Биогеохимическая деятельность микроорганизмов

Помимо разрушающей горные породы деятельности, микроорганизмы участвуют и в образовании ряда веществ, отлагавшихся в предыдущие геологические эпохи и откладывающихся в настоящее время.

Горючие ископаемые делятся на две большие группы: гумусовые и сапропелевые (битуминозные). К гумусовым относятся, помимо перегноя почвы, торф, бурый уголь, каменный уголь и антрацит. К сапропелевым (от греческих слов «сапрос» -- гнилой и «пелос» -- ил) относятся натуральный газ, нефть, асфальты, горный воск и горючие, битуминозные, сланцы. Все перечисленные породы представляют собою остатки растений и частично животных прошлых геологических эпох.

Гумусовые породы образовались из растений, населявших болота, при недостатке кислорода, под влиянием разложения их анаэробными микроорганизмами.

Для образования каменных углей служили вначале одни из первых обитателей суши -- псилофиты и низшие папоротникообразные, а затем высшие папоротникообразные. Для бурых углей материал давали уже голосеменные растения. Наконец, торф образовывался и образуется в настоящее время из остатков высших растений и мхов, главным образом торфяного мха.

Образование гумусовых пород шло в анаэробных условиях. Основными материалами служили клетчатка и лигнин. Клетчатка, как менее стойкое к разложению вещество, разлагалась сильнее, а лигнин значительно медленнее. Так же медленно разлагаются и другие весьма стойкие части клеточных оболочек-- суберин, кутан и некоторые другие вещества. Все они и послужили для образования гумусовых пород.

Сапропелевые породы образовались в несколько иных условиях, чем гумусовые. Сапропель, или гнилой ил, образуется на дне как пресноводных, так и соленых водоемов (морей). Особенно его много в тех морях, где при наличии органических остатков, в отсутствие кислорода воздуха происходит восстановление сульфатов благодаря деятельности сульфатредуцирующих бактерий. Сапропелевые породы образуются из планктонных водорослей и некоторого количества остатков животных организмов. Водоросли не содержат лигнина, а богаты клетчаткой и жироподобными веществами. Поэтому и элементарный состав гумусовых и битуминозных пород различен. У гумусовых пород содержание углерода колеблется от 50 до 90%, а у сапропелевых это отношение более постоянно. Оно меняется в пределах от 75 до 83%. К сапропелевым породам относят нефть, горючие сланцы, асфальт и др.

Самый материал (растения), из которого образовались горючие ископаемые, известен, а также обнаружены и ископаемые бактерии, что лишний раз подтверждает биогенное происхождение каустобиолитов.

Бактерии служат и для разведки нефтяных и газовых месторождений. На основании распределения в подпочвенных слоях бактерии, окисляющих газообразные углеводороды, проводилась микробиологическая разведка нефтяных и газовых месторождении (Г. А. Могилевский, 1938; С. И. Кузнецов, 1947, и др.). Чаще всего исследуют соответствующую микрофлору подпочвенной воды и реже грунтов. Микробиологическая разведка важна тем, что она может быстро обнаружить, имеется ли необходимость проводить в данном месте дорогостоящее глубокое бурение или нет. (6, 148)

Различные микроорганизмы участвуют и в таких геологических процессах как выветривание, почвообразование.

Превращение горной породы в почву происходит в результате одновременно идущих процессов -- выветривания и почвообразования, которые тесно связаны друг с другом. Процесс выветривания часто предшествует процессу почвообразования.

Горные породы и минералы на поверхности Земли под влиянием колебаний температуры, атмосферных осадков, газов, химических и биохимических процессов, связанных с деятельностью живых организмов и других факторов, разрушаются. Процессы разрушения и изменения поверхностных пород земной коры называются выветриванием. В зависимости от факторов, оказывающих влияние на выветривание, различают физическое, химическое и биологическое выветривание.

Схема 2 «Выветривание».

