Выращивание собственных бактерий

Создание всех необходимых условий

Сначала нужно приготовить питательный бульон, в котором бактерия сможет расти и развиваться. Для этого нужно сварить мясо, желательно, проваривать его, как можно дольше, чтобы получить хороший навар. Далее в него добавляется агар: на каждые 60 мл жидкости — 1,2 г. Все смешать и разогреть до полного растворения в микроволновке. Затем остудить. Для того чтобы подготовить чашку Петри достаточно будет простерилизовать ее при помощи кипятка. Но стоит помнить, что это лучше делать возле включенной газовой горелки, с целью предотвращения попадания бактерий из воздуха. Только в таком случаи можно считать, что опыт пройдет «чисто». В стерильную чашку заливается полученная жидкость так, чтобы она лишь немного покрывала дно. После закройте емкость верхней чашкой и аккуратно поставьте в холодильник, обращая кверху нижнюю половинку, для избегания капель конденсата. Ждать нужно до образования желеобразной массы. По итогу получается чашка Петри с питательной средой в домашних условиях.

Заселение бактерий

Необходимо достать ранее подготовленные чашки Петри из холодильника и дать им время нагреться до температуры комнаты. Чтобы вырастить бактерии «со своих рук» нужно поочередно прикоснуться пальцами к имеющейся питательной среде. Но делать это нужно крайне аккуратно, для сбережения целой поверхности. В конце очень быстро закрыть емкость верхней чашкой. Промаркировать и оставить в теплом месте. Необходимое условие – это поддержание температуры. Для развития бактерий подойдет +37 градусов. В определении самого подходящего места в доме поможет термометр. Для «заселения бактерий» можно использовать крахмал, который есть в обычном картофеле. Необходимо натереть картофель (20 г) и перемешать с агаром (4 г), а также для лучшего эффекта добавить глюкозу (2 г). Полученная каша кипятится в мерном стаканчике. Образовавшаяся жидкость сливается в чашку Петри, а затем оставляется подсыхать. Стерильной ватной палочкой протираются поверхности, где видны бактерии, которые потом переносятся в подготовленную питательную среду, с целью их дальнейшего развития. Определить, что за колония микроорганизмов развилась в чашке Петри возможно при помощи многочисленных способов. Каждая выделяемая культура имеет свои особенности. В домашних условиях ту или иную колонию бактерий можно идентифицировать по форме и определенному цвету.

Утилизация материалов

По окончанию эксперимента, необходимо правильно избавиться от выращенных микроорганизмов:

• Для своей защиты нужно надеть перчатки и, по возможности, маску;
• Чашки Петри залить раствором хлора и не трогать несколько минут;
• Вылить содержимое, промытьчашкиисложивихвполиэтиленовыйпакет, выкинуть в мусорное ведро.

Никогда нельзя забывать, что самостоятельно выращивать микроорганизмы нужно крайне осторожно. Ни в коем случае, нельзя задействовать какие-либо биологические жидкости, такие как слюна и тому подобные. Так как это может вызвать серьезные последствия для здоровья.

Особенности раствора

Питательные среды классифицируют по составу, назначению, консистенции. Существует две основные группы: производственные и диагностические.

1. Производственные среды – основа для изготовления медицинских лекарственных препаратов, бактерий для септика. Растворы позволяют производить контроль качества биовеществ. В таких питательных средах для выращивания культур бактерий не должно быть вредных токсических примесей, способных нанести вред человеку или повлиять на процессы жизнедеятельности колоний.
2. В диагностических питательных средах выделяют следующие подгруппы целевого назначения:

• для выделения отдельных видов культур бактерий (дифференциальные);
• для выращивания широкого спектра колоний микроорганизмов;
• для выделения конкретного типа возбудителя; накопительные среды (обогащение бактерий выделяемыми ими продуктами жизнедеятельности).

По консистенции различают:

• плотные,
• жидкие,
• полужидкие.

В плотных и полужидких питательных средах основным компонентом является жидкая основа, к которой добавляется агар. Это полисахарид, который выделяется в лаборатории из некоторых разновидностей морских водорослей.

Выращивание колоний культур в среде с добавлением агара можно производить дома или в лаборатории, обязательно придерживаясь комнатного температурного режима. Это связано с тем, что уже при температуре +25-30°C желатиновые среды плавятся. В полужидком виде они помещаются на поверхность чашки Петри до полного затвердения.

Наиболее распространенные плотные среды: сыворотка крови свернутая, яйца, также выращивание колоний может производиться на картофеле.

Популярный и доступный инвентарь

Культивирование микроорганизмов в чашке Петри – один из самых распространенных методов получения необходимых бактерий, отличающийся простотой использования. Он подходит и для молочнокислых культур в том числе.

Чашка Петри – емкость для лаборатории и дома, представляющая собой два плоских блюда с вертикальными невысокими краями. То блюдо, что больше, служит крышкой.

С целью выращивания колоний в питательной среде Петри должна быть подготовлена соответствующим образом. Для стерилизации стеклянный сосуд обдают сухим жаром, используя сушильный шкаф. Затем осторожно выливают на ее поверхность остуженную до 55°C среду (расплавленную), придерживаясь горизонтального положения посуды. Использовать можно любые мазки – с щелей в полу или плинтусов, со стола на кухне, даже с собственной кожи. Аккуратно стряхните ватный тампон с невидимыми подопытными на чашку и закройте крышку. Чашку поставьте и ежедневно следите за изменениями.

