22.5: Корисні прокаріоти

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1956

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Поясніть необхідність фіксації азоту і як вона здійснюється
Визначте продукти, в яких прокаріоти використовуються при переробці
Опишіть використання прокаріотів в біоремедіації
Опишіть сприятливий вплив бактерій, які колонізують нашу шкіру та травні тракти

Не всі прокаріоти є патогенними. Навпаки, хвороботворні мікроорганізми представляють лише дуже малий відсоток різноманітності мікробного світу. Насправді наше життя було б неможливим без прокаріотів. Тільки подумайте про роль прокаріотів в біогеохімічних циклах.

Співпраця між бактеріями та еукаріотами: фіксація азоту

Азот є дуже важливим елементом для живих істот, оскільки він входить до складу нуклеотидів і амінокислот, які є будівельними блоками нуклеїнових кислот і білків відповідно. Азот, як правило, є найбільш обмежуючим елементом в наземних екосистемах, з атмосферним азотом, N ₂, що забезпечує найбільший басейн доступного азоту. Однак еукаріоти не можуть використовувати атмосферний газоподібний азот для синтезу макромолекул. На щастя, азот може бути «фіксованим», тобто він перетворюється на аміак (NH ₃) біологічно або абіотично. Фіксація абіотичного азоту відбувається в результаті блискавки або за допомогою промислових процесів.

Біологічна азотфіксація (БНФ) здійснюється виключно прокаріотами: грунтовими бактеріями, ціанобактеріями і Frankia spp. (нитчасті бактерії, що взаємодіють з актиноргізальними рослинами, такими як вільха, барвник та солодкий папороть). Після фотосинтезу BNF є другим за значимістю біологічним процесом на Землі. Рівняння, що представляє процес, виглядає наступним чином

\[\text{N}_2 + 16\text{ATP} + 8\text{e}^- + 8\text{H}^+ \rightarrow 2\text{NH}_3 + 16\text{ADP} + 16\text{Pi} + \text{H}_2 \nonumber\]

де Pi позначає неорганічні фосфат. Загальний фіксований азот через BNF становить від 100 до 180 мільйонів метричних тонн на рік. Біологічні процеси вносять 65 відсотків азоту, що використовується в сільському господарстві.

Ціанобактерії є найважливішими фіксаторами азоту у водних середовищах. У грунті представники роду Clostridium є прикладами вільноживучих, азотфіксуючих бактерій. Інші бактерії живуть симбіотично з бобовими рослинами, забезпечуючи найважливіше джерело БНФ. Симбіонти можуть фіксувати більше азоту в ґрунтах, ніж вільноживі організми, в 10 разів. Грунтові бактерії, в сукупності звані ризобії, здатні симбіотично взаємодіяти з бобовими з утворенням бульбочок, спеціалізованих структур, де відбувається фіксація азоту (рис.\(\PageIndex{1}\)). Нітрогеназа, фермент, який фіксує азот, інактивується киснем, тому вузлик забезпечує безкисневу область для фіксації азоту. Цей процес забезпечує природне та недороге добриво для рослин, оскільки він зменшує атмосферний азот до аміаку, який легко використовувати рослинам. Використання бобових культур є чудовою альтернативою хімічному добриву та представляє особливий інтерес для сталого сільського господарства, яке прагне мінімізувати використання хімічних речовин та зберегти природні ресурси. Завдяки симбіотичній фіксації азоту рослина виграє від використання нескінченного джерела азоту: атмосфери. Бактерії отримують користь від використання фотосинтатів (вуглеводів, що утворюються під час фотосинтезу) з рослини і мають захищену нішу. Крім того, грунт виграє від природного удобрення. Тому використання ризобії як біодобрива є стійкою практикою.

Чому так важливі бобові культури? Деякі, як і соя, є ключовими джерелами сільськогосподарського білка. Одними з найважливіших зернових бобових є соя, арахіс, горох, нут та квасоля. Інші бобові культури, такі як люцерна, використовуються для годування великої рогатої худоби.

На цій фотографії зображений корінь бобових, який тонкий і жовтий з стирчать з нього вузликами. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Соя (*Glycine max*) - це бобові культури, які симбіотично взаємодіють з ґрунтовою бактерією *Bradyrhizobium japonicum*, утворюючи спеціалізовані структури на коренях, які називаються вузликами, де відбувається фіксація азоту. (Кредит: USDA)