Биологическое выветривание -- это процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под действием растительных и животных организмов и продуктов их жизнедеятельности. Многочисленные микроорганизмы и корни растений в процессе своей жизнедеятельности выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты, которые оказывают разрушающее действие на минералы и горные породы. Так, силикатные бактерии, выделяющие CO2 и органические кислоты, разрушают полевые шпаты и фосфориты, освобождая при этом калий в доступной для растений форме и фосфорную кислоту. Некоторые железобактерии окисляют и разрушают соединения железа. Масляно-кислые и нитрифицирующие микроорганизмы разлагают апатиты и силикаты. Значительную роль в биологическом выветривании играют диатомовые водоросли, которые способствуют выветриванию каолинита и растворению известняков. Установлено значительное воздействие сине-зеленых водорослей и нитрифицирующих бактерий на гранит. При разложении остатков растений и микроорганизмов образуются гуминовые кислоты, которые ускоряют разрушение минералов и горных пород.

В результате выветривания горная порода приобретает ряд новых качеств. Она пропускает и задерживает воду, т. е. становится водопроницаемой и влагоемкой, поглощает различные соединения, в ней появляются элементы минерального питания растений в доступной для них форме, а также накапливается органическое вещество.

Продукты выветривания минералов и горных пород, как правило, не остаются на месте образования, а перемещаются ветром, водой, ледниками. Таким образом, в результате совместного длительного взаимодействия массы материнской горной породы с живыми организмами, продуктами их жизнедеятельности и элементами гидро- и атмосферы происходит превращение горной породы в почву.

В процессе выветривания горная порода превращается вначале в рухляк, а затем в материнскую почвообразующую породу. На продуктах физического и химического выветривания горной породы (рухляке) поселяются микроорганизмы, растения и животные, в результате жизнедеятельности которых происходит накопление органического вещества, а следовательно, и аккумуляция в поверхностных горизонтах горной породы энергии солнечных лучей, важных зольных элементов и азота (азот -- главнейший элемент питания растений, практически не содержится в изверженных горных породах). Заселение поверхности рыхлой горной породы растениями осуществляется постепенно, причем наблюдается последовательная смена одних растительных сообществ другими. Сначала поселяются низшие организмы, среди которых выделяют автотрофные бактерии и микроскопические водоросли. Низшие растения, извлекая из породы труднодоступные элементы и связывая азот, создают условия для поселения новых, более сложных растительных группировок, вплоть до высших. Растения своими корнями извлекают из рухляковой породы необходимые им химические элементы, осуществляют фотосинтез, создают из поглощенных веществ органические соединения и концентрируют их в своих тканях. После отмирания живых организмов часть разложившихся остатков идет на синтез новых сложных органических веществ, которые закрепляются в почве в виде гумусовых веществ, другая часть полностью минерализуется при помощи микроорганизмов и вновь возвращается в окружающую среду в форме минеральных соединений. Последние служат источником пищи и энергии для новых, более сложных микроорганизмов и растений. (12, 45)

3. Условия обитания микроорганизмов в почве и воде

Почва -- среда обитания многочисленных видов микроорганизмов и крупнейший резервуар их в природе. Количество микробов в 1 г почвы измеряется обычно сотнями и тысячами миллионов клеток. Оно варьирует от 200 млн. в глинистой почве до 5 млрд. в черноземной почве. В 1 г пахотного слоя почвы содержится 1-10 млрд. бактерий, а в слое ее толщиной 15 см на площади в 1 га может содержаться от 1 до 5-6 тонн микробной массы. Даже в песках пустынь, где почти отсутствует влага, содержится до 100 000 микробов в 1 г. Численность и видовой состав их в почве зависят от содержания в ней органических веществ и влаги, структуры почвы, способа ее сельскохозяйственной обработки, климатических условий, характера растительного покрова, степени загрязнения почвы отходами хозяйственной деятельности человека и многих других факторов. Состав микрофлоры почвы складывается из различных комбинаций бактерий (сотни и тысячи видов), грибов, простейших и вирусов. Фактически она содержит представителей всех царств жизни -- вирусов, архебактерий, эубактерий и эукариот во всем их многообразии, которое зависит от действия многих факторов. (9, 92)

Самый поверхностный слой почвы содержит ограниченное число микробов из-за действия солнечных лучей и высушивания. Главная масса микробов содержится на глубине 10-20 см, в нижележащих ее горизонтах количество микроорганизмов уменьшается, и на глубине 5-6 метров почва может быть уже стерильной, так как распространению микробов в глубину препятствует высокая поглотительная способность почвы.

