментира захарите, синтезира и комплекс витамини, необходими за
развитието на млечнокиселите бактерии, които ферментират лактозата в
лактат. Асоциациите между фототрофни микроорганизми един с друг и със
сулфидогени са основани на цикличната употреба на серните съединения.
 Друг вид симбиоза - коменсализъм, когато един организъм получава
от партньорството изгода, а другата асоциация е безразлична. Това е,
например, асоциацията на аеробни и анаеробни микроорганизми,
където аеробите консумират кислород и създават условия за
анаеробите, но не получават изгода за самите тях. Гнилостните
бактерии образуват амоняк, използван от нитрифициращите
бактерии. В този случай има значение поддържането на постоянно
рН. Тези връзки се наричат понякога метабиотически. Връзката на
микроорганизмите, осъществяващи двете фази на нитрификация е
основана на това , че втората култура превръща токсичната азотиста
киселина
в
по-малко
токсичната
азотна
киселина.
По-рано се упоменаха редица примери за симбиозата между микро- и
макроорганизми ( грудки, цианобактерии + Azolla ,търбуха на
преживните, нормалната микробиота на червата на хора и животни).
Като екзосимбиоза може да се разглежда ризосферата, т.е.
пространство в почвата около корените, където броят на
микроорганизмите е много по-висок, отколкото в останалата част на
почвата. Микориза ( и актинориза) т.е. симбиоза между корените на
растенията и мицела на гъбите (или актиномицети), вече може да се
разглежда като частична ендосимбиоза, тъй като мицелът прониква
в корените.
Мутуалистичните взаимодействия на микроорганизмите с
животните
Някои първаци съдържат в клетката като ендосимбионти
цианобактерии и зелени или златисти едноклетъчни
водорасли. Един пример е между ендо-и екзосимбиоза на
първаци
с
метаногени.
Тези ресничестите едноклетъчни - Trimyema compresum,
Metopus striatus, Pelagiofiia nasuta и P. frontata съдържат в
качество на eндосимбионти Methanobacterium formicum и
Methanoplanus endosymbiosus. Тези първаци са строги анаероби
и една клетка от тях може да съдържа до 700 клетки на
прокариоти. Ендосимбионтите може да заемат до 10% от
обема на първаците. При съществуване в симбиозата, растежът
се увеличава с 30% и по-ефективно се използва енергията, в
резултат на бързото оползотворяване от метаногените на
молекулярния водород, образуващ се в цитозола на
първаците.
В много от мекотелите със светлинен орган са наблюдавани
светлинни бактерии, с които получават защита и
благоприятни условия за хранене. При мидите това играе
важна роля за привличането на един сексуален партньор.
Малките тропически калмари - едно нощно животно, са се адаптирали за
използване на светлинните морски бактерии като маскировка, за да се скрие
появата на сенки на фона на небето в лунна нощ. Калмарът хвърля светлина
по посока към дъното на морето и по този начин става по-малко забележим за
хищните риби. Светещият орган се намира в близост до мастилен сак на
калмара и е проектиран така, че светлината от светлинните бактериите да се
отразява в специален рефлектор и да се усилва чрез леща. Бактериите
постъпват в светлинния орган на калмара по регулируем път: всеки ден, по
залез слънце, каналите на светещия орган започват да пулсират със скорост
няколко удара в секунда, всеки път всмуква по 1 - 2 микролитра от морската
вода с планктонни бактерии Vibrio fischeri. Установено е , че да колонизират
светещия орган могат само подвижни клетки, способни да светят.
Неподвижните и тъмни мутанти на калмарите не колонизират. След
влизането в светещия орган, клетките се прикрепят към вътрешната слузеста
обвивка на светлинния орган на животното и започват бързо да се
размножават. В същото време драстично (до 100 пъти) се повишава
специфичното светене (луминесценция) на бактериални клетки (разчета е за
1 клетка). В течение на 20-40 минути светене, светлинният орган достига
максимума и остава на това ниво през цялата нощ. На разсъмване калмарът
изпуска до 95% от светлинните клетки навън, така че да не се губят ресурси
за поддържане на бактериите и да се съхрани активносветещата популация.
Колонизиращите бактерии въздействат също така и на калмара – белтъчно
полизахаридната обвивка се експресира по-бързо в сравнение със
стерилните (несветещи) индивиди. Колонизацията допринася за
преселването на бактериите, и калмарите им предоставят храна за
размножаването ( белт.полизах.обвивка ), което влияе положително на
бактериите
в
тази
симбиоза.
Vibrio fischeri

В преживните бозайници храносмилателният им тракт има сложна
структура като с особено значение е четирикамерният стомах. Един от
неговите раздели е търбуха, който съдържа огромен брой
микроорганизми и предоставя на животните възможност да се хранят
почти без протеинова храна. Самият търбух и слюнката не съдържат
целулоза, и само в резултат от дейността на целулозоразграждащите
микроорганизми се формират мастни киселини (формиат, ацетат,
пропионат, бутират), които се усвояват от животните. Микроорганизмите
използват също отделящите се CО2 и H2. Метаногенните ги поглъщат, а
също така превръщат ацетат и формиат в метан. От аминокиселините по
време на разлагане на микробната биомаса в долните части на червата
на преживните животни се изгражда протеин. Търбухът е населен от
разнообразни бактерии и архебактерии , а също първаци и гъби. В устата
на животното растителната храна се напоява със слюнка и се поглъща.
Допълнително мокрене и механично раздробяване се извършва при
продължителното дъвчене и преживяне. При преживянето се образуват
газове. Основното разпадане на целулозосъдържащата храна се
извършва в търбуха, който е идеален за растежа на анаеробните
микроорганизми, като им предоставя "непрекъснато отглеждане" при
постоянна температура (37 - 39 ° С) и рН - 6,5 - 7,0. Обемът на търбуха е от
80 до 100 литра. Нормалната микробиота на търбуха се съдържа в
течността му и постила повърхността със слизестата обвивка.Смята се,
че 1 грам от търбуха съдържа до ~ 10 12 клетки на прокариоти. Малко
количество кислород, влизащо в търбуха с храната, бързо се консумира
от факултативните анаеробни микроорганизми. Оптималното рН се
поддържа от бикарбоната в слюнката, но бързото натрупването на
мастни киселини като лактат, може да доведе до значително вкисляване.
Прокариотите в търбуха се различават значително по отношение на
чувствителността към промените в рН.


