Ю. Одум - Основы экологии (1975) (1135319), страница 175
Текст из файла (страница 175)
К счастью, математические модели этих взаимодействий могут сильно облегчить экспериментальные исследования. 5. ВОПРОС О СКОРОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ Количественное измерение типов и потоков активности микроорганизмов !и зНн, по-видимому, наиболее важная проблема экологии микроорганизмов. Как мы уже подчеркивали в гл. 3, равд. 7, для мелких организмов «скорость» более важна, чем «устойчивое состояние». Вопрос заключается в том, что можно и необходимо измерять. Первоначальные попытки определить скорость преобразований, осуществляемых в природе микроорганизмами, связаны с измерением 1) дыхания или 2) разложения некоторых органических источников энергии или субстратов во время их роста.
Общую гетеротрофную активность смешанной популяции можно измерить, определяя выделение СО» или потребление Оз либо с помощью кислородных электродов (Канвишер, 1959) и сосудов Варбурга увеличенных размеров, либо по измерению БПК (биохимического потребления кислорода, см. гл. 2, равд. !). Измерение разложения органических источников энергии проводили путем добавления в пробу известного количества субстрата и расчета уменьшения этого субстрата во времени, В последующих разделах мы еще встретимся с некоторыми из современных методов измерения активности полной смешанной популяции микроорганизмов 1п з!!ц. Измерение !и эНц уровней органических соединений и времени их обновления В некоторых местообитаниях — озерах, реках или в открытом океане — общий уровень метаболической активности микроорганизмов очень низок.
Чувствительность методов измерения многих реакций зна- ГЛ. 19. ПЕРСПЕКТИВЫ ЭКОЛОГИИ МИКРООРГАНИЗМОВ чительно повысилась благодаря применению радиоактивных изотопов (гл. 17, равд. 4). После того как были развиты методы измерения фотосинтетической активности зеленых растений с помощью "С (гл. 3, равд. 3), С. Я. Кузнецов (1968),и Ю. И. Сорокин (1964) .попытались определить интенсивности бактериального фото- и хемосинтеза. Хотя С.
Я. Кузнецов (1967) и показал, что поглощение гетеротрофами бикарбоната может быть довольно значительным (особенно в темноте) и это приводит к снижению количества высвобождаемой СОя, можно надеяться, что этот метод поможет установить вклад бактерий в общий поток СОя 1п зйи. В 1962 г.
Парсонс и Стрикленд предложили вносить в пробы воды меченные по 14С органические вещества (первоначально глюкозу и ацетат) и измерить после короткого инкубационного периода поглощение "С. Неожиданно оказалось, что зависимость между скоростью поглощения и концентрацией субстрата выражается кривой насыщения, а это свидетельствует о наличии кинетики первого порядка, как обнаружено для активности пермеазы в чистой культуре неповрежденных клеток (Кипис и Коен, 1962).
Иными словами, природная смешанная популяция в пробе воды ведет себя подобно чистой культуре, для которой характерна прямая линия поглощения, указывающая на одноферментную реакцию. Эта работа была подвергнута критике в основном из-за того, что авторы добавляли радиоактивные субстраты в количестве, во много раз превышавшем их уровень в окружающей среде. Основополагающая работа Парсонса и Стрнкленда вдохновила Райта и Хобби (1966) на усовершенствование методики.
Применив предложенную Лайнуивером и Берком модификацию уравнения Михаэлиса — Ментен', они попытались, добавляя радиоактивный субстрат в некотором диапазоне концентраций, определить количество глюкозы н ацетата, которое исходно присутствует в воде озера Эркен в Швеции. Было обнаружено два разных механизма поглощения — один у бактерий и другой у водорослей. При низких концентрациях субстрата у бактерий были прослежены специфические системы активного транспорта, тогда как у водорослей наблюдался градиент диффузии при высоких концентрациях субстрата. Этот метод был усовершенствован, в результате чего появилась возможность рассчитать Время обновления или замещения субстрата.
Хобби и др. (1966) опубликовали данные о временах обновления от часов до дней для нескольких аминокислот и эстуарии Сент- Джонс в Чесапикском заливе. Первые попытки применения этого метода в открытом океане были безуспешны (Ваккаро и Яннаш, 1966), вероятно из-за очень низкой активности организмов в природе. Следует отметить, что все растущие бактерии могут рассматриваться как водные, находятся ли они в океане, в воде, содержащейся в частицах почвы, или внутри какого-либо живого организма. Клетка и энергетические отношения В принципе можно получить теоретические выходы энергии н клеток в системе. Соответствующие цифры позволяют рассчитать максимальные пределы энергетического обмена внутри экосистемы.
Хотя эта концепция пока что находится в стадии становления, она обладает большими потенциальными возможностями, если использовать ее в эко.логии, и поэтому в настоящем разделе мы займемся ею подробноз. ' Это уравнение определяет зависимость между скоростью поглощения и концентрацией субстрата. Подробности см. Фретон и Симмонс (!959) илн любое руководство по обшей биохимии.