Почва постоянно загрязняется различными отбросами, выделениями человека и животных, мертвыми растениями и животными. Огромная роль в процессах самоочищения почвы и в круговороте веществ в природе принадлежит микроорганизмам. В превращении органических веществ, поступающих в почву и образующихся в ней, принимают участие различные группы микробов: гнилостные, нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие и другие.

Патогенные микроорганизмы попадают в почву с испражнениями, мочой, гноем, мокротой, слюной и другими выделениями, с трупами людей и животных, погибших от инфекционных заболеваний. Попадая в почву, значительная часть патогенных микроорганизмов, не образующих спор, рано или поздно погибает. Сроки выживания в почве возбудителей кишечных инфекций (дизентерии, брюшного тифа, холеры), чумы, бруцеллеза, туляремии, туберкулеза широко варьируют и составляют от нескольких часов до нескольких месяцев. Отмирание патогенных бактерий в почве зависит от ряда причин: высушивания; отсутствия необходимых питательных субстратов; действия антибиотических веществ, вырабатываемых почвенными бактериями и грибами; солнечных лучей; бактериофагов и т. п. Значительно дольше в почве сохраняются спорообразующие патогенные бактерии -- аэробные и анаэробные -- возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма (их споры также сохраняются в почве многие годы, а при благоприятных условиях прорастают и бактерии размножаются, поддерживая тем самым свое существование в почве). Поэтому почва играет основную роль в эпидемиологии столбняка, газовой гангрены (особенно в военных условиях) и ботулизма, она является основным резервуаром возбудителей этих заболеваний. (13, 352)

Почва является важнейшим компонентом любого биогеоценоза, а следовательно, и биосферы в целом. Плодородие почвы в значительной мере определяет продуктивность естественных ценозов и агроценозов и, в свою очередь, зависит от жизнедеятельности организмов, ее населяющих.

Основы учения о почве заложены трудами выдающихся русских ученых: В.В. Докучаева, В.И. Вернадского, Б.Б. Полынова, С.П. Костычева, В.Р., Вильямса. В.В. Докучаев определил почву как особое природное тело, развивающееся под влиянием ряда факторов -- материнской породы, климата, рельефа местности, возраста почвообразовательного процесса, а также жизнедеятельности растительных и животных организмов. Он первый обратил внимание на роль микроорганизмов в почвообразовательном процессе.

Современный уровень наших знаний о почве и ее обитателях свидетельствует о главенствующей роли микроорганизмов в процессах минерализации органических веществ, происходящих в почве и определяющих круговорот основных биогенных элементов в природе.

Почва является средой обитания для макро- и микроорганизмов. Для макроорганизмов почва выступает как целостная среда обитания. Для микроорганизмов почву следует рассматривать как сложную гетерогенную систему микросред с резко различными условиями обитания в каждом отдельном микролокусе. Так, микроорганизмы, поселяющиеся на поверхности почвенных агрегатов и внутри их, развиваются в совершенно разных условиях по доступности компонентов питательного субстрата, аэрации, влажности, температуры, pН и т. д.

Подавляющая масса микроорганизмов почвы (до 80--90%) находится в адсорбированном состоянии на поверхности почвенных агрегатов, корней растений или веществах органического опада. Лишь незначительное число микроорганизмов переходит в почвенный раствор. Большая часть микроорганизмов пребывает в почве в неактивном состоянии -- в виде эндоспор, микроцист, покоящихся вегетативных клеток. Вся масса микроорганизмов составляет так называемый пул почвы или ее микробный запас. Роль пула почвы заключается в поддержании гомеостаза -- равновесного состояния данного микролокуса по содержанию органических и минеральных веществ, гумуса, физиологически активных веществ, разлагающихся минералов и т. п. В свою очередь, микробный пул почвы характеризуется поступлением в нее продуктов органического опада, корневыми выделениями растений, наличием гумусовых веществ. Таким образом, почва, как среда обитания, оказывает селекционирующее влияние на ее микрофлору, а микробный пул почвы со своей стороны обладает сильным средообразующим действием.