В търбуха постоянно присъстват представители на тези родове, като Ruminococcus.
Fibrobacter, Butirivibrio, с висока активност на целулазата, Ritminobacter.
Seienomonas, Prevofella, Succinimonas, Streptococcus, способни да разцепят
нишестето, Lachnospira, участващи в преработката на пектина, Clostridium, с широки
възможности за разлагане на полизахаридите и пептидите. Микроорганизми от
родовете Eubacterium, Megasphaera, Peptostreptococcus, Wolinella, Anaerovibrio,
Bacteroides, Micromonospora. Syntrophococcus. Е.Coli, Syntrophomonas, и други са в
състояние да ферменитират голям брой захари, алкохоли, аминокиселини и мастни
киселини. В търбуха са намерени сулфатредуциращи бактерии от род Desulfovibrio, а
от метаногенните археи преобладават Methanobrevibacter ruminantium и
Methanospirillum.hangatei
Гъбите, живеещи в търбуха, извършват хидролиза на лигнина и ксилана и в помалка степен на целулоза. Избраните от търбуха видове гъби са от родовете
Neoxallimastix, Caecomyces, Piromyces, Oprinomyces, Anaeromyces, Sphaemmyces и
са вторични анаеробни бактерии, имащи хидрогеносоматични и хидрогенотрофни
метаногени в качеството си на ендосимбионти Обикновено, те са със сложен жизнен
цикъл
с
образуване
на
зооспори
Първаците са важен компонент на съобществото на търбуха, тъй като те могат
заедно с разлагане на растителни компоненти да хидролизират клетъчни стени на
гъбички, да поглъщат техните зооспори, да поглъщат частици от храна и
прокариотни клетки. Анаеробните първаци в търбуха принадлежат към родовете
Isotricha. Dasytricha, Entodinium. Epidinium, Orphryoscolex. Използването на
скорбялата от първаците моделира киселинността на съдържанието на търбуха и
предотвратяване на ацидозата.
Така, под действието на сложни съобщества в търбуха разпадането на грубите
растителни храни става в рамките на 0,5 - 2 денонощия. При раждането на малките
на преживните животни нормалната микрофлора в търбуха му постъпва от слюнката
на майката и от храната и в първите дни след раждането се установяват връзките
между симбионтите. Микрофлората в търбуха, заедно с осъществяването на
процеса на разделянето на сложните целулозосъдържащи биополимери до лесно
усвоими съединения, осигурява на животните витамини и вещества, които са
регулатори и фактори за растежа и защитава вътрешните органи от прикрепването и
развитието на патогенни микроорганизми, а също и стимулират имунната система на
животното.

Целулозоразрушаващите микроорганизми обитават също така
червата на термитите, преимуществено задната част на
червата, където те образуват от целулозата ацетат– основен
енергиен субстрат на насекомото. Микрофлора на червата на
висшите термити се състои главно от прокариоти, а у низшите
термити значителна част съставляват камшичестите първаци.
Бактериалният компонент в червата на термитите е
представен от значително количество млечнокисели бактерии
и организми, извършващи различните видове ферментация от
родовете
Bifidobacterium.
Clostridium,
Sporomusa,
Microbacterium, Edwardsiella, Micromonospora, Sebaidefla.
Cristispira, Acetobacterium. В съобществото на задните части
на червата на термитите също са намерени актиномицети и
рикетсии,
образуващи
вещества,
които
обезпечават
нормалното развитие и размножаване на насекомите.
Червата на термитите се разделят на две зони - анеробна и
аеробна. Втората се намира в периферията на червата и е в
непосредствена близост до маркировката вътрешната
лигавична повърхност (до 100 микрона дълбоко в червата).
Анаероби и строгите анаероби – те са компоненти на
синтрофни асоциации, представени от метаногенните родове
на архебактериите Methanobrevibacter родове. Methanosarcina,
Methanosphaera и бактерии от рода Treponema, Bacteroides,
сулфатредуциращи и азотфиксиращи микроорганизми.
Symbiosis of Termites and the
Microbes in their Gut: Digestion of
Lignocellulose
Sethi, Amit, Elena S Kovaleva, Jeffrey M
Slack, Susan Brown, George W
Buchman, and Michael E Scharf. “A
GHF7 Cellulase from the Protist Symbiont
Community of Reticulitermes Flavipes
Enables More Efficient Lignocellulose
Processing by Host Enzymes.” Archives
of Insect Biochemistry and Physiology 84,
no. 4 (December 2013): 175–93.
doi:10.1002/arch.21135.

