Скачать презентацию Лекция 1 Введение в экологию микроорганизмов по Скачать презентацию Лекция 1 Введение в экологию микроорганизмов по

Лекция 1 ЭМ.ppt

  • Количество слайдов: 45

Лекция № 1 «Введение в экологию микроорганизмов» по дисциплине «Экология микроорганизмов» 1 Лекция № 1 «Введение в экологию микроорганизмов» по дисциплине «Экология микроорганизмов» 1

План лекции n n n n Предмет экологии Общие задачи экологии Определение микробной экологии План лекции n n n n Предмет экологии Общие задачи экологии Определение микробной экологии Исторический аспект Разделы экологии микроорганизмов: ¨ Аутэкология; ¨ Демэкология; ¨ Синэкология; ¨ Понятие об экосистемах (биогеоценозах) Молекулярная экология микроорганизмов Средообразующие функции живого вещества 2

Предмет экологии — совокупность связей между организмом и средой Экология — наука изучающая взаимодействия Предмет экологии — совокупность связей между организмом и средой Экология — наука изучающая взаимодействия организмов с окружающей средой и друг с другом. Сюда относятся и все условия существования, как неорганические условия — климат, неорганическая пища, состав воды, почвы и т. д. , так и органические — общие отношения организмов ко всем остальным организмам. n 3

Общие задачи экологии Исследование закономерностей организации жизни в связи с антропогенными воздействиями на природную Общие задачи экологии Исследование закономерностей организации жизни в связи с антропогенными воздействиями на природную систему и биосферу. n Создание научной основы рациональной эксплуатации биологических ресурсов. n Прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека. n Управление процессами, протекающими в биосфере. n Сохранение среды обитания человека. n Регуляция численности популяции. n Разработка систем мероприятий по экологической индикации загрязнения природной среды. n Восстановление нарушенных природных систем. n Сохранение заповедных участков биосферы. n Создание устойчивого развития общества. n 4

Экология как наука решает следующие задачи изучает принципы и законы, определяющие типы объединения организмов, Экология как наука решает следующие задачи изучает принципы и законы, определяющие типы объединения организмов, динамику популяций и биогеоценозов во времени и пространстве n исследует закономерности взаимоотношений различных групп организмов с факторами окружающей среды, влияние организмов и их комплексов на среду обитания с целью выяснить механизмы преобразования популяций n изучает характер распределения растений и животных на планете, потоки вещества и энергии через отдельные трофические уровни и закономерности функционирования экосистем и биосферы в целом n разрабатывает основы для рациональной эксплуатации биологических ресурсов, прогнозирует изменения природы в связи с деятельностью человека, дает рекомендации по управлению процессами, протекающими в природе n 5

Экология как наука решает следующие задачи разрабатывает биологические меры борьбы с сорняками и вредителями Экология как наука решает следующие задачи разрабатывает биологические меры борьбы с сорняками и вредителями в связи со снижением эффективности инсектицидов и гербицидов и загрязнением ими природной среды n изучает возможности создания безотходных технологий на промышленных предприятиях: рекомендует внедрять соответствующие системы для переработки отходов производства, например, путем создания систем оборотного водопотребления в процессе которого промышленные воды отстаиваются, очищаются и возвращаются в технологическую цепь, либо для исключения или сокращения технологических процессов, приводящих к образованию основного количества отходов n Таким образом, главная теоретическая и практическая задача экологии заключается в том, чтобы вскрыть закономерности биологических процессов и научиться управлять ими в условиях все возрастающего влияния человека на окружающую среду. n 6

Общая экология Аутэкология (греч. Синэколо гия — autos – сам) – раздел Демэколо гия Общая экология Аутэкология (греч. Синэколо гия — autos – сам) – раздел Демэколо гия (от др. греч. δῆμος — раздел экологии, изучающий народ), экология популяций — раздел изучающий действие различных общей экологии, изучающий динамику взаимоотношения абиотических численности популяций, (физических и внутрипопуляционные группировки и их организмов различных видов внутри химических) факторов взаимоотношения сообщества организмов среды на организмы 7