Структура каждого микролокуса почвы гетерогенна и включает три фазы: твердую, жидкую и газообразную.

Твердая фаза почвы представлена в основном минеральными компонентами, а также органическими соединениями.

На твердой фазе почвы адсорбирована основная масса микроорганизмов. Адсорбированное состояние обеспечивает микроорганизмам непосредственный контакт с питательным субстратом, предотвращает их вымывание, повышает устойчивость к неблагоприятным условиям среды.

Жидкую фазу почвы составляет почвенный раствор, поднимающийся по капиллярам. Из почвенного раствора микроорганизмы усваивают воду и питательные вещества. В клетках большинства микроорганизмов осмотическое давление составляет 3 -- 5 мПа, т. е. значительно выше, нежели в почвенном растворе (0,5*105 - 5*105 Па), при среднем значении влажности почвы 40-- 60% от полной влагоемкости.

Содержание воздуха в почве зависит от ее структуры и влажности. Газовый состав почвенного воздуха существенно отличается от атмосферного. В нем содержится значительно больше CO2 -- от 0,1 до 1,5% (в атмосфере 0,03% CO2) и относительно меньше кислорода -- от 2 до 16% (в атмосфере 21% O2). Содержание CO2 и O2 в почвенном воздухе определяет соотношение аэробных и анаэробных форм микроорганизмов в структуре микробоценоза. (1, 150)

Микробиологические процессы, происходящие в почве, оказывают существенное влияние на газовый состав атмосферы. В процессах минерализации органических веществ, осуществляемых почвенной микрофлорой, в атмосферу выделяются CO2, оксид углерода (II), метан, водород, азот, оксиды азота (I и II), сероводород, а из атмосферы в почву поступает кислород.

Из внешних факторов окружающей среды на развитие почвенной микрофлоры влияют температура, кислотность почвенного раствора, степень засоления, механический состав почвы и др.

В почве выделяют различные группы микрофлоры.

Схема 3 «Микрофлора почвы».

Сапрофитные микроорганизмы, ведущие процессы минерализации веществ органического опада, С.Н. Виноградский предложил назвать зимогенной микрофлорой.

Микроорганизмы, разлагающие гумус почвы, С.Н. Виноградским названы автохтонной микрофлорой.

Микроорганизмы, развивающиеся за счет минимальных концентраций органических веществ, завершающие минерализацию органического опада в почве, получили название олиготрофной микрофлоры. Среди этой группы микроорганизмов выделяются олигонитрофилы, нуждающиеся в минимальной концентрации органических азотсодержащих веществ, и олигокарбофилы, потребляющие остаточные органические углеродсодержащие соединения. Олиготрофные микроорганизмы Г.А. Заварзиным трактуются как «микрофлора рассеяния». Эта группа микроорганизмов до сего времени слабо изучена. Очевидно, в ее состав входят различные специфические виды сапрофитных микроорганизмов, способные развиваться на очень бедных органических субстратах.

Микроорганизмы, потребляющие в качестве источника углерода CO2 или карбонаты и получающие энергию за счет реакций окисления минеральных соединений, объединены в группу автотрофной микрофлоры.

Для боле глубокого понимания роли почвенных микроорганизмов в процессах трансформации основных биогенных элементов в природе рассмотрим структуру микробоценоза. Процесс разложения веществ органического опада, поступающего в почву, начинает зимогенная микрофлора, представленная различными сапрофитными микроорганизмами. На первых этапах минерализацию легко доступных органических соединений ведут неспорообразующие бактерии родов Pseudomonas, Proteus и др. Дальнейший процесс глубокой минерализации органических веществ сопровождается сукцессией микроорганизмов. На смену неспорообразующим бактериям приходят различные виды бацилл (Bacillus subtilis, Bac. mesentericus и др.)

