Бактерии в сельском хозяйстве

    Введение 

    Аграрный  сектор (сельское хозяйство) в экономике  любой страны занимает особое место  и обладает своей спецификой и  рядом характерных черт. Важнейшей  из них является то, что ведение  производства органично связано  с использованием земли и природной  среды, при этом именно земля служит главным средством производства. Сельское хозяйство основано на использовании биологических факторов растений, что предопределяет несовпадение периода производства с рабочим периодом. Так же сельское хозяйство во многом зависит от пока еще неуправляемых климатических и погодных условий, отличается большой территориальной рассредоточенностью производства; в сельском хозяйстве в большей мере, чем в других отраслях, в воспроизводственном процессе используется продукция собственного производства (семена, корма и др.). То есть, по существу, уровень развития сельского хозяйства во многом определяет уровень экономической безопасности страны. Трудно найти другую отрасль хозяйства, которая оказывала бы такое широкое и многообразное воздействие на экономику, социальные отношения и состояние окружающей среды.

    В настоящее время во всем мире наблюдается  значительный рост сельскохозяйственной отрасли. Это связано с рядом  достаточно разнообразных факторов, среди которых:

• Постепенное истощение природных ресурсов и энергоносителей (газ, нефть и пр.), а, следовательно, требуются новые виды сырья, в качестве которого себя прекрасно зарекомендовало сырье растительного происхождения - биогаз, биотопливо, спирт на растительной основе.
• Глобальное увлечение человека здоровым образом жизни, которое, в том числе, подразумевает употребление в пищу натуральных продуктов, не содержащих консервантов, химических добавок и т.д.

В мире наблюдается  тенденция возвращения человека к ведению натурального хозяйства. Человек стремится к отдалению от города, самодостаточности и полному обеспечению себя продуктами собственного труда.

    Одним из наиболее актуальных применений биотехнологии  в данной области является использование  различных видов бактерий: молочно-кислых, выделяющих антибиотики, азотоусваивающих для производства бактериальных удобрений. 

Роль бактерий в жизни человека 

    Широкое распространение микроорганизмов  свидетельствует об их огромной роли в природе. При их участии происходит разложение различных органических веществ в почвах и водоемах, они обусловливают круговорот веществ и энергии в природе; от их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти, многих других полезных ископаемых. Микроорганизмы участвуют в выветривании горных пород и прочих природных процессах.

    Многие  микроорганизмы используют в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Так, хлебопечение, изготовление кисломолочных  продуктов, виноделие, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и многих веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности и медицине, основаны на деятельности разнообразных микроорганизмов. Особенно важно использование микроорганизмов в растениеводстве и животноводстве. От них зависит обогащение почвы азотом, борьба с вредителями сельскохозяйственных культур при помощи микробных препаратов, правильное приготовление и хранение кормов, создание кормового белка, антибиотиков и веществ микробного происхождения для кормления животных.

    Микроорганизмы  оказывают положительное влияние на процессы разложения веществ неприродного происхождения - ксенобиотиков, искусственно синтезированных, попадающих в почвы и водоемы и загрязняющих их.

    Наряду  с полезными микроорганизмами существует большая группа так называемых болезнетворных, или патогенных, микроорганизмов, вызывающих разнообразные болезни сельскохозяйственных животных, растений, насекомых и человека. В результате их жизнедеятельности возникают эпидемии заразных болезней человека и животных, что сказывается на развитии экономики и производительных сил общества.

    Последние научные данные не только существенно  расширили представления о почвенных  микроорганизмах и процессах, вызываемых ими в окружающей среде, но и позволили  создать новые отрасли в промышленности и сельскохозяйственном производстве. Например, открыты антибиотики, выделяемые почвенными микроорганизмами, и показана возможность их использования для лечения человека, животных и растений, а также при хранении сельскохозяйственных продуктов. Обнаружена способность почвенных микроорганизмов образовывать биологически активные вещества: витамины, аминокислоты, стимуляторы роста растений - ростовые вещества и т.д. Найдены пути использования белка микроорганизмов для кормления сельскохозяйственных животных. Выделены микробные препараты, усиливающие поступление в почву азота из воздуха.

    Открытие  новых методов получения наследственно  измененных форм полезных микроорганизмов  позволило шире применять микроорганизмы в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в медицине. Особенно перспективно развитие генной, или генетической, инженерии. Ее достижения обеспечили развитие биотехнологии, появление высокопродуктивных микроорганизмов, синтезирующих белки, ферменты, витамины, антибиотики, ростовые вещества и другие, необходимые для животноводства и растениеводства продукты. 

    История изучения бактерий 

    С микроорганизмами человечество соприкасалось  всегда, тысячелетия даже не догадываясь  об этом. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания, в том числе эпидемические. Свидетельством последнего в библейских книгах служит указание о повальной болезни (вероятно, чуме) с рекомендациями сжигать трупы и делать омовения.

    Однако  до середины прошлого века даже никто  не представлял, что разного рода бродильные процессы и заболевания  могут быть следствием деятельности ничтожно малых существ.