Определение микробной экологии n n n Термин «экология» ввел в научный обиход Эрнст Геккель Определение микробной экологии n n n Термин «экология» ввел в научный обиход Эрнст Геккель в 1866 г. для обозначения изучения взаимодействий организма и среды Экология (греч. ойкос – дом, жилище, домашнее хозяйство) – раздел биологии, наука о взаимосвязях между организмами и окружающей их средой, о круговороте веществ и потоках энергии, делающих возможной жизнь на Земле. Экология связывает между собой различные области естествознания. В понятие «организмы» включаются микроорганизмы, растения, животные и человек (Гончарова, 1993). Экология микроорганизмов представляет собой синтетическую дисциплину, предполагающую знакомство с основами физиологии и биохимии микроорганизмов, кинетики их роста, условиями обитания, деятельностью их в природе. 8

Отличия микробной экологии от экологии животных или растений: 1) специфичностью и разнообразием химической деятельности Отличия микробной экологии от экологии животных или растений: 1) специфичностью и разнообразием химической деятельности микроорганизмов при исключительно осмотрофном питании бактерий n 2) непосредственным взаимодействием микроорганизмов с геосферой n 3) первичностью в истории Земли n 9

Исторический аспект С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную. Кроме Исторический аспект С точки зрения фактора времени экология дифференцируется на историческую и эволюционную. Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования, т. е. различают экологию животных, экологию растений и экологию микроорганизмов. n Экология своими корнями уходит в далекое прошлое. Потребность в знаниях, определяющих «отношение живого к окружающей его органической и неорганической среде» , возникла очень давно. n Достаточно вспомнить труды Аристотеля (384 322 г до н. э. ), Плиния Старшего (23 79 г н. э. ), в которых обсуждалось значение среды обитания в жизни организмов. n 10

Исторический аспект Микроорганизмы часто рассматриваются в качестве первых обитателей Земли. n Хотя термин «экология Исторический аспект Микроорганизмы часто рассматриваются в качестве первых обитателей Земли. n Хотя термин «экология микроорганизмов» ( «микробная экология» ) стали широко использоваться в 60 х г. 20 века, экологически ориентированные работы с микроорганизмами проводили уже давно. n Впервые за живыми микроорганизмами наблюдал под микроскопом, увидел и описал А. Левенгук в 1776 г голландский естествоиспытатель, пытался изучать действие на них различных факторов, например выявил действие перца на микробы. n Антони ван Левенгук (1632 1723) 11

Луи Пастер - основоположник научного подхода в микробиологии Луи Пастер основоположник научного подхода в Луи Пастер - основоположник научного подхода в микробиологии Луи Пастер основоположник научного подхода в микробиологии. n С его именем связаны исследования процессов брожения и концепция анаэробиоза; n изобретение пастеризации; n блистательное экспериментальное решение проблемы о самозарождении. n Идея о микроорганизмах как деструкторах органического вещества в природе фактически была предтечей возникновения микробной экологии. n Луи Пастер (1822 1895) 12

Датой рождения науки ЭМО считают конец 19 – начало 20 в. и связывают с Датой рождения науки ЭМО считают конец 19 – начало 20 в. и связывают с работами С. Н. Виноградского и М. Бейеринка Для выделения в лабораторных условиях группы бактерий с определенными свойствами С. Н. Виноградский предложил создавать специфические (элективные) условия, дающие возможность преимущественного развития данной группы организмов. n В 1893 г. им был выделен из почвы анаэробный азотфиксатор Clostridium pasteurianum. n 13

Микроэкологический принцип был успешно развит М. Бейеринком и применен при выделении различных групп микроорганизмов Микроэкологический принцип был успешно развит М. Бейеринком и применен при выделении различных групп микроорганизмов В частности, обнаружил в почве еще один вид бактерий, способных к росту и азотфиксации в аэробных условиях, — Azotobacter chroococcum, исследовал физиологию клубеньковых бактерий, изучал процессы денитрификации и сульфатредукции, ферменты разных групп микроорганизмов. 14

