Бактерии гниения и их польза

Смрад выгребных ям и свалок, гниющие органические останки – все это вызывает у людей стойкое чувство отвращения. Но, когда первая реакция проходит, и включается здравый смысл, приходит понимание, что это обязательный процесс жизни. За любым гниением можно увидеть зарождающуюся новую жизнь. Это вечный круговорот веществ в природе. И как ни разнообразны живые организмы на планете, удивительно, что единственные из них, которые отвечают за разложение – это бактерии гниения.

Что разлагается

Процессы разложения – это весь спектр реакций, в результате которых сложные вещества разлагаются до простых и более стойких. Процессом гниения (аммонификацией) называют разложение до простых молекул органических веществ, содержащих азот и серу. Сходный процесс – брожение – это разложение безазотистых органических веществ – сахаров или углеводов. И тот и другой процессы осуществляют микроорганизмы. Выяснение механизма данных процессов началось с опытов Луи Пастера (1822-1895). Если же посмотреть на бактерии гниения исключительно с химической точки зрения, то мы увидим, что причинами этих процессов является нестойкость органических соединений и микроорганизмы выступают лишь как возбудители химических реакций. Но и белок, и кровь, и животные под воздействием бактерий подвергаются разным типам гниения, то главенствующая роль именно микроорганизмов неоспорима.

Изучение предмета продолжается

Гниение имеет огромное значение как в экономии природы, так и в человеческой деятельности: от технических производств до развития болезней. Прикладная бактериология родилась всего порядка 50 лет назад, трудности изучения и сегодня громадны. Но перспективы огромны:

• Гниение и брожение активно используется в различных производствах – разделение растительных веществ, растительных волокон и стебля, зерен от мякоти и многое другое. Изучение процессов и микроорганизмов сулит новые технологии.
• Удаление органики необходимо при придании прочности растительным материалам (бумаги, древесины, ткани). И новые технологии этих производств уже в пути.
• Бактерии незаменимы в технологиях генной инженерии и производстве биологических лекарств. а их способности захватывать и выводить болезнетворные организмы сулит прорыв в медицине.

  

Кто же они – эти деструкторы?

Бактерии – это целое царство одноклеточных прокариотических (не имеющих ядра) организмов, которое начитывает порядка 10 тысяч видов. Но это нам известных, а вообще предполагается существование более миллиона видов. Они появились на планете задолго до нас (3-4 миллиона лет назад), были первыми ее обитателями и во многом именно благодаря им Земля стала пригодной для развития других форм жизни. Впервые в собственноручно деланный микроскоп «анималькули» увидел в 1676 году голландский натуралист Антони ван Левенгук. Только в 1828 году они получили свое название благодаря работам Христиана Эренберга. Развитие увеличительной техники позволило Луи Пастеру в 1850 году описать физиологию и метаболизм бактерий гниения и брожения, в том числе болезнетворных. Именно Пастер, изобретатель вакцины против сибирской язвы и бешенства, читается основателем бактериологии – науки о бактериях. Второй выдающийся бактериолог – немецкий врач Роберт Кох (1843-1910), открывший холерный вибрион и туберкулезную палочку.

Такие простые и такие сложные

По форме бактерии могут быть шаровидные (кокки), прямые палочки (бациллы), выгнутые (вибрионы), спиральные (спириллы). Они могут объединяться – диплококки (два кокка), стрептококки (цепочка кокков), стафилококки (гроздь кокков). Клеточная стенка из муреина (полисахарида в соединении аминокислотами) придает форму организму и защищает содержимое клетки. Мембрана клетки из фосфолипидов может впячиваться и одержит комплексы органов движения (жгутиков). В клетках нет ядра, а в цитоплазме находятся рибосомы и кольцевая ДНК (плазмид). Органелл нет, а функции митохондрий, хлоропластов выполняют мезосомы – выпячивания мембраны. У некоторых имеются вакуоли: газовые выполняют функцию перемещения в толще воды, а в запасающих находятся гликоген или крахмал, жиры, полифосфаты.

