Модельные микроэкосистемы

2.2 Модельные микроэкосистемы

Небольшие автономные «миры» или микрокосмы, в бутылях или других сосудах могут имитировать в миниатюре природу различных экосистем. Эти небольшие «миры» можно рассматривать как Микроэкосистемы. Создание небольших, полностью закрытых систем, нуждающихся в лишь одной световой энергии (своеобразные миниатюрные биосферы), - очень сложная задача. Экспериментальные микрокосмы обычно варьируют от частично закрытых систем, в которых происходит газообмен с атмосферой, но не происходит обмена биогенными элементами и организмами, до полностью закрытых систем, включающих сообщества организмов, содержащихся в различных хемостатах и турбидостатах с регулируемым притоком и оттоком биогенных элементов и организмов. В хорошо смоделированных микрокосмах можно наблюдать многие или даже почти все основные функции и трофические структуры природной экосистемы, однако в силу необходимости разнообразие и размеры компонентов таких микрокосмов крайне невелики. Преимущества микроэкосистем для исследователя заключаются в том, что они имеют четкие границы, легко воспроизводимы и удобны для экспериментов. Не следует, однако, думать, что микрокосмы представляют собой копии той или иной конкурентной экосистемы, это всего лишь живые работающие модели (упрощения) природы.

Можно выделить два типа биологических микрокосмов:1) микроэкосистемы, взятые непосредственно из природы путем множественного засева культуральной среды пробами из различных природных местообитаний, и 2) системы, созданные путем сочетания видов, выращенных в «чистых» или аксенических, культурах (свободных от других организмов), пока не получится желаемая комбинация. Системы первого типа – это, в сущности, «демонтированная» или «упрощенная» природа, сведенная к тем микроорганизмам, которые могут длительное время поддерживаться и функционировать в условиях выбранного экспериментатором сосуда, культуральной среды, освещенности и температуры. Такие системы, следовательно, обычно имитируют какие – то определенные природные ситуации. Одна из проблем, возникающая при работе с такими производными экосистемами, состоит в том, что трудно определить их точный видовой состав, особенно состав бактерий (den et al, 1969). Начало использованию в экологии производных или «множественных» систем положили работы Г. Одума и его учеников (H. Odum, Hoskins, 1957; Beyers, 1963).

При втором подходе путем подбора первоначально изолированных и тщательно изученных компонентов создается система с известным составом. Получаемые при этом культуры часто называют гнотобиотическими (этот термин обсуждается в работе Догерти (Dougherty, 1959)), поскольку здесь точно известен состав и даже то, присутствуют или отсутствуют бактерии. Гнотобиотические культуры прежде использовали главным образом для изучения питания, биохимии и других аспектов жизни отдельных видов и штаммов или для изучения взаимодействия двух видов. Однако в последнее время экологи начали экспериментировать с более сложными полиаксеническими культурами в поисках путей построения автономных экосистем (Nixon, 1969; Taub, 1969, 1974).

Эти два противоположных подхода к созданию лабораторных микроэкосистем параллельны двум давно существующим подходам (холистическому и мерологическому) экологов к изучению озер и других больших систем, существующих в природе.

Существует широко распространенное заблуждение относительно «равновесия» в аквариуме с рыбами. Вполне возможно достигнуть некоторого приблизительного равновесия газового и пищевого режима при условии, что в нем мало рыб, а воды и растений много. Еще в 1851 г. Дж. Уорингтон «установил это удивительное и восхитительное равновесие между животным и растительным царствами» в аквариуме объемом 12 галлонов (54,6 л), поселив в нем несколько золотых рыбок, улиток и большое количество валлиснерии (водное растение), а с ними и множество разнообразных микроорганизмов. Уорингтон правильно оценил не только взаимодействие рыб и растений, но и отметил значение детритоядных улиток «в разложении остатков растений и водорослевой слизи», в результате чего «то, что иначе могло бы действовать как ядовитое начало, превращается в плодородную среду для роста растений». Большинство попыток любителей добиваться равновесия в аквариуме терпит неудачу из-за того, что для наличного количества ресурсов в аквариум помещают слишком много рыб (диагноз: элементарный случай перенаселения). Для полного самообеспечения одной рыбе среднего размера требуется много кубических метров воды и организмов, служащих пищей. Поскольку аквариум обычно держат дома, на работе или в школе ради «наблюдения за рыбами», помещая большое число рыб в малом пространстве, необходимо дополнительное питание, аэрация и периодическая очистка аквариума (Одум, 1986).

