Ю. Одум - Основы экологии (1975) (1135319), страница 176
Текст из файла (страница 176)
и†= 106 ккал/моль). В экспериментах Мейберри, Прохазки и Пейна с почвенными псевдо- монадами, росшими на бензойной кислоте, где Оз на моль=3,46, у„ 460 ккэл/моль+ 666 ккал/моль — 0,105 г/ккал. Анализ результатов пяти исследований аэробного роста семи видов мик- роорганизмов на 26 различных субстратах дал среднюю величину Укк, =0,116 г/ккал. Средняя из величин У„к,„для аэробного и анаэроб- ного роста равна 0,121, что хорошо согласуется с предсказанной величи- ной 0,118 г/ккал.
Еще более близкое сходство с предсказанной величиной было полу- чено по результатам упоминавшихся раньше экспериментов с культура- ми отстоя сточных вод, которые подкармливали чистыми биохимиче- скими препаратами. В этих исследованиях вычисленная средняя Ук„., оказалась равной 0,110 г/ккал. Таким образом, кажется очень правдоподобным, что на каждую ки- локалорию энергии, получаемой растущими клетками из культуральной среды, образуется аэробно или анаэробно 0,118 г клеток (см, обзор Пейна, 1970). Измерение активности' По содержанию питательных веществ местообитания можно разделить на две обширные категории: 1) с высоким уровнем содержания ' Части этого раздела взяты из работы Яииаша (1969). ЧАСТЬ 3 ПРИКЛАДНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИИ субстратов (1 г на ! л или на 1 кг) и 2) с низким уровнем содержания субстратов (мг на 1 л или на 1 кг).
С точки зрения потока или снабжения питательными веществами местообитания можно разделить на: 1) непрерывные и 2) прерывистые; встречаются, конечно, и промежуточные градации. Процессы в экосистемах с прерывистым снабжением и высоким уровнем субстратов, например разложение и дальнейшую судьбу листовой подстилки, легче всего имитировать н изучать в лаборатории. Успешно исследовались различные процессы производства пищи, например процессы соления и маринования овощей. Они хорошо поддаются изучению, так как технически довольно легко проводить измерения в системах с высокой метаболической активностью и высоким субстратным уровнем. Эти среды представляют собой превосходные модели для изучения сукцессии. Очень подробно исследовались превращения микробами клетчатки в сложном желудке жвачных животных (Хангейт, 19бЗ).
Эта система представляет собой среду с непрерывным снабжением питательными веществами на высоком уровне. Активности можно охарактеризовать с помощью такого параметра, как скорость, если допустить, что они постоянны, Использовав этот принцип, Хангейт и сотрудники выяснили, какие организмы принимают участие в превращениях клетчатки, и определили конечные продукты и энергетический баланс всей системы. Поскольку эта система анаэробна, она неэффективна для роста бактерий (только 10э~о энергии ассимилируется бактериями), но именно благодаря этой неэффективности жвачные вообгде могут существовать на таком субстрате, как клетчатка.
Основная часть энергии, полученной в результате деятельности микробов, запасается в жирных кислотах, которые образуются из клетчатки, но не разлагаются дальше. Жвачные могут непосредственно ассимилировать этн конечные продукты. Таким образом, термин «эффективность» может быть довольно обманчивым. В этом примере анаэробный метаболизм неэффективен для бактерий, но высокоэффективен для жвачных. Другая интенсивно изучаемая непрерывная система с высоким содержанием питательных веществ — активированный нл.
Яворничий н Прокесова (19бЗ) использовали эту систему для демонстрации важной роли, которую играют простейшие, поедая бактерий н поддерживая тем самым их метаболизм на определенном уровне. Такие системы очень хороши для изучения скоростей метаболизма. Малокормные прерывистые системы в силу самой своей природы, казалось бы, не должны встречаться в основных местообитаниях. Однако многие реки и озера могут быть отнесены к этому типу систем.
На протяжении большей части года уровень органических веществ достаточно низок, но значительные количества их попадают с суши в воду после штормов. Количественно и качественно состав воды меняется, но даже в периоды обогащения система остается малокормной. Во многих экосистемах такого рода бактерии образуют налеты на скалах и поверхностных структурах. Следовательно, в системе имеется непрерывный компонент — вода реки или озера — и прерывистый — бентос. При изучении микробиологии таких систем оба компонента следует рассматривать совместно.
Самый трудный для изучения тип окружающей среды — это малокормные непрерывные проточные системы, такие, как некоторые реки и ручьи, а также открытый океан. Кинетика протекающих в них процессов необычайно важна, если иметь в виду обширность районов земного шара, занятых такими системами. В общей бактериологии метаболизм бактерий исследуется в присутствии относительно высоких концентраций субстратов (как было отмечено в разд.