Интересен вид симбиоза е открита в мравка-листорез, принадлежаща към родовете
Atta I Acromyrmex. Установено, е че мравките в продължение на милиони години
култивират в организма си гъби от рода Leucocoprinus и Leucoagaricas (агарикови), и
такива
гъбни
колонии
се
наричали
„гъбни
градини”
Поддръжката на градината започва със събирането на субстрат за отглеждане на
гъбите. Листата са били пренасяни в мравуняка и там мравките са започвали
началото на процес на обработка, първото намокряне със слюнка и дъвчене на
малки парченца в размер на 1-2 мм. По този начин, с листата се отделя голяма част
от микрофлората и повърхността им значително се увеличава. След това масата на
листата се подобрява с масата на изпражненията (източник на азот и ензими) и се
натрупва над съществуващият градински куп. По-старата част на гъбичните колонии
(източникът на гъби) се прехвърля към новата част на листата. След шест седмици
свежият субстрат напълно се разлага от гъбите и най-стария субстрат се оказва найотдолу на купчината. Използваният субстрат се изважда от дъното на купчината и се
поставя в "помийна яма", която може да бъде извън или вътре в мравуняка.
Мравките работнички винаги следят за градината. Така например, те разпределят
протеазите по повърхността на купчината. Тези ензими, произведени от гъби, се
отделят по време на храносмилането на гъби и ларви и чрез изпражненията се
доставят от мравките работнички в различните части на купчината. Освен това,
мравки специално сълзят върху хифите на гъбите за стимулиране на растежа им. Те
също така регулират температурата и влажността около колонията в градината, чрез
отваряне
и
затваряне
на
вентилационни
отвори.
Когато отива на брачен полет, женската отнема част от мицела на градината за
новото устройство на гъбични колонии в новия мравуняк. Докато не се появят нови
мравки работнички, женската се грижи за градината сама, подхранвайки с хифи
новите
ларви.
Установено, е че градини се поразяват от патогенни гъбички от рода,
Escovopsis (Ascomycota), за които се изпълнява закономерността на Кох. Ако
мравките работнички се отстранят от градината, то паразита бързо (понякога за
12 - 24 часа) прераства в гъба продуцент и градината умира. Смъртта на
градината
обикновено
води
до
смърт
на
мравуняка.
 Някои учени са наблюдавали, че мравките работнички,
отгледани в гъбните градини са покрити с белезникави
гранули, които били взети за восък, но след това се
установило че са плътни бучки от бактерии
актиномицети и понякога те напълно могат да покрият
тялото на мравката. Актиномицетите се предават от
мравуняк на мравуняк вертикално, т.е. женската, когато
се отправя към брачен полет, пренася малко
актиномицети на кутикулата. Тези актиномицети
формират мощен антибиотик, който потиска растежа на
патогени от рода Escovopsis. Антибиотикът сам може да
предпази мравките от инфекция (ентомопатогенни
гъбички). Мравките работнички, обслужващи градини с
изкуствено
имплантирани
патогени,
стимулират
развитието на актиномицета на повърхността на
кутикулата до 8 дни след внасянето на патогена в
градината. Възможно е специалните жлези на мравките
да образуват вещества, които стимулират растежа на
актиномицети в определен период от време.

В човека, само кръвта и лимфата са свободни от микроби. Микрофлората на ниските
отдели на стомашно-чревният тракт е представена основно от ентеробактерии и строги
анаеробни бактерии и рода Bacteroides, за разлика от търбуха,първаци в тази общност
липсват. Ако в тънките черва с дължина от 12 - 14 m топка храна престоява от 2 - 4 часа, а
съдържанието на микроорганизми не надвишава 10 5 за 1 грам, то в крайните части на
дебелото черво дължина от 1,5 м и обем от 0,9 - 1,7 л има над 1012 прокариотни клетки на
1 грам съдържимо и храната там се задържа от 12 - 24 ч. Правото черво се характеризира
със следните физико-химични условия: температура 36 -37 ° С, Ех = -200-300 мВ, сухо
вещество в изпражненията 20 - 30%, намерени са летливи мастни киселини (ацетат,
пропионат, бутират). нелетливи киселини (лактат, сукцинат), газове (C02, CH4, H2, Н2S. N2.
NH3, и близо до стена - 0 2), следи от аминокиселини и пептиди, значително количество
целулоза, хемицелулоза и полизахариди, които съществуват със стомашно-чревния
епител. Присъстват в малки концентрации на витамини от група В комплекс и значителни
количества йони на Na+ и Cl. Фекалната маса се състои на 90% от микроорганизми .
Преобладаващи тук са представители на рода Bacteroides (70%). В големи количества, се
явяват видове от родовете Streptococcus. Bifidobacterium, Peptococcus, Peptostreptococcus
(до 1010 клетки на 1 грам). Повече от 400 вида микроорганизми се намират в много малки
количества (включително метаногенните архебактерии). По-голямата част от постоянно
присъстващите в червата прокариоти( резиденти) се развива в прикрепено състояние,
образувайки биофилм на обвивката. Микрофлората е специална при кърмачета: първо се
колонизират в червата E. coli, а след това доминират микроорганизми от вид
Bifidobacterium. Нормалната микрофлора е важна за детоксикацията на някои вещества, в
синтеза на витамините, в потушаването на патогенни форми, включително и
предотвратяване на тяхното закрепване към чревната стена. Редица микроби-симбионти в
храносмилателния тракт при попадане им в несвойствени органи и системи, както и за
намаляване на имунитета на макроорганизма са в състояние да предизвикат сериозни
инфекции (микроорганизми - опортюнисти). Например, Fusobacterium neurophorum при
перфорация на червата се преселва в чернодробните клетки, предизвиквайки
некроза на тъканите. Микроорганизмите обитават не само вътрешната, но и външната
обвивка на човека, като кожата. Тя съдържа също опортюнисти, виден пример за което
е гъбичката Candida Albicans, - обикновено като сапрофит живее върху кожата и
лигавиците на устата и половите органи, като при промяна на метаболизма, особено
по време на бременност, може да предизвика инфекциозно заболяване "млечница".
Взаимодействия
на
микроорганизмите
и
растенията
Отношенията, възникнали между микроорганизмите и растенията, се базират както
на обмен на метаболити, така и за осигуряване на физически контакт.
Микроорганизмите играят съществена роля в процесите на почвообразуване,
т.е. създават среда за местообитаване на растенията. Разлагайки сложните
биологични полимери, микроорганизмите връщат обратно в околната среда
съединения, които са необходими за растежа и развитието на растенията.
Трудно е да се преоцени глобалния процес на свързване на молекулярния азот,
характерен само за прокариотите, който обогатява почвата с азотни
съединения. Гъбите са в състояние да предоставят на растенията съединения на
фосфора. Специфични микробни метаболити могат да влияят на темповете на
растеж
на
растенията.
Гъбните микроорганизми в симбиоза с корените на растенията са в състояние да
осигурят повече почвено пространство за храна. Редица микроорганизми чрез
отделянето на антимикробни субстанции, могат да попречат на колонизацията и
инфектирането на различни части на растението с фитопатогенни
микроорганизми.
Живите растения, техните мъртви останки, както и различни екскрети са
източник на храна за микроорганизмите. Повърхностната и вътрешната
структура на растенията може да служи като среда на микроорганизмите, като
им дава пространство, за да растат, способността да се движат и да се
разпространяват заедно с части от растенията, а в някои случаи и защита от
външни влияния. Доказано е, че растенията могат да оказват насочено влияние
на окръжаващите ги микробни асоциации, отделяйки атрактанти и репеленти.