Частично продукты растительного и животного опада, а также микробные метаболиты превращаются в перегной, который постепенно минерализуется автохтонной микрофлорой. Последняя представляет собой специфическую подгруппу сапрофитных микроорганизмов, обладающих более мощным ферментативным аппаратом, способным окислять сложные циклические соединения. К таким микроорганизмам прежде всего относятся актиномицеты и проактиномицеты. Последние представлены различными видами рода Nocardia, образующими краснопигментные колонии.

Конечные этапы минерализации остаточных продуктов распада органических веществ и гумуса в минимальной концентрации осуществляют олиготрофные микроорганизмы. Эта группа микроорганизмов также тесно связана с типичными сапрофитами и, возможно, включает ряд специфических видов сапрофитных микроорганизмов, приспособившихся к развитию на бедных субстратах.

Неорганические соединения (NH3, H2S, Н2 др.), образующиеся при минерализации органических веществ, трансформируются в процессе жизнедеятельности автотрофных микроорганизмов. Последние используют минеральные соединения как источники энергии, окисляя их в реакциях энергетического метаболизма клетки.

Соотношение вышеперечисленных группировок микроорганизмов и определяет характерную структуру микробоценоза каждого зонального типа почвы. При составлении микробиологической характеристики почвы необходимо учитывать неравномерность распределения микроорганизмов в почвенных микролокусах, высокую динамичность численности и качественного состава почвенной микрофлоры, а также недостаточную разработанность систематики и идентификации большинства видов почвенных микроорганизмов. (16, 137)

Вода, как и почва, является естественной средой обитания для многих видов микроорганизмов всех царств жизни. Разнообразные микроорганизмы обитают как в воде открытых водоемов, так и в грунтовых водах: палочки, кокки, вибрионы, спириллы, спирохеты, различные фотосинтезирующие бактерии, грибы, простейшие, вирусы и плазмиды. Многие виды галофильных бактерий обитают в морских водах. Численность микроорганизмов в воде определяется главным образом содержанием в ней органических веществ, которые под влиянием микроорганизмов подвергаются совершенно таким же превращениям, как и в почве. В 1 мл воды количество микробов может превышать несколько миллионов. Грунтовые подземные воды чище, так как, просачиваясь через почву, вода подвергается своеобразной фильтрации, в результате которой большинство микробов задерживается в фильтрующем слое. Численность микроорганизмов в воде открытых водоемов подвержена колебаниям и зависит от климатических условий, времени года, а главным образом, от степени загрязнения рек, озер и морей сточными и канализационными водами и отходами промышленных, агропромышленных и других предприятий. В реки, озера, моря из прибрежных городов и других населенных пунктов выбрасывается такое количество сточных вод, несущих мириады микробов и содержащих огромное количество органических веществ, что вода не успевает самоочищаться. В результате возникла и сохраняется серьезная глобальная экологическая проблема.

По степени микробного загрязнения различают три категории воды (или зоны водоема):

1. Полисапробная зона -- наиболее сильно загрязненная вода, бедная кислородом, богатая органическими веществами. В 1 мл воды содержание микроорганизмов достигает 1 млн. и более, преобладают E.coli и анаэробные бактерии, вызывающие процессы гниения и брожения.

2. Мезосапробная зона -- вода, загрязненная умеренно, в ней активно происходит минерализация органических веществ с интенсивными процессами окисления и нитрификации. Содержание микроорганизмов в 1 мл воды -- сотни тысяч бактерий, количество E.coli значительно меньше.

3. Олигосапробная зона -- зона чистой воды, количество микроорганизмов в 1 мл воды -- десятки или сотни, не более; E.coli отсутствует или встречается в количестве нескольких клеток на 1 л воды.

Питьевая вода считается хорошей, если общее количество бактерий в 1 мл -- не более 100; сомнительной -- 100 - 150; загрязненной -- если содержание бактерий в 1 мл 500 и более.