В данной работе была проведена постановка двух модельных микроэкосистем. В одной системе исследовалось влияние микрофлоры реки Кривая Болда на микробиологический состав садовой почвы. Во второй микроэкосистеме наблюдалось влияние микрофлоры озера Баскунчак на микробиологический состав садовой почвы.

Для постановки модельных микроэкосистем на дно двух высоких цилиндров V = 500 см³ помещалось 100 г. исследуемой почвы и заливалось 1000мл. воды в первом случае взятой из реки Кривая Болда, а во втором – из озера Баскунчак. В том виде экосистемы оставляли на открытом воздухе на 3 недели. По прошествии этого времени со дна цилиндра забирают небольшое количество почвы, просушивают ее на воздухе, затем взвешивают в количестве 1г, которую помещали в пробирку с 10 г. стерильной воды. Производили ряд последовательных разведений:10^-1 -10^-7. Из каждого разведения брали по 1 мл и помещали в высокие стерильные пробирки методом глубинного посева. В полученную культуральную жидкость заливают жидкую среду Виноградского до 3/4 объема.

Данные экосистемы исследовались также на среде Имшенецкого, при этом среда в высокой пробирке, предварительно простерилизованная засевается комочком почвы и помещается в термостат.

Необходимость изучения маслянокислых бактерий в водоемах была очевидной. Обследование разнотипных водоемов с широким спектром гидролого-гидрохимических и продукционных характеристик позволило впервые выявить экологические особенности распределения отдельных видов маслянокислых бактерий. Главными факторами, обуславливающими преимущественное развитие тех или иных бактерий в отложениях, являются концентрация, состав и доступность С_орг - соединений, отражающие трофический статус водоемов.C pasteurianum, сбраживающий простые сахара, доминирует вилах евтрофных озер донных отложений полисапробных зон с максимальным содержанием легкогидролизуемых соединений. C. butyricum и C. felsineum, ферментирующие различные полисахариды, преобладают в мезотрофных озерах и водохранилищах

, грунты которых формируются под влиянием аллохтонного стока и прибрежной растительности. C. acetobutyricum, обладающий способностью усваивать не только углеводы и аминокислоты, но также лигнино – гумусовые соединения, достигает максимума донных отложениях ацидных хтониоевтрофных озер. Таким образом, полученные на обширном материале новые для водной микробиологии сведения неоспоримо свидетельствуют о геохимической значимости маслянокислых бактерий, которые являются важнейшим звеном бактериальных сообществ донных отложений внутренних водоемов разного типа (Дзюбан, 2005).

Глава 3. Результаты исследований

При постановке накопительной культуры, выделении и микроскопировании маслянокислых бактерий получили следующие данные.

Таблица 1

Культуральные признаки маслянокислых бактерий на среде Виноградского

	Степень разведения	Культуральные признаки	Морфологические признаки
Обнаруженные микроорганизмы		10-1	Образовался серый осадок, имеется муть и пленка.
Г+ удлиненные и утолщенные палочки, наблюдаются клостридиальные споры	Clostridium		10-2
Образовался серый осадок, появилась муть.	Г + удлиненные палочки с закругленными концами, образующие плектридиально расположенные споры	Clostridium
10-3	Образовался осадок, имеется муть	Г + удлиненные палочки с закругленными концами, образующие плектридиально расположенные споры	Clostridium
	10-4	Имеется осадок, имеется муть и газ	Г+ цилиндрические палочки с клостридиальными спорами
Clostridium		10-5	Образование осадка, мути и газа
Г+ палочки с закругленными концами со спорой на конце	Clostridium		10-6
Образование осадка, мути и газа	Г+ длинные и толстые палочки с клостридиальными спорами	Clostridium
10-7	Имеется осадок, имеется муть	Г + удлиненные палочки с круглыми концами с плектридиальными спорами	Clostridium
		10-1	Имеется осадок, образовалась муть
Г + удлиненные палочки с закругленными концами, образующие плектридиально расположенные споры	Clostridium		10-2
Образовался газ, осадок серый, имеется муть	Г+ цилиндрические палочки с клостридиально расположенными спорами	Clostridium
10-3	Образовался серый осадок, среда мутная, имеется газ	Г+ палочки с закругленными концами и со спорой на конце	Clostridium
	10-4	Образовался серый осадок, образовался газ, имеется муть	Г+ удлиненные и утолщенные палочки, наблюдаются споры
Clostridium		10-5	Образовался осадок, имеется запах газа, муть
Г+ палочки с клостридиально расположенными спорами	Clostridium		10-6
Образовался серый осадок, имеется муть, образовался газ	Г+ длинные и утолщенные палочки, наблюдаются споры	Clostridium
10-7	Образовался серый осадок и газ, имеется муть		Clostridium

При анализе данной таблицы можно наблюдать, что здесь весьма интенсивно происходили процессы брожения: происходило помутнение среды, образовывался газ, чувствовался сильный запах масляной кислоты, выделился осадок, присутствовала пленка. При культивировании в среде создались анаэробные бактерии, поэтому обнаруженные здесь бактерии относятся к анаэробам и образуют споры.