Микробно-растителните отношения се установяват по-тясно по време на
образуване на семената, чиито обвивки, а често и вътрешната им структура
имат клетки или неразвити (в покой) форми на микроорганизми, количеството и
таксономическата принадлежност на които се определят от множество физикохимични и биологични фактори на околната среда, както и свойствата на самите
семена Сред микроорганизмите,открити на повърхността и във вътрешността на
семена, най-известните представители на аеробни и анаеробни бактерии са от
родове като: Bacillus, Clostridium, Artluvbacter. Tumefaciens, Erwinia,
Pseudomonas, Xanthomonas, Streptomycesw и други, както и гъби, принадлежащи
към родовете Aspergillus. Botrytis, Claviceps. Фузариум, Acremonium, Penicillium,
Puccinia, Trichothecium, Pbytophtora, Verticillium, Ustilago и т.н., сред които има и
патогенни. Както микроорганизмите, така и структурата на семена, въпреки побавния метаболизъм, постоянно се намират под влиянието на продукти на
обмяната на веществата. При покълнване на семената, в благоприятни физикохимични условия, метаболитните процеси в тях, и микробната популация,
свързана с тях, е много по-активна. Метаболитите, които се изолират, както от
микроорганизмите, така и от семената, имат някои специфики, за стимулиране
или ограничаване на растежа на различни групи микроорганизми и влияещи на
растежа и развитието на младите растения. Освен това, при образуването на
покълнека, част от популацията на микроорганизмите механично се пренася от
почвата в атмосферата. Ето защо, при анализа на взаимоотношенията между
растенията и микроорганизмите, традиционно ги разделят на вътрепочвени и
надземни.
Развиващата се коренова система, прониква дълбоко в почвата, встъпва във
взаимодействие с почвените микроорганизми, животните и корените на други
растения. Около корените се образува т.нар ризосфера – обкръжаващото
пространство в почва около корена - 0-8 мм в диаметър, характеризиращо се с
по-висока плътност на микроорганизми. Броят на микробните клетки в
ризосферата може да надвишава това число дори и в околната почва.
Пространството на кореновата повърхност е често описвано като отделно
местообитание на микроорганизмите, наречени ризопланой.

Стимулирането на растежа на микробната общност възниква поради
метаболитните продукти от жизнената дейност на кореновата система на
растенията централата (коренови депозити, ризодепозити). Това понятие
включва коренови ексудати (отделяне) - с ниско молекулно тегло органични
вещества (захари, алкохоли, органични и аминокиселини, витамини,
хормони и т.н.)., както и високомолекулни метаболити (полизахариди и
белтъчна слуз, ензими), и изгубените част на растението (отлющващи се
клетки, мъртвите зони на корена, кореновата обвивка и т.н.). Смята се, че над
40% от въглерода, фиксиран при фотосинтезата се губи под формата на
депозит в корена. Най-много интензивно "изтичане" на такива вещества се
среща в разширяването на кореновата зона по време на неговия растеж. От
друга страна, в присъствието на потенциални патогени, някои растения
образуват фитоалексини, притежаващи специфична антимикробна
активност. Растението също така допринася за промяна на физикохимичните условия на средата на обитание на микроорганизмите, оказвайки
механично действие на почвата, провеждайки чрез съдовата си система
някои газове (например, метан от ориз) и транспортирането на кислород в
анаеробните участъци на почвата около корените. Ризосферните
микроорганизми, развиващите се по определени части на растителния
корен, в процеса на обмяната на веществата и след смъртта на микробните
клетки образуват хранителни вещества във форма, достъпна за ползване от
растения.
Съставът и количественото съотношение на компонентите на ризосферните
микробни колонии зависи, от вида на растенията, както и на мястото им на
растеж.

Събитията, произтичащи в ризосферата по време на растежа на корените, може да бъдат
описани схематично по следния начин. Бактериите в почвата са концентрирани върху
повърхността на органичния материал и се характеризират с ниска метаболитна активност,
поради ограничената достъпност на хранителни вещества. С растежа на корените през почвата,
около върха се увеличава съдържанието на достъпните хранителни вещества за сметка на
кореновите секрети, което допринася за активизиране на микробния растеж и освобождаването
на достъпни за растението азотни съединения. Нарастващият брой на микроорганизмите в
ризосферата привличат почвените първаци, които се хранят с микробните клетки, а трети "
бактериален азот " се освобождава под формата на амониеви йони. Част от амония се поглъща
от нарастващите корени. Микроорганизмите също образуват ензими, които допринасят за
минерализацията на сложни органични съединения до прости, достъпни за растенията.
При колонизацията на повърхността на корена, кореновите микроорганизми могат да бъдат
включени
специални
механизми
на
закрепване.
Създадената от кореновата система на растенията благоприятна среда за микроорганизмите
чрез увеличаването на нивото на хранителни вещества не само води до увеличаване на броя на
микробните популации, но понякога и към забележима промяна в състава на микробните
съобщества. Много стрептомицети успешно колонизират ризосферата, тъй като са в състояние
да образуват антибиотици и успешно да се конкурира с бързо растящите бактерии на
ризосферата като като псевдомонади и бацили. В допълнение, актиномицетите с мицелен състав
могат да усвоят повече суха почва отколкото едноклетъчни форми, които за осъществяване на
движение се нуждаят от вода. Важна роля играят мицелните гъби, както свободно живеещи,така
и микоризни за осигуряване на минералното хранене на растението , особено фосфор. За сметка
на развитието на мицела, гъбите могат да използват много по-голям обем от почвата. С растежа
на растенията в места с ниско съдържание на свързан азот, се увеличава значението на
азотфиксиращите ризосферни бактерии от родове Azotobacter, Azospirillum и Аzoarcus,
осъществяващи асоциативна азотфиксация. Съобществото на ризосферата винаги включва
първаци и нематоди, които се привличат от високото ниво на развитие на бактерии и гъби в тази
област на почвата.