а Раздел о Унннл и Уял — был подготовлен доктоРом У. Дж. Пейном с кафедРы микробиологии Университета штата Джорджия. члсть з. пгикллдныв и технологические лспвкты экологии Моно (1942) в свое время отметил, что рост бактерий прямо пропорционален количеству энергодающего субстрата, которым обеспечена культуральная среда. Позже были приложены значительные усилия для получения констант роста, которые можно было бы использовать для математической обработки. Теперь мы знаем, что урожай сухого вещества клеток (биомассы) анаэробных бактерий достаточно постоянно связан с количеством доступной благодаря брожению энергии (выражающейся в молях АТФ). Средний урожай (Ухтф) равен 10,5 г клеток на моль АТФ, образуемой молем расщепленного субстрата. Однако, когда полный ферментативный путь процесса катаболизма, поставляющего энергию, неизвестен, мы сталкиваемся с результатами, которые, казалось бы, противоречат предсказанной величине Улт,ь. Однако величину Уатьнельзя использовать для аэробных путей, поскольку число молей АТФ, образующегося при аэробном катаболизме, неопределенно и сильно варьирует у разных бактерий и других микроорганизмов.
В результате отношения урожаев роста к 1) молям утилизированного субстрата (У,), 2) эквивалентам углеродного утилизированнога субстрата (У„,ь) или 3) молям поглощенного в процессе роста кислорода (Уо,) не представляют собой постоянных величин. Исследуя рост почвенных псевдомонад на многих взятых по отдельности органических соединениях, Мейберри, Прохазка и Пейн (1967) пришли к заключению, что удобнее рассматривать субстраты с точка зрения числа доступных электронов (д.
е-), которыми они обладают, а не числа атомов углерода. Например, глюкоза содержит 24 д. е-, уксусная кислота — 8, глицерин — 14, бензойная кислота — 30. (Число д. е- для любого органического вещества можно определить, рассчитав количество кислорода, необходимое для полного сжигания одного моля вещества, и умножив полученное число молей кислорода на четыре— число электронов, нужное для восстановления одного моля кислорода.) Когда Мейберри и др. разделили величины У„полученные ими и многими другимн авторами, на число д. е- в моле использовавшихся специфических субстратов, то получили величины в пределах от 2,00 до 3,92 со средним Уд,- — — 3,14 г сухого веса клеток на д.
е-. В этом диапазоне 78% величин лежит между 2,75 и 3,50. Даже в случае роста микроорганизмов в смешанной культуре величина Уд.,- очень близка к 3,!4. Данные 33 экспериментов, выполненных четырьмя разными исследователями, которые подкармливали чистыми биохимическими препаратами культуры в отстое сточных вод и измеряли У„дали среднюю величину Уд,, ='2,95. Из этих результатов четко следует, что урожай гетеротрофных организмов, которые растут аэробно, потребляют самые разнообразные субстраты и не образуют других конечных продуктов, кроме клеток и СОм равен в минимальной среде примерно 3,14 г сухого веса на д.
енезависимо от видов микроорганизмов и утилизируемого субстрата. Мейберри, Прохазка и Пейн (1967) предсказали, что отношение урожая клеток при любом типе бактериального роста к сумме энергий, получаемых из культуральной среды в результате как ассимиляции, так и диссимиляции, должно быть постоянным.
Они исследовали теплоту сгорания многих органических соединенй, как это делал Хараш (1929), и нашли, что для органических субстратов, используемых бактериями для роста, характерна средняя величина 26,5 икал/д. е —. Итак, Для экспериментальных целей Е„или общую энергию, выделяемую иэ Гл. 1а. пеРспектиВы экОлОГии микРООРГАнизмОВ 623 культуры, можно представить как Е„+ Еа= Е„ где Е„ — это ассимилированная в клеточной структуре энергия н Еа— энергия, диссимилированная при окислительном или ферментативном метаболизме.
Е, всегда можно рассчитать по экспериментальным дан- ным, умножив теплоту сгорания бактериальных клеток на У,. При сжи- гании в калориметрической бомбе эти авторы нашли, что теплота сго- рания бактериальных клеток равна 5,3 ккал/г. Таким образом, Е,= У, 5,3 ккал/г. Еа для ферментативного роста также можно вычислить; для этого нужны только экспериментальные данные по балансу брожения. Напри- мер, при сбраживании молочной кислоты 1 моль глюкозы с теплотой сгорания 673 ккал/моль расщепляется на 2 моля лактата с общей тепло- той сгорания 2 326, или 652 ккал/моль. Диссимилированная энергия составляет, следовательно, 673 — 652=21 ккал/моль.
Согласно работе Бошо и Эльсдена (1956) по расщеплению глюкозы 51гер/ососсиз /аеса- 1/з, где У,=22 г/моль, 22 г/моль — 0,159 г/ккал. 117 ккал/моль + 21 икал/моль Результаты шести исследований, в которых были использованы в анаэробных условиях девять разных видов облигатных и факульта- тивных анаэробов, росших на семи различных субстратах, дали сред- нюю величину У„, =0,130 г/ккал.
Определение У , для аэробного роста требует иного метода опре- деления Е». Величины У, и Е, получают так же, как для анаэробного роста, но Еа в данном случае — произведение числа молей кислорода, потребленных в процессе роста на моль использованного субстрата (Оз на моль), и увеличенной в четыре раза средней для органических молекул энергии на д. е (4 д. и†/моль 26,5 ккал/д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