 

Таблица 2

Культуральные признаки бактерий на среде Имшенецкого

№ пробы	Культуральные признаки	Морфологические признаки	Обнаруженные микроорганизмы
	10-1	Среда зеленого цвета, фильтровальная бумага ослизнилась	Г+ длинные тонкие палочки, наблюдаются круглые споры на конце
Clostridium		2	Среда зеленого цвета, бумага ослизнилась
Г+ палочки со спорой на конце	Clostridium		3
Среда зеленого цвета, бумага ослизнилась	Г + тонкие прямые палочки, образуют споры (в виде барабанной палочки)	Bacillus
4	Среда желтого цвета, бумага ослизнилась	Г + тонкие палочки с круглой спорой на конце	Clostridium
	5	Среда желтого цвета, бумага ослизнилась	Г+ тонкие палочки со спорами на одном конце
Bacillus		6	Среда болотного цвета, бумага ослизнилась
Г + палочки, имеющие споры в виде барабанной палочки	Clostridium		7
Среда желтого цвета, бумага ослизнилась	Г+ тонкие палочки, наблюдаются круглые споры на конце	Clostridium
	1	Среда зеленого цвета, бумага ослизнилась	Г+ тонкие прямые палочки, образующие споры в виде барабанной палочки
Bacillus		2	Среда болотного цвета, бумага ослизнилась
Г+ палочки с закругленным концом и со спорой	Clostridium		3
Среда болотного цвета, бумага ослизнилась	Г+ палочки с закругленным концом и со спорой	Clostridium
4	Среда желтого цвета, бумага ослизнилась	Г- палочка с круглой спорой на конце	Сlostridium
	5	Среда желтого цвета, бумага ослизнилась	Г- палочки с грушевидной спорой на конце
Clostridium		6	Среда желтого цвета, бумага ослизнилась
Г- палочка с округлой спорой на конце	Clostridium		7
Среда желтого цвета, бумага ослизнилась	Г+ палочки со спорами на одном конце	Bacillus

При анализе данной пробы наблюдалось присутствие на среде анаэробных спорообразующих палочек. Заметен интенсивный процесс разрушения клетчатки. Бумага ослизняется в результате образования оксикислот.

Таблица 3.

Культуральные признаки бактерий на картофельной среде

Кол – во повторностей	Культуральные признаки	Морфологические признаки	Обнаруженные микроорганизмы
	1	Цвет среды – светло- зеленый, образовались пузырьки газа, среда мутная	Г - длинные палочки, образующие клостридиально расположенные споры
Clostridium		2	Среда желтая, образовался газ, среда мутная
Г + удлиненные палочки с закругленными концами, имеются плектридиально расположенные споры	Clostridium		3
Среда мутно – желтого цвета, образовался газ	Г+ палочки с круглыми концами, споры плектридиальные	Clostridium
4	Среда желтого цвета, имеется газ, среда мутная	Г+ палочка со спорой на конце	Clostridium
	5	Среда мутная, желтого цвета, образовался газ	Г - палочки с округлыми концами
Clostridium		6	Среда желтого цвета, мутная, образовался газ
Г+ палочки, имеющие споры в виде барабанной палочки	Clostridium		7
Среда желтого цвета, мутная, образовался газ	Г+ палочки с закругленными концами и плектридиально расположенными спорами	Clostridium

При анализе данной пробы можно заметить, что здесь присутствуют анаэробные образующие клостридиальные споры палочки. Интенсивно происходят процессы маслянокислого брожения: помутнение и пожелтение среды, образование пузырьков газа, запах масляной кислоты, образование осадка.