Как они питаются

По типу питания бактерии бывают автотрофные (сами синтезируют органические вещества) и гетеротрофные (потребляют готовые органические вещества). Автотрофы могут быть фотосинтетиками (зеленые и пурпурные) и хемосинтетиками (нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии). Гетеротрофы бывают сапротрофами (используют продукты жизнедеятельности, отмершие останки животных и растений) и симбионты (используют органику живых организмов). Гниение и брожение осуществляют сапротрофные бактерии. Для осуществления обмена веществ одним бактериям необходим кислород (аэробы), а другим он не нужен (анаэробы).

Армии нашей не счесть

Бактерии обитают везде. Буквально. В каждой капле воды, в каждой луже, на камнях, в воздухе и почве. Перечислим лишь некоторые группы:

• Почвообразующие бактерии гниения – среда обитания почва, именно они обеспечивают круговорот веществ и без них планета покрылась бы трупами.
• Азотфикирующие бактерии – усваивают азот из воздуха, симбионты бобовых растений.
• Молочнокислые – предпочитают в пищу молочные продукты.
• Группа бактерий кишечных палочек – живут в нашем кишечнике и помогают в расщеплении углеводов.
• Болезнетворные – это все бактерии-возбудители заболеваний.
• Метанобактерии – бактерии, которые сделали для нас тот самый метан, на котором вы подогреете борщ.

  

Оптимальные условия

Для гниения необходимы определенные условия, и именно лишение бактерий этих условий лежит в основе нашей кулинарии (стерилизация, пастеризация, консервирование и так далее). Для интенсивного процесса гниения необходимо:

• Наличие самих бактерий.
• Внешние условия – влажная среда, температура +30-40 °С.

Варианты возможны различные. Но вода является неотъемлемым атрибутом гидролиза органических веществ. А ферменты работают только в определенном температурном режиме.

Главные аммонификаторы

Бактерии гниения, живущие в почве земли, это самая распространенная группа прокариот. Они играют важную роль в круговороте азота и возвращают в почву минеральные вещества (минерализуют) так необходимые растениям для процессов фотосинтеза. Форма бактерий, их отношение к наличию кислорода и способы питания разнообразны. Основные представители данной группы это спорообразующие клостридии, бациллы и неспорообразующие энтеробактерии.

Этапы разложения органики

Стадии разложения органических веществ бактериями гниения с химической точки зрения довольно сложны. В целом этот процесс осуществляется следующим образом:

• Метаболизм бактерий (ферментативная составляющая) основан на их возможности разорвать связи в молекулах азотсодержащих органических соединений. В процессе своего питания они захватывают белки и аминокислоты.
• В конечном итоге при воздействии ферментов-протеаз, в процессе гидролиза они разлагают их до простых неорганических веществ.
• Продукты. Полученные в результате этих химических реакций идут на постройку собственного организма и используются для накопления энергии в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

  

Сенная палочка

Самая изученная бактерия – Bacillus subtilis, очень эффективный аммонификатор. Лучше нее изучена только кишечная палочка (Escherichia coli), наш кишечный симбионт. Сенная палочка – это аэробная бактерия гниения. На ее поверхности находятся ферменты-катализаторы протеазы, выработанные бактерией и используемые для получения жизненной энергии. Протеазы вступают в реакции гидролиза с белками внешней среды и разрушают его пептидные вязи с высвобождением начала крупных цепочек аминокислот, а потом все более мелких. Все, что ей необходимо, поступает в клетку, а что не нужно, отдается. И остаются токсичные вещества – сероводород и аммиак. Именно из-за этих газов места обитания сенных палочек так неприятно пахнут.

Наши соседи

В нашем кишечнике живет примерно 50 триллионов различных микроорганизмов, это где-то два килограмма. А это в 1,5 раза больше, чем общее количество клеток всего организма человека. И кто здесь хозяин, а кто симбионт? Это, конечно, шутка. Но среди этого многообразия соседей есть и бактерии гниения. Польза и вред для организма от них зависит от их количества и патогенности. В нашей ротовой полоти обитает до сорока тысяч бактерий. Кислую среду нашего желудка могут выдержать лактобациллы, некоторые стрептококки и сарцины. В двенадцатиперстную кишку выделяется сок поджелудочной железы с агрессивными пищеварительными ферментами (липазы и амилазы) и делают ее почти полностью стерильной.