Количество микроорганизмов в придонном слое ила озер и рек варьирует в пределах от 100 до 400 млн. на 1 г. (13, 220 )

4. Использование знаний о биогеохимической деятельности микроорганизмов на уроках биологии

На современном этапе развития главная цель, стоящая перед школьным образованием, и в том числе перед биологическим, - подготовка культурного, высокообразованного человека, творческой личности. Решение этой глобальной задачи направлено на возрождение духовных, нравственных традиций, приобщение учеников к культуре, созданной за тысячелетнюю историю человечества, формирование нового стиля мышления - биоцентрического, без которого невозможно сохранение жизни в биосфере.

Биология вносит существенный вклад в формирование у школьников научной картины мира, здорового образа жизни, гигиенических норм и правил, экологической грамотности; в подготовку молодежи к трудовой деятельности в области медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, рационального природопользования и охраны природы. (3,6)

Содержание биологического образования включает знания об уровне организации и эволюции живой природы; биоразнообразии; обмене веществ и превращении энергии; размножении и индивидуальном развитии организмов, их связях со средой обитания и приспособленности к ней; об организме, его биологической природе и социальной сущности; санитарно-гигиенических нормах и правилах здорового образа жизни. (4,6)

Реализация этих задач осуществляется через программы и учебно-методические образования. В настоящее время существует несколько учебно-методических комплектов по биологии. Учитель может выбрать один из них с учетом особенностей регионов, уровня подготовки учащихся, специализации обучения в школе.

Именно от выбора программы зависит, в какой последовательности и как глубоко учащиеся будут изучать материал.

По программе Сивоглазова В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. в книге для учителя «Биология: общие закономерности» тема «Биогеохимическая деятельность микроорганизмов» не рассматривается как самостоятельная на отдельном уроке, а является составной частью других тем. Например, на уроке по теме «Значение прокариот в биоценозах, их экологическая роль» изучаются такие вопросы, как участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле; роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле, а также участие бактерий в круговороте важнейших элементов. На уроке по теме «Круговорот веществ в природе» наряду с другими вопросами рассматривается деятельность азотфиксирующих бактерий, благодаря которым атмосферный азот включается в круговорот, а также рассматривается деятельность микроорганизмов, участвующих в круговороте углерода, серы.

Рассмотрим эти уроки более подробно.

Тема: «ЗНАЧЕНИЕ ПРОКАРИОТ В БИОЦЕНОЗАХ, ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ».

Опорные точки урока

Бактерии как примитивные формы жизни, обитающие повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах, во всех географических областях Земли

Участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле

Роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле

Участие бактерий в круговороте важнейших элементов

Болезнетворные бактерии, их роль в дикой природе и в цивилизованном обществе

Бактерии и пищевая промышленность

Роль бактерий в природе и в жизни человека

1..... 3..... 5.....

2..... 4..... 6

Колоссальную роль в биосфере играют бактерии, заселившие гидросферу, атмосферу в наибольшей степени, - литосферу. Быстрота их размножения и жизнедеятельность влияет на круговорот веществ в биосфере.

Основные положения

1. В биосфере совершается постоянный круговорот активных элементов, переходящих из организма в организм, в неживую природу и снова в организм. Главную роль в этом процессе играют бактерии гниения.

2. Прокариоты в силу своей способности к быстрому размножению обладают громадной генетической изменчивостью и приспособляемостью. По способу питания и использованию энергии различают несколько групп бактерии.

3. Приспособленность каждой группы бактерий к особым условиям среды (узкая специализация жизнедеятельности) приводит к тому, что одни бактерии сменяются другими в одной и той же среде. Например, в почве гнилостные бактерии разлагают органические остатки, выделяя аммиак, который другие бактерии превращают в азотистую, а затем в азотную кислоту. Величайший процесс в биосфере, осуществляемый бактериями, -- разложение при гниении всех мертвых тел всех обитателей Земли.

Справка

Вода, в 1 мл которой содержится 10 бактерий, остается на вид прозрачной, не замутненной.