Результаты выделения бактерий из почвы, используемой в микроэкосистеме

	Clostridium		10-4
Образовался газ, осадок серого цвета, муть	Г - длинные тонкие палочки cо спорами	Clostridium
10-5	Образовался газ, осадок серого цвета, среда мутная	Г - короткие изогнутые палочки в цепочках	Clostridium
	10-6	Осадок серого цвета, муть	Г +крупные палочки со спорами на конце
Clostridium		10-7	Осадок серого цвета, муть
Г+ короткие, похожие на кокки палочки со спорами	Clostridium

 

Таблица 4

Система с водой из реки Кривая Болда

Культуральные признаки бактерий на среде Виноградского

Степень разведения	Культуральные признаки	Морфологические признаки	Обнаруженные микроорганизмы
	10-1	Образовался газ, осадок серого цвета, среда мутная	Г - короткие палочки с округлыми концами
Clostridium		10-2	Образовался газ, осадок серого цвета, среда мутная
Г - палочки, образующие клостридиально расположенные споры	Clostridium		10-3
Имеется газ, осадок серого цвета, муть	Г+ длинные тонкие палочки, наблюдаются округлые споры на конце

При анализе данной пробы можно сделать вывод, что на среде присутствуют анаэробные палочки с клостридиально расположенными спорами. Наблюдается помутнение среды, образование осадка, проявление запаха масляной кислоты, пленка не образовалась.

 

Культуральные признаки бактерий на среде Имшенецкого

Таблица 5.	Степень разведения	Культуральные признаки	Морфологические признаки
Обнаруженные микроорганизмы		1	Среда зеленого цвета, бумага ослизняется и разрушается
Г+ палочки цилиндрической формы, образуют клостридиальные споры	Clostridium		2
Среда болотного цвета, бумага ослизнилась	Г - длинные палочки, образующие клостридиально расположенные споры	Clostridium pasteurianum
3	Среда желтого цвета, осадок серого цвета, муть	Г+ палочки с закругленными концами с плектридиальными спорами	Clostridium
	4	Среда зеленого цвета, бумага ослизнилась	Г – длинные тонкие палочки с округлыми спорами
Clostridium		5	Среда зеленого цвета, бумага ослизнилась
Г+ палочка со спорой на конце	Clostridium		6
Среда зеленого цвета, бумага ослизнилась	Г - длинные тонкие палочки с округлыми спорами	Clostridium
7	Среда болотного цвета, бумага ослизнилась	Г - длинные тонкие палочки с округлыми спорами	Clostridium

Анализируя данную пробу, можно заметить, что здесь встречаются анаэробные споровые и бесспоровые палочки. Среда болотного или зеленого цвета. Происходит ослизнение и разрушение бумаги в результате образования оксикислот

 

Система с водой из озера Баскунчак

Культуральные признаки бактерий на среде Виноградского

Таблица 6.	№ пробы	Культуральные признаки	Морфологические признаки
Обнаруженные микроорганизмы		10-1	Образовался газ, пленка, осадок дымчатого цвета
Г+ тонкие прямые палочки, образуют споры (барабанная палочка)	Bacillus		10-2
Образовался газ, осадок серого цвета, присутствует муть	Г – палочки с клостридиальными спорами	Clostridium
10-3	Образовался газ, осадок серого цвета, муть	Г - короткие палочки с округлыми концами	Clostridium
	10-4	Образовался серый осадок, газ, имеется муть	Г-палочки, образующие клостридиально расположенные споры
Clostridium pasteurianum		10-5	Образовался осадок, газ имеется муть
Г+ палочки со спорами (в виде барабанной палочки)	Clostridium		10-6
Имеется осадок, газ, присутствует муть	Г+ палочка с закругленными концами и со спорой на одном полюсе клетки	Clostridium
10-7	Имеется осадок, присутствует муть, образовался газ	Г – короткие палочки с округлыми концами	Clostridium

При анализе данной пробы можно сделать вывод, что на среде присутствуют анаэробные палочки с клостридиально расположенными спорами. Наблюдается помутнение среды, образование осадка, проявление запаха масляной кислоты, пленка не образовалась.

Таблица 7

Культуральные признаки бактерий на среде Имшенецкого

№ пробы	Культуральные признаки	Морфологические признаки	Обнаруженные микроорганизмы
		1	Среда желтого цвета, бумага ослизнилась и разрушается
Г+ тонкие палочки со спорой на одном конце	Bacillus		2
Среда желтого цвета, бумага ослизнилась и разрушается	Г - длинные палочки со спорой на конце	Clostridium
3	Среда болотного цвета, бумага ослизнилась	Г- палочки со спорой на конце	Clostridium
	4	Среда болотного цвета, бумага ослизнилась	Г+ тонкие палочки со спорой на одном конце
Bacillus		5	Среда болотного цвета, бумага ослизнилась
Г+ палочки, имеющие споры (в виде барабанной палочки)	Clostridium		6
Среда болотного цвета, бумага ослизнилась	Г + тонкие палочки со спорами	Clostridium
7	Среда болотного цвета, бумага ослизнилась	Г + палочки, имеющие споры на одном конце	Clostridium

При анализе данной пробы отмечается, что здесь присутствуют анаэробные споровые и бесспоровые палочки. Среда приобретает желтый или зеленый цвет, бумага ослизняется и разрушается в результате образования оксикислот.