Рання біотехнологія: сир, хліб, вино, пиво та йогурт

Відповідно до Конвенції Організації Об'єднаних Націй про біологічне різноманіття, біотехнологія - це «будь-яке технологічне застосування, яке використовує біологічні системи, живі організми або їх похідні, для виготовлення або модифікації продуктів або процесів для конкретного використання». ^¹ Поняття «специфічне використання» передбачає якесь комерційне застосування. Генна інженерія, штучний відбір, виробництво антибіотиків та культура клітин є актуальними темами вивчення біотехнології. Однак люди використовували прокаріоти ще до того, як термін біотехнологія був навіть придуманий. Крім того, деякі товари та послуги такі ж прості, як сир, хліб, вино, пиво та йогурт, в яких використовуються як бактерії, так і інші мікроби, такі як дріжджі, грибок (рис.\(\PageIndex{2}\)).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Деякі продукти, отримані від використання прокаріотів у ранній біотехнології, включають (а) сир, (б) вино, (в) пиво та хліб та (г) йогурт. (кредитний хліб: модифікація роботи Ф. Родріго/Wikimedia Commons; кредитне вино: модифікація роботи Джона Саллівана; кредитне пиво та хліб: модифікація роботи Кріса Міллера; кредитний йогурт: модифікація роботи Джона Саллівана)

Виробництво сиру почалося приблизно 4000—7000 років тому, коли люди почали розводити тварин і переробляти їх молоко. Бродіння в цьому випадку зберігає поживні речовини: молоко зіпсується порівняно швидко, але при переробці як сир воно більш стійке. Що стосується пива, то найдавніші рекорди пивоваріння налічують близько 6000 років і відносяться до шумерів. Докази свідчать про те, що шумери виявили бродіння випадково. Вино виробляється близько 4500 років, і дані свідчать про те, що культивовані молочні продукти, такі як йогурт, існують не менше 4000 років.

Використання прокаріотів для очищення нашої планети: Біоремедіація

Мікробна біоремедіація - це використання прокаріотів (або мікробного метаболізму) для видалення забруднюючих речовин. Біоремедіація була використана для видалення сільськогосподарських хімікатів (пестицидів, добрив), які вимиваються з ґрунту в грунтові води та надра. Деякі токсичні метали та оксиди, такі як сполуки селену та миш'яку, також можуть бути видалені з води шляхом біоремедіації. Зниження SeO ₄ ^-2 до _{SeO 3} ^-2 і до Se ⁰ (металевий селен) - це метод, який використовується для видалення іонів селену з води. Ртуть є прикладом токсичного металу, який можна видалити з навколишнього середовища шляхом біоремедіації. Як активний інгредієнт деяких пестицидів, ртуть використовується в промисловості, а також є побічним продуктом певних процесів, таких як виробництво акумуляторів. Метилртуть зазвичай присутня в дуже низьких концентраціях в природних середовищах, але вона високотоксична, оскільки накопичується в живих тканині. Кілька видів бактерій можуть здійснювати біотрансформацію токсичної ртуті в нетоксичні форми. Ці бактерії, такі як синьогнійна паличка, можуть перетворити Hg ⁺² в Hg ⁰, що нетоксично для людини.

Одним з найбільш корисних і цікавих прикладів використання прокаріотів в цілях біоремедіації є очищення від нафтових розливів. Важливість прокаріотів для біоремедіації нафти була продемонстрована в декількох розливах нафти в останні роки, таких як розлив Exxon Valdez на Алясці (1989) (рис.\(\PageIndex{3}\)), Розлив нафти Prestige в Іспанії (2002), розлив в Середземне море з ліванської електростанції (2006), і зовсім недавно , розлив нафти ВР в Мексиканській затоці (2010). Для очищення цих розливів біоремедіації сприяє додавання неорганічних поживних речовин, які допомагають бактеріям рости. Бактерії, що руйнують вуглеводні, харчуються вуглеводнями в крапельці нафти, розщеплюючи вуглеводні. Деякі види, такі як Alcanivorax borkumensis, виробляють поверхнево-активні речовини, які солюбілізують масло, тоді як інші бактерії розкладають нафту на вуглекислий газ. У разі розливів нафти в океані, як правило, відбувається природна біоремедіація, оскільки перед розливом в океані є бактерії, що споживають нафту. На додаток до природних бактерій, що руйнують нафту, люди вибирають та розробляють бактерії, які мають однакову здатність із підвищеною ефективністю та спектром вуглеводневих сполук, які можна обробляти. В ідеальних умовах повідомлялося, що до 80 відсотків енергонезалежних компонентів в нафті можуть деградувати протягом одного року після розливу. Інші нафтові фракції, що містять ароматичні та сильно розгалужені вуглеводневі ланцюги, важче видаляються і залишаються в навколишньому середовищі протягом більш тривалих періодів часу.