2). Недавние работы гл. к«певспвктивы экологии ммкзоовглннзмов по регуляции метаболизма (Мале и Кьельдгаард, 1966) показали, что нельзя прямо экстраполировать данные, полученные при «оптимальных» концентрациях субстрата, на условия роста при крайне низком уровне, субстрата. На биосинтетические способности, так же как на минималь'- ные потребности бактериальной клетки, сильно влияет изменение скорости роста или концентрации лимитирующих рост питательных веществ.
Кроме того, природа лимитирующего субстрата, функционирует ли он как источник энергии или как необходимое питательное вещество, определяет соотношение между дыхательным и биосинтетическим метаболизмом (Герберт и др., 1956). Эти обстоятельства наводят на мысль, что измерения, по-видимому, нужно стараться проводить или непосредственно в природных местообитаниях бактерий, или при таких концентрациях субстратов, которые близки к имеющимся в природной среде.
Примером первого подхода служит работа Брока (1967), в которой методом радиоавтографии определяли включение меченого тимиднна в ДНК отдельных клеток 1еисо(пг(х зр, Преимуществом этой процедуры является ее специфичность, что особенно отчетливо видно при сравнении, например, с относительно неспецифичным темновым поглощением меченого бикарбоната. Эта методика имеет два недостатка: 1) она применима только к тем видам, которые могут расти в чистой культуре н хорошо различимы ш з(1п морфологически; 2) необходимость инкубировать пробы в пробирках, как будет описано ниже, часто приводит к ошибкам. Второй подход — измерение роста или метаболической активности при крайне низких концентрациях лимитирующих питательных веществ — сталкивается с другими техническими трудностями.
В фундаментальной работе о росте бактерий Моно (1942) показал, что связь между скоростью роста и концентрацией лимитирующего субстрата может быть описана эмпирической кривой, соответствующей соотношению Михаэлиса — Ментеи для скорости ферментативной реакции и концентрации субстрата. Однако невозможно получить данные о росте, соответствующие нижней части кривой, у ее начала, а именно эта часть представляет для эколога наибольший интерес.
Клетки, введенные в среду с крайне низкими концентрациями питательных веществ, частично подвергаются автолизу, выделяя дополнительные субстраты и вызывая так называемый «криптический рост», котпрый затемняет истинную картину зависимости скорости роста от субстрата (Постгейт и Хантер, 1963). В 1950 г. Моно и независимо Новик и Сцилард построили хемостат — простое в принципе устройство, используемое для выращивания бактерий при постоянных условиях окружающей среды, в том числе прн постоянной концентрации лимитирующего субстрата. Вместо замкнутой системы, такой, как, например, закрываемые пробками культуральиые сосуды, в которых концентрация субстрата изменяется со временем по мере роста, была использована открытая система с постоянным добавлением свежей среды н сливом соответствующего количества культуры, содержащей клетки и продукты роста (схема простого хемостата показана на фиг.
8, А). Установки непрерывного культивирования существовали н до!950 г., особенно для микробных культур или — в прикладной микробиологии— для непрерывного производства клеток или продуктов метаболизма. Но с тех пор как было обнаружено, что равномерно перемешанная непрерывная культура растущих экспоненциально микроорганизмов представляет собой саморегулирующуюся систему, хемостат стал неоценимым средством количественного исследования. Пройдя через «переходное состояние», в котором скорость роста регулируется избранной концентрацией лимитирующего субстрата, система достигает «стационарного со- ЧАСТЬ 3 ПРИКЛАДНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКОЛОГИИ стояния», на что указывает постоянство плотности популяции. Пока внешние условия, включая состав и проток среды, остаются неизменными, скорость роста будет постоянной и равной скорости разбавления системы.
Важные параметры роста и метаболической активности могут быть выражены для стационарного состояния в простых математических соотношениях (Герберт и др., 1956). Переход от изучения деятельности микробов в системах замкнутого культивирования к изучению в открытых системах с непрерывным протоком знаменует собой новый значительный успех в изучении экологии микроорганизмов в малокормных непрерывных местообитаниях. За год до того, как был описан хемостат, ван Ниль (1949) отмечал: <Рост — это выражение по преимуществу динамической природы живых организмов. Среди обычных методов, применяемых при научном исследовании динамических явлений, наиболее полезны методы, в которых рассматриваются кинетические аспекты. ...Кинетические исследования на культурах микроорганизмов чрезвычайно полезны для выявления связей между ростом и факторамн окружающей среды, особенно такими, как характер питательных веществ и их количество».
С развитием хемостатов стало возможно применить это положение к исследованию кинетики микробиологической экосистемы. Принцип конкуренции за лимитируюший субстрат в естественном местообитании хорошо соблюдается и в хемостате. Однако из-за того, что при разбавлении клетки удаляются из хемостата непрерывно и безвыборочно, с одной и той же скоростью для всех присутствующих в системе видов, система оказывается строго избирательной; вид, растущий при данных условиях с наибольшей скоростью, будет успешно конкурировать и в конце концов вытеснит все другие виды. Таким образом, хемостат позволяет не только воспроизводить естественные условия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