Экологическое направление микробиологии n С. Н. Виноградский и М. Бейеринк являются основоположниками экологического направления Экологическое направление микробиологии n С. Н. Виноградский и М. Бейеринк являются основоположниками экологического направления микробиологии, связанного с изучением роли микроорганизмов в природных условиях и участием их в круговороте веществ в природе. n Принцип, разработанный Виноградским С. Н. и Бейеринком М. ( «принцип элективных культур» ) используются в настоящее время для выделения микробов с особыми потребностями в источниках питания или в экстремальных условиях. 15

Изучение процессов метаболизма Василий Леонидович Омелянский академик, самый близкий ученик Виноградского. n Омелянский принимал Изучение процессов метаболизма Василий Леонидович Омелянский академик, самый близкий ученик Виноградского. n Омелянский принимал активное участие в работах Виноградского по нитрифицирующим и азотфиксирующим бактериям, а его исследования анаэробного разложения целлюлозы признаны классическими. n Процессы нитрификации, азотофиксации, разложения клетчатки занимают ключевое положение в микробиологии почвы. n Проблемы почвенной и геологической микробиологии до конца жизни волновали Омелянского. Его книги «Основы микробиологии» (1909) и «Практическое руководство по микробиологии» (1922) способствовали формированию нескольких поколений советских микробиологов. n Омелянский Василий Леонидович (1867 1928) 16

Основные тенденции последующего развития микробиологии Последующее развитие микробиологии было связано с постоянным выделением микроорганизмов Основные тенденции последующего развития микробиологии Последующее развитие микробиологии было связано с постоянным выделением микроорганизмов из их природных местообитаний, определением метаболического потенциала и изучением их роли в биогеохимических циклах азота и серы. n МО продемонстрировали огромное разнообразие форм и мест заселений, включая экстремальные. n Тот факт, что в пробах, взятых в природе, почти никогда не находят МО в виде чистых культур, позволили сделать вывод о взаимодействии микробных популяций друг с другом и микроокружением, с его быстро изменяющимися физико химическими параметрами. n 17

Основные тенденции последующего развития микробиологии В 1877 г. французские химики Т. Шлезинг и А. Основные тенденции последующего развития микробиологии В 1877 г. французские химики Т. Шлезинг и А. Мюнц доказали микробиологическую природу процесса нитрификации n В 1882 г. П. Дегерен обнаружил аналогичную природу процесса денитрификации, а двумя годами позднее он же установил микробиологическую природу анаэробного разложения растительных остатков n М. С. Воронин в 1867 г. описал клубеньковые бактерии, а спустя почти двадцать лет Г. Гельригель и Г. Вильфарт показали их способность к азотофиксации n 18

Исследование физиологии и биохимии микроорганизмов Главная область исследований С. П. Костычева – физиология и Исследование физиологии и биохимии микроорганизмов Главная область исследований С. П. Костычева – физиология и биохимия микроорганизмов (дыхание и брожение, выделение кислот, азотофиксация), но ему принадлежат и важные работы в почвенной микробиологии, продолжающие исследования С. Н. Виноградского. n Будучи директором Всесоюзного института сельскохозяйственной микробиологии, Костычев руководил обширными исследованиями по учету почвенных микробов, охватывающими значительную часть территории СССРП. n Костычев создал теорию микробиологической природы процессов почвообразования. n Костычев Сергей Павлович (1877 1931) 19

Дальнейшее развитие экологии МО Н. Г. Холодный академик АН УССР, крупный ботаник и микробиолог. Дальнейшее развитие экологии МО Н. Г. Холодный академик АН УССР, крупный ботаник и микробиолог. Сфера его интересов широка: от фитогормонов до возникновения жизни и философии космизма: n изучение железобактерий, окисляющих Fe 2+ и имеющих большое значение в круговороте железа n работы по микробиологии почвы n оригинальные разработки методик исследования ( «стекла обрастания» , «почвенные камеры» ) n Совместно с Б. В. Перфильевым метода капилляров с плоскопараллельными стенками. n Николай Григорьевич Холодный (1882 1953) 20

Дальнейшее развитие экологии МО Исследование популяций и взаимоотношений популяций в их экологических нишах, например Дальнейшее развитие экологии МО Исследование популяций и взаимоотношений популяций в их экологических нишах, например микробиология рубца жвачных животных (Р. Хангейт). n Исследование микробных сообществ в составе биоплёнок (К. Зобэлл, М. Андерсон). n 21