Приведенные здесь результаты исследований были получены после определенного времени инкубирования: при выделении на среде Виноградского - в течение 2-3 дней; на среде Имшенецкого - в течение 3 - 4 дней.

Проведение качественной реакции на масляную кислоту.

В пробирку помещали 3-5 мл сброженной культуральной жидкости, добавляли 2 мл 5 % - ного хлорида железа и нагревали на пламени горелки. В результате раствор приобрел буровато – коричневое окрашивание, в проходящем свете становящееся кроваво - красным. Данный опыт подтверждает наличие в культуральной жидкости маслянокислых солей, которые дали такую реакцию:

3Ca (CH₃CH₂CH₂COO) ₂ + 2Fe₂Cl₃ → 2Fe (CH₃CH₂CH₂COO) ₃ + 3CaCl₂

Качественная реакция на Fe₂Cl₃

Среды	Реакция с Fe2Cl3
Виноградского	+
Имшенецкого +	+
Картофельная среда	+
Виноградского (р. Кривая Болда)	+
Имшенецкого (р. Кривая Болда)	+
Виноградского (оз. Баскунчак)	+
Имшенецкого (оз. Баскунчак)	+

Выводы

 

1.         Из садовой городской почвы, отобранной в парковой зоне АГТУ г. Астрахани, были выделены различные бактерии, осуществляющие маслянокислое брожение. Изучены культуральные и морфологические свойства маслянокислых бактерий, причем на среде Виноградского, среде Имшенецкого и на картофельной среде были выделены различные рода бактерий, являющиеся анаэробными и принадлежащие к разным систематическим группам.

2.         При выделении маслянокислых бактерий из данной почвы обнаружили, что качественный состав бактерий в садовой городской почве и в почве, задействованной в экосистеме, различен. Так, для почвы характерны бактерии родов Clostridium и Bacillus. Для почвы, задействованной в экосистеме реки Кривая Болда характерны бактерии рода Clostridium. Для почвы экосистемы озера Баскунчак кроме бактерий рода Clostridium встречаются бактерии рода Bacillus.

Анализируя бактериологический состав почвы экосистем можно сделать вывод, что в данных экосистемах анаэробные условия, созданные при помощи воды, способствовали более интенсивному развитию маслянокислых бактерий, чем в почве. Это можно объяснить частично аэробными условиями открытой почвы, в то время как под слоем воды создаются полностью анаэробные условия. Таким образом, подтопление территории дало более интенсивное развитие маслянокислых бактерий.

Исходя из того, что в системе озера Баскунчак был отмечено большее видовое разнообразие, можно заключить, что повышенная соленость данного водоема положительно действует на активность процессов маслянокислого брожения.

Полученные результаты позволяют получить картину тех изменений, которые произошли бы в почве в результате подтопления из- за повышения уровня Каспийского моря.

Список используемой литературы

 

1.         Алешукина А.В. Медицинская микробиология. Ростов - на – Дону, «Феникс», 2003.-472 с.

2.         Беркли Р., Э. Бок, Д. Бун и др.; Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли и С. Уильямса. Пер. с англ. Г.А. Заварзина. Определитель бактерий Берджи -9- е изд.- Москва, Мир, 1997.-432 с.

3.         Богданов В.М., Баширова Р. С., Кирова К. А., Корнеев И.П., Кострова Е.И., Петржиковская Л.М., Панкратов А.Я., Свитыч К.А. Техническая микробиология пищевых продуктов. Издательство пищевая промышленность. Москва, 1968.- 743 с.

4.         Градова Н.Б., Бабусенко Е.С., Горнова И.Б., Гусарова Н.А. Лабораторный практикум по общей микробиологии. Москва, Дели принт, 2001.-144 с.

5.         Емцев В.Т., Мишустин Е.Н.. Микробиология 6-е издание, исправленное. Дрофа, Москва, 2006. - 444 с.

6.         Журнал «Микробиология» том 74 №1, А.Н. Дзюбан, 2005, 119 -125 с.

7.         Одум Ю. Экология: В 2 – х. томах, том 2 / Пер. С англ. Ю.М. Фролова; Под ред. Акад. Соколова - М.: Мир, 1986. – 376 с.

8.         Родина А.Г. Методы водной микробиологии/Практическое руководство. Москва; Наука, 1965. – 363 с.

9.         Руководство к практическим занятиям по микробиологии/Учебное пособие. Под ред. Н.С. Егорова – Москва, МГУ, 1995.-224 с.

10.       Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. Москва, агропромиздат, 1987.-238 с.