    Впервые бактерий увидел в оптический микроскоп  и описал в 1676 году голландский натуралист Антони ван Левенгук. Как и всех микроскопических существ, он назвал их «анималькули». Название «бактерия» появилась позднее, оно было предложена Кристианом Эрнбергом в 1828 как перевод греческого слова, которое означало «маленькая палочка».

    Луи Пастер продемонстрировал в 1859 году, что процесс брожения вызывается ростом микроорганизмов, и что этот рост не может быть зарожденным непроизвольно (хотя нужно отметить, что дрожжи, которые по обыкновению связаны с брожением — не бактерии, а грибы). Вместе с его современником, Робертом Кохом, Пастер был одним из авторов и первых защитников бактериальной теории возникновения болезней. Роберт Кох был пионером медицинской микробиологии, работая с такими болезнями, как холера, сибирская язва и туберкулез. В своем исследовании туберкулеза Кох окончательно довел бактериологическую теорию, за что и был награжденный Нобелевской премией 1905 года. В своих «Постулатах Коха» он установил критерии проверки, или болезнь вызывается микроорганизмом; эти постулаты все еще используются сегодня.

    Хотя  в 19 столетии уже было известно, что бактерии — причина многих болезней, не существовало никаких эффективных средств антибактериального лечения. В 1910 году Рафаэль Эрлих создал первый антибиотик, модифицировав фарбник, который выборочно красил бактерию Treponema pallidum - спирохету,  вызывающую сифилис, в вещество, которое выборочно убивает патоген. Эрлих был также награжден Нобелевской премией за свою работу по иммунологии и открытию использования окрасок для выявления и идентификации бактерий, его работа стала основой для создания окрашивания по Грамму и по Зелий-Нельсену. В конце 19го - начале 20го столетия благодаря работам Мартинуса Бейеринка и Сергея Николаевича Виноградского были заложены основы общей и экологической микробиологии.

    Изучение  строения бактериальной клетки началось с изобретением электронного микроскопа в 1930-е. В 1937 году Э. Чаттон предложил делить все организмы по типу клеточного строения на прокариот и эукариот, и в 1961 году Стейниер и Ван Ниль окончательно оформили это разделение. Важный шаг вперед в развитии молекулярной биологии и изучении бактерий был сделан в 1977 году Карлом Воузом, который установил, что археи — отдельная от бактерий линия эволюционного развития. Эта новая филогенетическая таксономия была основана на установлении последовательности 16S рибосомной РНК и поделила прокариоты на два отдельных домена, как часть системы трех доменов -  домены архебактерий и эубактерий. Впоследствии, чтобы подчеркнуть различия между ними, они были переименованы в архей и бактерий соответственно. Хотя до сих пор под бактериями часто понимают всех прокариотов, поскольку эти группы схожи, так что в подобных случаях используется термин «прокариоты» или сочетание «бактерии и археи». 

    Общее понятие  о бактериях и их жизненных свойствах 

    Бактерии - это обширная группа одноклеточных  микроорганизмов, характеризующихся  отсутствием окруженного оболочкой  клеточного ядра. Вместе с тем генетический материал бактерии (дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК) занимает в клетке вполне определенное место - зону, называемую нуклеоидом. Организмы с таким строением клеток называются прокариотами («доядерными») в отличие от всех остальных - эукариот («истинно ядерных»), ДНК которых находится в окруженном оболочкой ядре.

    Бактерии, ранее считавшиеся микроскопическими растениями, сейчас выделены в самостоятельное царство Monera - одно из пяти в нынешней системе классификации наряду с растениями, животными, грибами и протистами.  

• Строение и  жизнедеятельность бактерий

    Бактерии  гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных. Толщина их обычно составляет 0,5-2,0 мкм, а длина - 1,0-8,0 мкм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов (примерно 0,3 мкм), но известны и виды длиной более 10 мкм и шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий может превышать в длину 50 мкм. На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.  

По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий:

• кокки (более или менее сферические)
• бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами)
• спириллы (жесткие спирали) 
• спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы)

Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну - спириллы. 

    Прокариоты  отличаются от эукариот главным образом  отсутствием оформленного ядра и  наличием в типичном случае всего  одной хромосомы - очень длинной  кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной  в одной точке к клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез. У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь - клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у фотосинтезирующих форм - заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры - рибосомы, необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами. За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы - важные компоненты мембран эукариотической клетки.

    Снаружи от клеточной мембраны большинство  бактерий одето клеточной стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода. Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают. Жгутики бактерий устроены проще и несколько иначе, чем аналогичные структуры эукариот.  

• Сенсорные функции  и поведение

    Многие  бактерии обладают химическими рецепторами, которые регистрируют изменения  кислотности среды и концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких «вкусовых» рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации приводит к частичной «вкусовой слепоте». Многие подвижные бактерии реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды - на изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка - Fe3O4). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды.

    Условные  рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода примитивная  память у них есть. Плавая, они  сравнивают воспринимаемую интенсивность  стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или изменяют его.