В тонком и толстом кишечнике среда щелочная, тут сосредоточена вся масса микрофлоры. Именно тут бактерии помогают нам усваивать витамины (бифидобактерии), синтезировать витамины (К и В) и подавлять патогенную флору (кишечная палочка), расщеплять крахмал и целлюлозу, белки и жиры (аммонифицирующие бактерии) и это далеко не весь список полезных функций наших соседей. С калом каждый человек выделяет порядка 18 миллиардов бактерий, а это больше, чем людей на всей планете. Но те же бактерии могут при определенных условиях вызвать болезни. Именно поэтому многие из них считаются условно патогенными.

Значение бактерий гниения

Первые живые организмы этой планеты, самые эффективные в части занятия всех существующих на планете Земля экологических ниш – бактерии. Они минерализуют почву, делая ее плодородной. Возвращают в круговорот неорганические вещества. Утилизируют трупы и продукты жизнедеятельности всех живых организмов планеты. Обеспечивают человечество природными ресурсами. Делают нашу жизнь легче и помогают в усвоении пищевых компонентов. Этот список можно продолжать еще долго. Конечно, негативное значение гнилостных бактерий также велико. Но природа знала, что делала и наша задача на этой планете не нарушить то хрупкое равновесие, к которому пришел за эти почти четыре миллиона лет мир вокруг нас.

Бактерии — важнейшее звено общего круговорота веществ в природе.

В (1) см³ поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов сапротрофных почвенных бактерий нескольких видов.

Растения создают сложные органические вещества из углекислого газа, воды и минеральных солей почвы. Многие бактерии, живущие в почве, в процессе своей жизнедеятельности превращают отмершие части растений и мёртвые организмы в перегной.

Они разлагают сложные вещества на простые, которые снова используют растения.

Другая группа почвенных бактерий разлагает перегной.

Многие бактерии гниения вызывают порчу продуктов питания. Поэтому скоропортящиеся продукты хранят в холодильниках (при низкой температуре жизнедеятельность бактерий понижается).

С активностью бактерий брожения связано скисание молока, фруктовых и ягодных соков. При этом молоко превращается в простоквашу, а соки — в жидкость с большим содержанием уксуса.

Молоко для сохранения кипятят, стерилизуют (уничтожают бактерий), хранят в холодильнике, а соки для длительного хранения, как правило, консервируют в герметически закупоренных банках или специальных упаковках.

Молочнокислые бактерии при брожении превращают сахар в молочную кислоту, которая угнетает жизнедеятельность гнилостных бактерий. Это свойство бактерий брожения человек применяет при квашении капусты, солении огурцов, получении из молока различных молочнокислых продуктов (сметаны, творога, сыра и др.); образовании силоса из кукурузы и других сочных растений.

Некоторые бактерии брожения живут в кишечнике человека и зверей и способствуют перевариванию пищи. К таким бактериям относится, например, кишечная палочка.

Некоторые почвенные бактерии способны поглощать азот из воздуха, используя его в процессах жизнедеятельности.

Эти азотфиксирующие бактерии живут самостоятельно или поселяются в корнях бобовых растений. Проникнув в корни бобовых, эти бактерии вызывают разрастание клеток корней и образование на них клубеньков.

Такие бактерии называют клубеньковыми.

Клубеньки белого люпина

Клубеньковые бактерии внутри клубенька

Эти бактерии выделяют азотные соединения, которые используют растения. От растений бактерии получают углеводы и минеральные соли. Таким образом, между бобовым растением и клубеньковыми бактериями существует тесная связь, полезная как одному, так и другому организму. Это явление называется симбиоз (от греческого слова симбиозис — «совместная жизнь»).