Задачи, решаемые прикладной экологией микроорганизмов защиты микробных популяций и биоценозов, принимающих участие в поддержании Задачи, решаемые прикладной экологией микроорганизмов защиты микробных популяций и биоценозов, принимающих участие в поддержании экологического баланса (азотфиксирующих, аммонифицирующих, нитрифицирующих и др. ), от неблагоприятного воздействия хозяйственной деятельности человека; n предупреждения микробной деградации живой и неживой природы и различных антропогенных материалов (напр. , профилактика болезней людей, животных, растений, сохранение продовольственных товаров, промышленных материалов и др. ); n микробного синтеза необходимых человеческому обществу материалов и веществ (напр. , синтез микробного белка); n защиты биосферы Земли от искусственных мутантов и заноса жизни из космоса и выноса жизни с Земли в космос; n коллекционирования к р в целях сохранения генетического фонда. n 22

Разделы экологии микроорганизмов. Аутэкология (от англ. «aut» внешний) – изучает особенности взаимодействия микроорганизмов с Разделы экологии микроорганизмов. Аутэкология (от англ. «aut» внешний) – изучает особенности взаимодействия микроорганизмов с разнообразными абиотическими факторами среды обитания, определяет пределы устойчивости и предпочтения вида по отношению к различным экологическим факторам n 23

Абиотические факторы Физические • • земное тяготение магнитные поля видимый свет ультрафиолет ионизирующие излучения Абиотические факторы Физические • • земное тяготение магнитные поля видимый свет ультрафиолет ионизирующие излучения гидростатическое давление температура Химические • • • р. Н (кислотность среды) водная активность молекулярный кислород ионы металлов органические вещества 24

Демэкология (от греч. demos — народ), или экология малых групп раздел экологии микроорганизмов, изучающий Демэкология (от греч. demos — народ), или экология малых групп раздел экологии микроорганизмов, изучающий естественные группировки микроорганизмов одного вида. n В рамках демэкологии выясняются условия, при которых формируются популяции. n Демэкология описывает колебания численности различных видов под воздействием экологических факторов и устанавливает их причины, рассматривает особь не изолированно, а в составе группы таких же особей, занимающих определённую территорию и относящихся к одному виду. n 25

Синэкология (от греч. syn вместе) или экология сообществ – раздел экологии микроорганизмов, изучающий взаимоотношения Синэкология (от греч. syn вместе) или экология сообществ – раздел экологии микроорганизмов, изучающий взаимоотношения популяций и сообществ микроорганизмов с другими формами живого n Часто синэкологию рассматривают как науку о жизни биоценозов, то есть многовидовых сообществ животных, растений и микроорганизмов ¨ Микроорганизмы – микроорганизмы, ¨ Микроорганизмы – простейшие, ¨ Микроорганизмы – беспозвоночные, ¨ Микроорганизмы – позвоночные, ¨ Микроорганизмы – растения. n 26

Биогеоценология учение об экосистемах различного иерархического уровня организации, о взаимосвязанных и взаимодействующих комплексах живой Биогеоценология учение об экосистемах различного иерархического уровня организации, о взаимосвязанных и взаимодействующих комплексах живой и косной природы — биогеоценозах и их планетарной совокупности — биогеосфере. n Зародилась биогеоценология в недрах геоботаники, но впоследствии развивалась на стыке биологической и географической наук, отражая комплексный уровень изучения живой природы. n 27

Молекулярная экология микроорганизмов Традиционные методы изучения микробных сообществ были основаны на классическом микробиологическом принципе, Молекулярная экология микроорганизмов Традиционные методы изучения микробных сообществ были основаны на классическом микробиологическом принципе, требующем обязательного выделения и культивирования на специальных питательных средах в лабораторных условиях чистой культуры микроорганизмов. n В настоящее время выделено около 5000 видов прокариот. n Между тем эксперименты последних лет в области экологии микроорганизмов привели в 2 заключениям – в исходном природном сообществе каждой конкретной экосистемы: n а) культивируемые микроорганизмы составляют лишь незначительную часть, n б) разнообразие культивируемых видов не отражает действительного разнообразия всех микроорганизмов. n 28