Частина a: Ця фотографія показує двох чоловіків у жовтому дощовому шлангу, що скидають залиті нафтою скелі на березі моря. Частина b: На цій фотографії зображена залита маслом птах, що сидить у масляній воді. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): (а) Очищення нафти після розливу Вальдес на Алясці, робітники шланги нафти з пляжів, а потім використовували плаваючий бум для загону нафти, яка була нарешті знежирена з поверхні води. Деякі види бактерій здатні солюбілізувати і руйнувати масло. (б) Одним з найбільш катастрофічних наслідків розливів нафти є шкода фауні. (кредит а: модифікація роботи за NOAA; кредит б: модифікація роботи ГОЛУБЕНКОВА, ГО: Збереження Тамань)

Повсякденний зв'язок: мікроби на тілі людини

Коменсальні бактерії, які населяють нашу шкіру та шлунково-кишковий тракт, роблять для нас безліч хороших речей. Вони захищають нас від хвороботворних мікроорганізмів, допомагають перетравлювати їжу та виробляти частину наших вітамінів та інших поживних речовин. Ці види діяльності відомі вже давно. Зовсім недавно вчені зібрали докази того, що ці бактерії також можуть допомогти регулювати наш настрій, впливати на рівень активності і навіть допомогти контролювати вагу, впливаючи на наш вибір їжі та моделі поглинання. Проект «Мікробіом людини» розпочав процес каталогізації наших нормальних бактерій (і археї), щоб ми могли краще зрозуміти ці функції.

Особливо захоплюючий приклад нашої нормальної флори відноситься до нашої травної системи. Люди, які приймають високі дози антибіотиків, як правило, втрачають багато своїх нормальних кишкових бактерій, дозволяючи природним стійким до антибіотиків видам під назвою Clostridium difficile заростати і викликати серйозні шлункові проблеми, особливо хронічну діарею (Рисунок\(\PageIndex{4}\)). Очевидно, що спроба лікувати цю проблему антибіотиками лише погіршує її. Однак його успішно лікували шляхом надання пацієнтам трансплантації калу від здорових донорів для відновлення нормальної кишкової мікробної спільноти. Проводяться клінічні випробування для забезпечення безпеки та ефективності цієї методики.

Мікрофотографія показує невеликі скупчення білих паличкоподібних бактерій на темному тлі. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Ця скануюча електронна мікрофотографія показує *Clostridium difficile*, грампозитивну, стрижнеподібну бактерію, яка викликає сильну діарею. Зараження зазвичай відбувається після того, як нормальна фауна кишечника викорінюється антибіотиками. (кредит: модифікація роботи CDC, HHS; дані шкали від Метта Рассела)

Вчені також виявляють, що відсутність певних ключових мікробів з нашого кишкового тракту може налаштувати нас на різні проблеми. Це, здається, особливо вірно щодо відповідного функціонування імунної системи. Існують інтригуючі висновки, які говорять про те, що відсутність цих мікробів є важливим фактором розвитку алергії та деяких аутоімунних порушень. В даний час проводяться дослідження, щоб перевірити, чи може додавання певних мікробів до нашої внутрішньої екосистеми допомогти в лікуванні цих проблем, а також у лікуванні деяких форм аутизму.

Резюме

Збудниками є лише невеликий відсоток всіх прокаріотів. Насправді наше життя було б неможливим без прокаріотів. Азот, як правило, є найбільш обмежуючим елементом в наземних екосистемах; атмосферний азот, найбільший басейн доступного азоту, недоступний еукаріотам. Азот може бути «фіксований» або перетворений в аміак (NH ₃) біологічно або абіотично. Біологічна азотфіксація (БНФ) здійснюється виключно прокаріотами. Після фотосинтезу BNF є другим за значимістю біологічним процесом на Землі. Найважливішим джерелом БНФ є симбіотична взаємодія між ґрунтовими бактеріями та бобовими рослинами.

Мікробна біоремедіація - це використання мікробного метаболізму для видалення забруднюючих речовин. Біоремедіація була використана для видалення сільськогосподарських хімікатів, які вимиваються з ґрунту в грунтові води та надра. Токсичні метали та оксиди, такі як сполуки селену та миш'яку, також можуть бути видалені шляхом біоремедіації. Напевно, одним з найбільш корисних і цікавих прикладів використання прокаріотів в цілях біоремедіації є очищення від нафтових розливів.

Життя людини можлива лише завдяки дії мікробів, як тих, що знаходяться в навколишньому середовищі, так і тих видів, які називають нас домом. Внутрішньо вони допомагають нам перетравлювати їжу, виробляти важливі для нас поживні речовини, захищають нас від патогенних мікробів та допомагають навчити нашу імунну систему правильно функціонувати.

Виноски

1 http://www.cbd.int/convention/articles/?a=cbd-02, Конвенція Організації Об'єднаних Націй про біологічне різноманіття: Стаття 2: Використання термінів.

Глосарій

біологічна фіксація азоту: перетворення атмосферного азоту в аміак, що здійснюється виключно прокаріотами

біоремедіація: використання мікробного метаболізму для видалення забруднюючих речовин

біотехнології: будь-яке технологічне застосування, яке використовує живі організми, біологічні системи або їх похідні для виробництва або модифікації інших продуктів

вузлик: нова структура на коренях певних рослин (бобових), що виникає в результаті симбіотичної взаємодії між рослинними і ґрунтовими бактеріями, є місцем фіксації азоту