Кореновите микроорганизми ( т.е. на ризосферата), оказват влияние
на растенията не само чрез преобразуване на сложни органични
вещества във форма, достъпна за растенията, но и за сметка на
растежните регулатори (растителни хормони) (напр.гиберелини),
които оказват влияние на морфологията и физиологията на
растенията, както и други специфични метаболити, като етилен,
причиняващи рано цъфтежа. При наличие на патогенни
микроорганизми, микроорганизмите на ризосферата могат да
синтезират различни биологични агенти за контрол (антибиотици,
ензими и др..),които потискат растежа на нежеланата микробиота..
Производителите на тези продукти принадлежат към родовете
Pseudomonas,
Bacillus,
Agrobacterium.
Trichoderма,
др
Биотехнологичното използване на ризосферната симбиоза в момента
се разглежда в два аспекта: 1) фиторемедиация на замърсените води
и почви, и 2) модификация на ризосферното микробно съобщество за
създаване на благоприятни условия за развитие на земеделските
култури.
В първия случай успешната биодеградация на ксенобиотици се
извършва именно в симбиоза на микроорганизмите с растенията, с
възможна генно-инженерна модификация както на микробния
компонент, така и на самото растение за повишаване на
трансформацията на трудноразлагащите се вещества. Във втория
случай се допуска въвеждане в съобществото както на
микроорганизмите , активиращи развитието на растенията
(азотфиксиращи бактерии, продуценти, стимулатори на растежа), така
и доставчици на биоконтролиращи агенти, ограничаващи навлизането
и развитието на патогенни микроорганизми. Интродуцируемите
организми могат да бъдат изолирани от околната среда или „
конструирани " в лабораторията.

Пространството около надземните части на растенията, както и на тъканите
на това растение образуват филосфера, в която се изолира собствената
повърхност на растенията, наречена филоплана. Количеството на
микроорганизми, живеещи в надземните части на растенията е сравнимо с
броя на микроорганизмите в почвата и достига до 108 клетки за 1 грам листна
маса. Съставът на микробната общност на филосферата не се различава
принципно от общността, присъща на семенните растения. Сред неговите
членове са маркирани както сапрофитни, така и патогенни видове. Съставът
и числеността на конкретното микробно съобщество на филосферата зависят
от вида на растенията и от съчетанието на физико-химичните фактори на
околната си среда. Микроорганизмите, които живеят върху листата на
растенията, различни от тези, посочени по-горе, принадлежат към родовете
Beijerinkia, Enterobacter. Acetobacter, Methylobacterium. Rhodotorula и др. При
покълнването, съставът и количественото съотношение на компонентите на
микробното съобщество, изнесени в атмосферата от почвата ще се промени
под влиянието на факторите на околната среда. Променя се и
разположението на клетките на микроорганизмите на повърхността на листа
- някои са разпределени дифузно , други образуват струпвания около
устицата. Това е основното място за обмен на растителни метаболити с
околната среда, където се осъществява газообмена, отделяне на летливи и
нелетливи съединения, които служат за хранителни субстрати за
микроорганизмите. Чрез устицата могат да проникнат пагогенни
микроорганизми и да бъдат освободени фитонциди, съединения с
антимикробно действие, които потискат растежа на микроорганизмите.
Такива вещества могат да синтезират иглолистни дървесни видове, храсти,
чай, растения, чесън, лук, и др.

Ярко проявление на мутуалистичната симбиоза между микроорганизмите и
растенията може да се счита процеса на симбиотична азотфиксация, при
което микроорганизмите осигуряват на растенията свързани форми на азот,
а растенето осигурява на микроорганизмите хранителни вещества и енергия
и предпазва нитрогеназният комплекс от кислорода. Микроорганизмите,
способни на симбиотична азотфиксация, принадлежат към родовете
Rhizobium, Bradyrhizobium, образуващи грудки по корените на бобовите
растения и Frankia, влизайки в симбиоза с някои двусемеделни дървесни
растения (бреза, елша и др.). Кореновите власинки на бобови растения
образуват атрактанти с флавоноидна природа, които привличат
микроорганизми и подтискат синтез на микробите. Микроорганизмите също
синтезират лектини, участващи в адхезия на бактериални клетки на
повърхността на корена и стимулатори на растежа на растенията (
индолилоцетна киселина.) Стимулирането на растежа на повърхностните
слоеве на кореновите власинки довежда до неговото спирализиране, а
микроорганизмите попадат във вътрешността на спиралата. Размекнатата
обвивка на повърхностните структури на корена под действието на ензима
полигалактуроназа позволява бактериалните клетки да проникнат вътре в
растителните клетки и да формират инфекциозни нишки. В тетраплоидните
клетките на кората на главния корен инфекциозната нишка се разпада на
удължено образование с неправилна форма [бактероиди). При това
тетраплоидните клетки бързо се размножават и образуват израстъци
(грудки,възли) на корените на растенията. Вътре в грудките протича процес
на симбиотична азотфиксация, който е придружен успоредно и със синтез на
сложно съединение - легхемоглобин, белтъчната част на който се образува
от растението, а хем-а се синтезира от бактерията.

Нишковидният организъм от рода Frankia, проникващ в клетките
на растителния корен, стимулира локалното разрастване на
тъканите на корена, с образуването на грудки. При това, хифите
вътре в корена образуват разклоняване и накрая се раздуват
краищата, превръщайки се в мехурчета, осъществяващи
фиксацията
на
молекулярен
азот.
Широко разпространен тип мутуалистическа симбиоза –
микориза(гъбен
корен).
Това
микробно-растително
взаимодействие се основава върху осигуряването на захари за
гъбата, образувани от растението, а растението от своя страна
получава преимущество за сметка на усвоения по-голям обем от
почвата ,с помощта на гъбния мицел. Микоризата значително
увеличава абсорбцията на влага, фосфор и други минерални
вещества за растенията , но и защитава растенията от патогени и
тежки метали. Тази симбиоза е два вида: екто и ендомикориза.
Ектомикоризата образуват стотици видове гъби, предимно
Базидиеви, включвайки се в симбиоза с дървесни растения (бор,
дъб и др.). Мицелът на гъбата оплита растителния корен,
образувайки мантия. Вътрешният слой на мантията е свързани с
хифите, проникнали между клетките на епидермиса и кората на
корена и формира мицелна мрежа. Ендомикориза се формира
главно от зигомицети, влизащи в асоциация с множество
растения, включително и калуна и орхидеи. Хифите на гъбите
проникват през обвивките на кортикалните клетки (кл.на кората)
и образуват дихотомически разклонени структури, наречени
арбускули В други клетки от кората на корена хифите на гъбите
могат да образуват мехурести отоци (везикули). Арбускулите и
везикулите, се считат за основното място за обмен на хранителни
вещества между растения и гъби.