Вопрос для размышления. Почему Л. Пастер назвал бактерии «великими могильщиками природы»?

Вопросы и задания для повторения.

1. Под действием каких организмов происходит полное разложение органического вещества отмерших особей на нашей планете?

2. Влияние каких экологических факторов может способствовать уничтожению бактерий?

3. Почему загрязнение почвы нефтепродуктами резко отрицательно скажется на состоянии всего биогеоценоза?

4. Почему бактерии относятся к группе: редуцентов в любом биогеоценозе?

5. Каким образом болезнетворные бактерии могут влиять на состояние макроорганизма (хозяина)?

6. В каких случаях в водоемах может наблюдаться массовое размножение синезелёных? К чему это может привести?

Информация для учителя

Бактерии и цианеи (синезеленые) распространены повсюду. Споры бактерий залетают на высоту 20 км, анаэробные бактерии проникают в земную кору на глубину свыше 3 км.

Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре -- 253°С. В одном грамме бактерий свыше 600 млрд. особей. Количество бактерий в одном грамме почвы измеряется сотнями миллионов.

Дополнительное задание

Напишите реферат на тему: «Неделя без бактерий на Земле».

Тема: «КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ»

Задачи:

1. Использовать знания учащихся о химическом составе живых организмов для формирования представлений о главной функции биосферы - обеспечении круговорота химических элементов.

2. Показать необходимость знаний о биогенной миграции атомов.

Опорные точки урока

Биогенная миграция атомов

Метаболизм Рост Размножение

Автотрофы

Гетеротрофы

Хемотрофы

Роль биосферных циклов для существования биосферы

Подведите учащихся к выводам:

1. Количество вещества, вовлекаемого в биосферные процессы, остается постоянным на протяжении целых геологических периодов.

2. Совершается многократный круговорот веществ, входящих в состав живых организмов.

3. В биосферу из вне постоянно вливается поток солнечной энергии.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов…

Основные положения

1. Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.

2. Углерод входит в состав разнообразных органический веществ, из которых состоит все живое.

3. Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями.

4. Сера входит в состав ряда аминокислот и представляет собой жизненно важный элемент.

Вопросы и задания для повторения:

1. В чем заключается главная функция биосферы?

2. Расскажите о круговороте воды в природе.

3. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?

4. Каким путем связанный углерод вновь возвращается в атмосферу?

5. Опишите круговорот азота в природе.

6. Какую роль играют микроорганизмы в круговороте серы?

7. Как деятельность человека влияет на круговорот серы, фосфора?

Вопрос для обсуждения

В чем заключается влияние изменение компонентов атмосферы, литосферы и гидросферы на гомеостаз биосферы в целом?

Прикладные аспекты

1. Каким образом живые организмы влияют на круговорот воды и других веществ и элементов?

2. В чем заключается влияние человеческой деятельности на глобальные круговороты веществ в биосфере? Проиллюстрируйте ответ примерами.

Дано утверждение: «Только на основании неоднократного использования элементов и потребления чистой солнечной энергии человечество обеспечит себе устойчивое развитие».

Как вы понимаете такое утверждение? Составьте план ответа.

Информация для учителя

1. Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского утверждает биогенное происхождение всей земной поверхности, свидетельствует о том, что жизнь -- созидающая сила на планете. Серьезные нарушения этой силы, в том числе уничтожение видов, могут привести к непредсказуемым последствиям.

2. Закон однонаправленности потока энергии. Поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам и консультантам) поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (не более 0,24%), говорить о «круговороте энергии» нельзя.

3. Закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского. При всей разнокачественности живых организмов они настолько физико-химически сходны, что вредное для одних из них не может быть абсолютно безразлично для других.

В классе с высоким уровнем подготовленности учащихся можно обсудить и записать в тетрадь «Принципы функционирования экосистем» (по Нобелу):

1. Использование ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов.

2. Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

3. На конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

Заключение

Микроорганизмы, благодаря легкости их расселения по воздуху и воде, распространены по всей биосфере, и вследствие их чрезвычайно высокой метаболической активности они играют главную роль в химических превращениях, которые происходят на поверхности Земли. Возможность жизни на нашей планете определяется непрерывно протекающим круговоротом основных элементов (углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, серы и др.). Ведущая роль в процессах трансформации этих элементов принадлежит микроорганизмам.

В большинстве случаев определенное вещество субстрата перерабатывается определенной группой микроорганизмов, которая называется физиологической. Например, разрушение клетчатки ведут клетчаткоразрушающие бактерии, окисление солей аммония до нитритов и нитратов - нитрифицирующие бактерии, процессы минерализации органических азотсодержащих веществ с выделением аммиака - аммонифицирующие бактерии и т.д.

Также велика роль микроорганизмов как разрушителей горных пород и создателей горючих ископаемых -- каменного угля, торфа, сапропелей, нефти. Разрушение горных пород идет постепенно и одновременно создается почвенный перегной - гумус в результате разложения органического вещества микроорганизмами.

Различные микроорганизмы участвуют и в таких геологических процессах как выветривание и почвообразование. В результате биологического выветривания происходит механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием растительных и животных организмов и продуктов их жизнедеятельности. В процессе выветривания горная порода превращается в рухляк, на котором поселяются микроорганизмы, растения и животные, в результате их жизнедеятельности происходит накопление органического вещества, а, следовательно, образование почвы.

Почва является средой обитания для многих микроорганизмов, которые участвуют в процессах минерализации органических веществ и определяют круговорот основных биогенных элементов в природе. В превращении органических веществ, поступающих в почву и образующихся в ней, принимают участие различные группы микробов: гнилостные, нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие и другие.

Вода, как и почва, является естественной средой обитания для многих видов микроорганизмов всех царств жизни.

Таким образом, биогеохимическая деятельности микроорганизмов очень разнообразна и играет важную роль в природе и жизни человека. По-видимому, в природе нет таких органических веществ, которые не разрушались бы теми или иными микроорганизмами.

Материал о биогеохимической деятельности микроорганизмов в небольшом объеме изучается в школе в курсе общей биологии, но эта тема не рассматривается как самостоятельная, а является составной частью других тем. Например, это такие уроки как «Значение прокариот в биоценозах, их экологическая роль» или «Круговорот веществ в природе».

Библиографический список

1. Бабьев И.П., Зенова Т.М Биология почв. - М.: Изд-во Моск. университета, 1989.

2. Биология в школе 2000г. №6.

3. Биология в школе 2000г. №7.

4. Биология в школе 2001г. №6.

5. Биология в школе 2002г. №7.

6. Генкель П.А. Микробиология с основами вирусологии. - М.: Просвещение, 1974.

7. Голлербах М.М. Водоросли, их строение, жизнь и значение. - М.: 1951.

8. Гусев М.В. Микробиология. - М.: Издательский центр «Академия», 2003.

9. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. - М.: ВЛАДОС, 2001.

10. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. - М.: Наука, 1990.

11. Ежов Г.И. Руководство к практическим занятиям по сельскохозяйственной микробиологии. - М.: Высш. школа, 1981.

12. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. - М.: Наука,1985.

13. Коротяев А.И., Бабичев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. - СПб.: «Специальная литература», 1998.

14. Красильников Н.А. Микроорганизмы почвы и высшие растения. - М.: 1958.

15. Лебедева М.Н. Микробиология. - М.: «Медицина», 1969.

16. Лукомская К.А. Микробиология с основами вирусологии. - М.: Просвещение, 1987.

17. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. - М.: «Колос», 1970.

18. Мишустин Е.Н., Шильникова В.К. Биологическая фиксация атмосферного азота. - М.: «Наука», 1968.

19. Панкратова А.Я. Микробиология. - М.: «Колос», 1971.

20. Сивоглазов В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. Биология: общие закономерности: Книга для учителя. - М.: Школа-Пресс,1996.

21. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. - М.: «Колос», 1972.

22. Шлегель Т. Общая микробиология. - М.: «Мир», 1972.

Страницы: 1, 2