Молекулярная экология микроорганизмов Новая стратегия изучения микроорганизмов в природных сообществах – без выделения отдельных Молекулярная экология микроорганизмов Новая стратегия изучения микроорганизмов в природных сообществах – без выделения отдельных микроорганизмов в чистую культуру, на основании анализа отдельных элементов их генетического материала n Методы молекулярной экологии позволяют непосредственно изучать генетическое разнообразие всех представителей определенного природного сообщества n Методология молекулярной экологии развивается благодаря появлению и усовершенствованию методов молекулярной биологии: n гибридизационного анализа, n секвенирования, n молекулярного клонирования, n ПЦР n 29

Особенность молекулярно-генетического подхода Таким образом, в отличие от традиционного микробиологического подхода, молекулярногенетический подход не Особенность молекулярно-генетического подхода Таким образом, в отличие от традиционного микробиологического подхода, молекулярногенетический подход не ограничен обязательным принципом «чистой культуры» , поэтому, хотя полученные с его применением результаты не противоречат сложившимся представлениям о микробном разнообразии, они существенно дополняют и расширяют эти представления. n 30

Значение МО в биосферном круговороте биогенных элементов 31 Значение МО в биосферном круговороте биогенных элементов 31

Средообразующие функции живого вещества Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, свести к нескольким Средообразующие функции живого вещества Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей биосферно геологической роли. n В. И. Вернадский выделял девять функций живого вещества: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановитель ную, концентрационную и другие. n В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены (в соответствии с классификацией А. В. Лапо (1987). n 32

Энергетическая функции живого вещества Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по Энергетическая функции живого вещества Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Эта функция одна из важнейших. n Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических принципах, сформулированных В. И. Вернадским. n В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению n Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию n 33

Газовая функции живого вещества способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и Газовая функции живого вещества способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. n В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т. п. ). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (СО 2) в атмосфере с десятков процентов до современных 0, 03%. n Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам. n 34

Газовая функции живого вещества С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода Газовая функции живого вещества С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. n Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1, 2 млрд. лет назад. n Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового экрана в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой возможна была жизнь). n 35

Окислительно-восстановительная функции живого вещества Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, Окислительно-восстановительная функции живого вещества Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. n Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует. n 36

Концентрационная функции живого вещества – способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, Концентрационная функции живого вещества – способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов в миллионы раз). n Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. n Организмы концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями. n 37

Деструктивная функции живого вещества – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков Деструктивная функции живого вещества – разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и косных веществ n Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ n Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни – грибы, бактерии (деструкторы, редуценты) n 38

Транспортная функции живого вещества n – перенос вещества и энергии в результате активной формы Транспортная функции живого вещества n – перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. n С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). 39

Средообразующая функции живого вещества Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия Средообразующая функции живого вещества Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). С ней в конечном счете связано преобразование физико химических параметров среды. n В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. n В более узком плане средообразующая функция живого вещества проявляется, например, в образовании почв. n 40

Средообразующая функции живого вещества В. И. Вернадский, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым Средообразующая функции живого вещества В. И. Вернадский, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании. n Роль живых организмов в образовании почв убедительно показал Ч. Дарвин в работе «Образование растительного слоя земли деятельностью дождевых червей» . n Известный ученый В. Докучаев назвал почву «зеркалом ландшафта» , подчеркивая тем самым, что она продукт основного ландшафтообразующего элемента биоценозов и, прежде всего, растительного покрова. n 41

Средообразующая функции живого вещества Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется Средообразующая функции живого вещества Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. n Это прежде всего относится к сообществам с большой массой органического вещества (биомассой). n 42

Рассеивающая функция живого вещества противоположная концентрационной функции по результатам n проявляется через трофическую (питательную) Рассеивающая функция живого вещества противоположная концентрационной функции по результатам n проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. n Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. n Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п. n 43

Информационная функция живого вещества выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают Информационная функция живого вещества выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов. n 44

Спасибо за внимание! 45 Спасибо за внимание! 45