Паразитизмът е разпространен между патогенните форми. Например,
вируси, включително бактерио-, актино- и цианофаги, бактерии,
поразяващи флоема на висшите растения, агробактерии, причиняващи
ракови образувания в растенията - всички тези са вътреклетъчни паразити.
Развитието на облигатен вътреклетъчен паразит, при определени условия,
води до смъртта на гостоприемника. За пример, Bdellovihrio bacteriovorans
прониква в периплазмата, превръща се в нишки и постепенно лизира
клетката на гостоприемника. Тези бактерии често се разпространяват във
водоемите. Подобно на бделловибрио, поразяват зелените водорасли
микроорганизми
от
род
Campylobacter.
Понастоящем, представянето на количеството партньори, необходими за
създаване на стабилна симбиоза, са претърпели значителни промени.
Показано е, че наред с признатите компоненти на лишеи, актиноризата и
микориза, от тези съобщества непрекъснато се отделят бактерии,
например от рода Burkholderia. За редица ендомикоризи е необходимо
присъствие на бактерии-помощници, способстващи за създаването на
симбиоза в ранните етапи и облекчаващи проникването на хифите на
гъбите в растителните клетки. В лишеите е посочено постоянното
присъствие на грам-положителните бактерии. Последните етапи на
аеробното разлагане на целулозата в почвага изискват наличието на
множество различни по морфология простекобактерии като партньори на
целулозоразграждащите микроорганизми В такъв смисъл, простите
взаимовръзки в редица симбиози трябва да се преразгледат по отношение
на сложност и увеличаване броя на партньорите.
 Още С.Н.Виноградски разделил всички микроорганизми в две групи,
използващи коренно различни видове екологична стратегия.
Екологичната стратегия е съвкупност от реакции на въздействието
на факторите на околната среда. Първата група включва:
Автохтонни
бактерии,
постоянно
присъстващи
в
общността,независимо от количеството на хранителните елементи в
нея. Тези организми растат като K-стратези, т. е. бавно, с ниски
темпове на растеж, но винаги. Вторият тип – аллохтонни (или
зимогенни) присъстващи, когато има много органична материя
(например, веднъж в годината, когато нападнат листата ), растат като
R- стратези, т. е. с високи темпове на растеж, което изисква висока
концентрация на хранителни вещества. С такъв бърз растеж се
разсейва много енергия и органични вещества. По-късно е
идентифициран друг тип стратегия ( L-cmpaтегия ) на базата на
висока устойчивост на смущения в околната среда, както и
способността
да
преживеят
неблагоприятни
условия.
Трябва също да се има предвид, че в различните екосистеми
присъстват олиготрофните бактерии, които растат само в ниски
концентрации на хранителни вещества, а при високи концентрации
растат микроорганизмите- копиотрофи. Олиготрофите се смятат
само за хетеротрофни микроорганизми, растящи при ниски
концентрации на въглеродни съединения.

В сладководни и морски местообитания, има
място за формирането на т.нар биофилм
(биопелена). Най-простия пример за биофилм един монослой на клетки от един тип.
Обикновено този начален етап на формиране на
по-сложна структура е при колонизацията на
повърхностното разделяне на фазите. В
зависимост от особеностите на средата на
микроорганизмите (светлината, наличието на
хранителни вещества и скорост на дифузия )
структурата на биопелената може да се усложни
(например, формирането на слоеве ) и при това в
тези слоеве вече присъстват различни видове
микроорганизми. Например: най-горния слой фотосинтезиращи, средния - факултативни
хемоорганотрофи, отдолу -- сулфатредуктори.
По-сложната пелена се развива като триизмерна
структура, включваща клетъчни агрегати,
вътрешни порите и напречни канали .
 Биофилмът може да нарасне до макроскопски размер,
образуващ микробна пелена. Понякога слоевете
микроорганизми са с различни цветове, и тогава
структурата на слоя се вижда с просто око. Такива
пелени често се формират на повърхността на скалите
или утайки в свръхсолени и сладководни езера, лагуни,
горещи извори и морски крайбрежни райони.
Рогозките(постелките) съдържат микробни нишки,
включително цианобактерии, които са едификатори ,
т.е. организми, които формират общността и определят
неговата структура. Под фотической (фотосинтезираща
светлинната) зона (~ 1 мм, където прониква светлината )
се намират анаеробни условия. В долните части на
пелената , живеят сулфатредукторите, които образуват
сулфид, който дифундира в зоната на анаеробната
фотосинтеза, където има зелени и пурпурни бактерии.
Налице е предположението, че микробни пелени са
могли да участват във формирането на сухоземните
екосистеми, дори и преди развитието на висшите
растения ( папрати, плаунови и хвощове) тъй като
техните изкопаеми останки (строматолити) са датирани
на 3,5 милиарда години.

Особености на водните организми. Водните организми, извършват
във водоемите кръговрат на основните елементи, защото в
микробните съобщества са предсавени и основните производители
на органични вещества (еукариотни и прокариотни фотоавтотрофи,
прокариоти-хемоавтотрофи) и консументи (първаци) и редуценти
(по-голямата част от хетеротрофни прокариоти и гъби ). Водните
организми се намират в планктона и бентос, прикрепят се към
плаващи частици, и обитават дънни утайки.
 Първаците са представени от фораминифери и радиоларии.
 От
водораслите
преобладават
диатомовите.
Някои видове микроскопични гъби от оомицетите и хитридиевите
са се адаптирали към живота в сладководни и морски води. Някои
хитридиеви паразитират в диатомовите водорасли. Друга важна
група от нишковидни гъби се явяват хифомицети от групата на
гъбите от род Инголда. Тези гъбички са в състояние да образува под
водата четирилъчеви спори. Тяхното прорастване в паднали листа
във водата и проникването на хифи вътре в листата способства
преработката на органичния материал, който след това се
консумира от сухоземни насекоми в личинков стадий. Излитането
на възрастните форми на тези насекоми води до прехвърляне на
хифи на гъби от храносмилателния им тракт на листата на
сухоземните
растения.
В олиготрофните и бедни на органични вещества води присъстват
плъзгащи и прости микроорганизми, способни да се прикрепят към
субстрат, които е на разположение и да се натрупват по него , и да
образуват парцали и люспи.

Най-интересното
откритие
за
морските
местообитания е не само наличието на голям
брой от вируси, но също така и с високо
съдържание на Археа. Приблизително 1/3 от
пикопланктон (клетки с размер на по-малко от 2
микрона) са Археа, традиционно се приписват на
екстремни местообитания. В моретата са
записани
много
високи
нива
на
ултрамикробактерии (нанобактерии), в основен
вид Sphingomonas, който може да премине през
мембранен филтър с размер на отворите 0,2
микрона. Те имат забележителна устойчивост на
храносмилателния тракт и са толкова малки, че
дори
не
ядат
нанофлагелати.
Различни водни обекти, разбира се, се различават
както
във
физическите
и
химическите
условия,така и по нивото на първичното
производство
(дистрофни
олиготрофни,
мезотрофни и еутрофни). Органична материя
може да се образува директно във водоема
(автохтонни), а може да влезе във водоема от
външната страна (аллохтонни). Най-важните
физически и химически характеристики на
водоема са температура, осветеност, нивото на
минерализация, количество на разтворени
газове. рН и Еh, мощност и структура на
утайките.
Почвите съдържат различни повърхности, които влияят върху достъпността на хранителни вещества и
взаимодействието на микроорганизмите. Различният размер на порите ги прави в различна степен
достъпни
за
употреба
и
колонизация.
Бактериите са склонни да присъстват във вид на микроколония на повърхността на почвените частици
или като се разтворят в почвения разтвор в порите. Нишковидните гъби и мицелните форми на
прокариоти могат да растат както върху почвените агрегати, така и между тях, оплитайки ги, както и от
една страна се обединят помежду си, а от друга се разделят. Първаците живеят във водната пелена и се
хранят
с
бактерии.
Почвите се състоят от пясък, глина, тиня и от други частици. Органичната материя постоянно се добавя
под формата на растителни и животински остатъци, постепенно се превръща в стабилен, богат с
хранителни вещества материал - хумус. Всички тези компоненти формират разнородни агрегати с
различни размери, или почвени частици, които са пронизани с мрежа от пори.
Бактериите и гъбичките използват различни функционални стратегии, за да се възползват от този
физически сложен комплекс. Повечето от бактериите са локализирани на повърхността на почвените
частици, и на тях им е необходимо водата и хранителни вещества да са разположени в непосредствена
близост. Често бактерии се срещат вътре в малките пори (диаметър 2 - 6 микрона), където е по-вероятно
да не бъдат изядени от първаци. Мицелните форми на микроорганизми, напротив, се стремят да се
разположат на външната повърхност на агрегатите. Тези организми могат да образуват мостове
междуотделните участъци, като достигат до места, където влагата е по-достъпна. По този начин,
мицелните форми могат да се "придвижват" на дълги разстояния в търсене на вода и храна.
Заради ограничената дифузия на газове вътре в агрегатите и извън тях, заради обезводненост на
пространството между агрегатите и микросредата могат да настъпят значителни промени в
концентрацията на газове и разтворени вещества. В сравнение с атмосферата в почвата има значително
по-високи концентрации на CO2, СО и други газове и ниско съдържание на кислород, образува се
градиент на О2 и могат да се образуват анаеробни микрозони.
След дъжд почвата може бързо да се превърне в аеробно местообитание, с няколко отделни анаеробни
микрониши, предимно в анаеробна среда, особено с увеличаване на дълбочината.

Почвите се формират при различни условия на околната среда. Там където е
изветрянето на нов геоложки материал, или след изригване, или след земетресение
започва колонизация на микроорганизми. Пионерите тук са цианобактериите,
способни на фотосинтеза и азотфиксация. Важна роля във формирането и
функционирането на почвите имат грам-положителните бактерии, които показват
различни степени на развитие на мицела, а именно коринеформни , некардиоформни
бактерии,а също и актиномицети. Тези групи играят важна роля в разграждането на
въглеводороди, изкопаеми растителен материал и почвения хумус. Някои от тях са в
състояние да унищожават пестициди и други ксенобиотици. Характерната миризма
на почвата зависи от веществото геосмин , отделяно от стрептомицети. В анализа на
микробното "население" на почвата трябва да се отчита, че в момента могат да се
култивират само около 10% от почвените микроорганизми. Некултивируемите форми
могат да се откриват с помощта на молекулярно-биологични методи, екстракция на
микробна ДНК и амплифицирането й в полимерни реакции, с последващо
определяне на нуклеотидната последователност на гена, кодиращ 16S рРНК.
Образуване на всякакъв вид почва зависи от изместване на равновесието между
образуването и разграждането на органичен материал. То е повлияно от фактори
като температура и други климатични условия, състав на растения и
микроорганизми. Така например, в тропически влажни почви, където има по-високи
температури, органичните вещества бързо се разграждат и подвижни неорганични
хранителни вещества могат да се отделят(излужат) на повърхността, предизвиквайки
бърза загуба на плодородието. За да се ограничат тези загуби, много тропически
растения имат коренова система, която прониква бързо в разрушаващата се
подстилка, като по този начин сами улавят освобождаващите се хранителни
вещества.
В по-умерените региони, напротив, скоростта на разлагане е по-бавна от първичната
продукция, което води до натрупване на отпада. Дълбокото проникване на корените
на
растенията
води
до
формирането
на
почвеното
плодородие.
 В студени места през зимата, когато влагата е на
разположение и почвата е охладена, разлагането на
органичната материя е ограничено. През лятото, когато
почвата е топла, влагата не е достатъчна. Органичните
киселини са се оформили в студения, мокър слой на
настилката и се отмиват в долните пластове. Те
разтварят почвените компоненти (например, алуминий
и желязо), и понякога се образуват обезцветени зони .
Отпадъците (подстилката) продължават да се натрупват
и често инструмента, който връща хранителните
вещества в глобалния цикъла е огъня (горски пожар).
Блатната почва представлява уникален набор от
условия за микробен растеж. Тук, скоростта на
разлагането е намалена от преувлажнеността,
преобладават неокислителните условия, което води до
образуването на торф. Ако такава област се дренира , тя
става все по-аеробна, органичният материал се
разрушава и нивото на почвата намалява. В аеробни
условия, лигнин- целулозните комплекси от запасените
органични материали се разрушават успешно от
мицелните гъби.
 Някои от почвените микроорганизми взаимодействат с атмосферата
на почвата. От "екзотичните " феномени може да се отбележи
способността на Pseudomonas siringae да синтезира белтък, който
служи като ядро на образуването на лед по повърхността на листата
и сняг в буреносни облаци. Този снегоформиращ почвен
микроорганизъм може да повлияе на времето в глобален мащаб.
Почвените микроби имат положително въздействие върху
атмосферата, унищожавайки замърсители във въздуха като метан,
водород, СО, бензол, трихлоретилен , формалдехид. Почвените
микроорганизми имат голямо влияние върху световното
съдържанието
на
различните
газове.
Сравнително стабилни са газовете - CО2, N2O, NO и метан. Тези
газове са наречени парникови газове, тъй като те отразяват
топлините лъчи, не позволяват на топлината да се отдели от Земята и
причиняват глобалното затопляне. Метанът може да бъде употребен
от метанотрофи, които живеят в почвата и водата.
Критичен фактор, който влияе на потреблението на метан в почвата е
концентрацията на амониев йон. При увеличаване на съдържанието
на амоний в почвата,което се дължи или на селскостопански
дейности, или е следствие на замърсяването, потреблението на
метан се намалява. Така, почвените и водните метанотрофи може да
се разглеждат като един вид бактериален газов филтър.
Pseudomonas siringae


Микроорганизми, притежавайки огромно разнообразие от ензимни системи и висока метаболитна
лабилност, и явявайки се тъкмо това звено, което е основно отговорно за самоочистването на
природните екосистеми и може да осъществи биодеградация на естествени и изкуствени ксенобиотици,
като по този начин става връщането на основните хранителни вещества в глобалния цикъл
Особена актуалност е придобила разрушаващата способност на микроорганизмите през последните
десетилетия , във връзка с разширяващото се присъствие в биосферата, на устойчиви замърсители от
антропогенен произход, често надвишаващи природните самоочистващи способности.
Използването на живи организми, за очистване на водата, почвата и въздуха от различни замърсители,
въз основа на тяхната способност за биоразграждане (биодеградация).
Това
широко
понятие
включва
три
по-малки
процеса
по
мащаб:
•
трансформация,
или
незначителни
изменения
на
молекулата;
•
раздробяване
или
разпадане
на
сложните
молекули
до
прости
съединения:
• минерализация, или преобразуване на сложните вещества до най-простите (H2О, CO2, H2, NH3. CH4, и
т.н.). Разграждането на ксенобиотици може да се проведе по различни начини в зависимост от
химическата структура на разрушаемите вещества, наличието на някои биологични дейности, а също и в
зависимост от условията на околната среда. Химичните характеристики на ксенобиотици са
изключително разнообразни - линейни и разклонени алкани и алкени, ароматни съединения с различни
заместители, хетероциклени, полимери и др.. При разрушаването на сложните и устойчиви вещества ,
важни процеси са синтрофията и и кометаболизма (при аеробни условия - съокисление), когато
проявлението на способността на сложната молекула да се трансформира се определя от наличието на
достъпни енергийни източници за поддържане на жизнедеятелността, тъй като самият ксенобиотик не
може
да
бъде
използван
за
тази
цел.
Понастоящем, в процеса на очистването, се използват основните природни микроорганизми. Засега
механизмите на тези процеси, на видовия състав на общностите и на взаимодействието на
микроорганизмите в тях са малко проучени и поради това масовото използване на биоремедиация, т.е.
използване на биологичните системи за очистване на околната среда от замърсяване е много
ограничено. Въпреки това, различни метаболитни пътища в областта на микробните съобщества ни
позволяват да се надяваме, че в бъдеще могат да се създадат асоциации, които могат да унищожат
целия набор от съединения, синтезирани от човека, като по този начин се връщат към кръговрата на
елементите
от
активните
форми
на
въглерода,
азота
и
т.н.
Ролята
на
микроорганизмите
в
еволюцията
на
биосферата
Събитието, което е с огромно значение в историята на нашата планета е
възникването на фотосинтезата, която коренно променя физикохимичните условия на земната атмосфера и довежда до значително
натрупване на органични вещества. Това се потвърждава и от
резултатите на поредица изотопни, биохимични и молекулярнобиологични изследвания, както и откриването на микрофосили
(изкопаеми остатъци) от фототрофни микроорганизми, особено
цианобактерии, възрастта на които се определя от 1,7 - 3,2 милиарда
години. Съхранението на изкопаемите останки на тези микроорганизми
за такъв дълъг исторически период се обяснява с уникалните свойства
на техните обвивки да се подлагат на мумификация, литификация и
инкрустация на съединенията на силиция, калция и т.н. Други древни
доказателства
за
развитието
на
цианобактериите
и
цианобактериалните съобщества са строматолитите – слоести
седиментни скали, продукти от дейността на микроорганизми, основани
от утаяването на бикарбонати. Образуването на строматолити сега
може
да
се
моделира
в
лабораторни
условия.
Активното човешко въздействие върху околната среда ( развитие на
промишлеността, селското стопанство, изсичане на горите, добив и
преработка на полезни изкопаеми), води до значителна промяна в
съотношението на залежите от органични вещества и "живите"
органични вещества в глобален мащаб.