Важно знать, что в чашке Петри можно использовать плотные питательные среды. Это позволяет, кроме культивирования, производить рассев, выделение колоний изолированного типа, оценивать чувствительность бактерий к препаратам антибактериального спектра.

Чтобы подсчитать количество колоний культур в домашних условиях или лаборатории, достаточно поднести чашку Петри к источнику яркого света. Доступность, а также простота пользования данным инвентарем значительно упрощает процесс выращивания бактериальных колоний.

Штаммы для пищевой промышленности

Чтобы производство продуктов питания на основе молока было на высоком уровне, обеспечивая потребителям необходимые объемы йогуртов, кефира и других молочнокислых изделий, технологи выделяют бактерии, занимаются их селекционированием и изготавливают закваски.

Штаммы молочнокислых культур получают в лаборатории из молочной сыворотки с добавлением:

• кукурузного экстракта,
• стимуляторов роста,
• буферных солей.

Выращивание молочнокислых микроорганизмов, подразделяющихся на две группы – палочки и стрептококки – требует выдержки временных и температурных рамок.

Выращивание микроорганизмов для очистки сточных вод

Чтобы добиться максимальной эффективности при фильтрации сточных вод, используются определенные виды культур бактерий. Для владельцев септика это незаменимое вещество, позволяющее предотвратить распространение неприятного запаха, активировать механизм переработки органических залежей на дне.

Штаммы для септика представляют собой смесь из ферментов, живых культур, аминокислот. Используемая среда – специальный минеральный носитель. Данный вид бактерий для дачного септика склонен к анабиозу, то есть до момента попадания на дно ямы микроорганизмы находятся в «спящем» состоянии и активизируются только при прямом контакте с водой или органикой. Если в пределах септика недостаточное количество жидкости или постоянно преобладают низкие температуры, независимо от метода выращивания бактерии будут «работать» медленнее.

Культивирование различных видов бактерий (молочнокислых, для лекарств, для септика) производится специалистами. Препараты попадают к потребителю уже готовыми. Однако зная правила выращивания штаммов, необходимую для каждого класса культур питательную среду и имея под рукой чашку Петри (для молочнокислых бактерий в том числе), можно пробовать делать это дома. Шансы на получение хорошего результата высоки, главное – правильно стерилизовать посуду, а также исключить попадание инородных веществ, способных повлиять на чистоту эксперимента. Вырастить бактерии для септика сложнее, чем получить закваску молочнокислых культур.

Бактерии решают все

Бактерии решают все

Микробиом – сообщество из триллионов бактерий, обитающих в нашем желудочно-кишечном тракте. Он весит порядка 1,4 кг – почти столько же, сколько и мозг. Бактерий очень много – по численности они обходят живые клетки человека в соотношении 9 к 1.

Микробиома человека

Микробиома человека

Создатель микробиомной диеты доктор Рафаэль Келман в шутку говорит:

люди – всего лишь «бактерии в костюмах».

Бактериальных генов больше, чем человеческих, в 150 (!) раз. Часто влияние генов бактерий на нашу повседневную жизнь оказывается даже более значимым, чем в случае с «родным» геномом.

Когда микробиом сбалансирован, у нас есть очень сильный союзник. Благодаря «довольным» микробам тело остается здоровым, пищеварение – хорошим, мышление – ясным. Если же баланс нарушен, последствия не заставят себя ждать – спутниками вашей жизни станут или могут стать «туман» в голове, депрессия, тревожность, проблемы с кожей и бессонница, ожирение, диабет, рак…

Популяция сверхважного для организма микробиома меняется очень быстро – в течение всего одного дня! Вместе с составом меняются и гены. Можно проснуться в понедельник с одним набором микробиомных генов, а во вторник – уже с другим.

На популяцию микробиома влияет множество факторов: окружение, упражнения, сон, стресс. Но самый важный – питание. «То, как вы питаетесь, определяет, какие микробы внутри вас живут «счастливо», а какие – вымирают и исчезают».

Эксперимент

Эксперимент

В 2011 году ученые из Гарварда и Университета Дюка провели крайне любопытное исследование. Добровольцам предложили две кардинально отличающиеся друг от друга диеты. Участники из первой группы питались пищей с высоким содержанием белка: беконом, яйцами, свиными ребрышками, грудинкой, салями, сыром и шкварками. Во второй группе ели очень много клетчатки – фрукты, овощи, злаки и бобы. Бактериальный анализ выделений показал большое – и практически мгновенное – влияние рациона на кишечные бактерии в обеих группах.

В организме началась выработка тех типов бактерий, которые помогли бы переваривать те виды пищи, которые люди только что съели. Всего за 24 часа «мясоеды» получили повышенную дозу бактерий, устойчивых к желчным кислотам (продукту, возникающему в процессе переваривания мяса). То есть микробиом среагировал соответствующим образом. У «вегетарианцев» из второй группы таких бактерий было куда меньше – так как в них не было надобности.

Такая «гибкость» микробиома объясняет, почему наше тело столь быстро адаптируется почти к любой пище. Природа дала человеку великолепный механизм выживания, который помогает ему привыкнуть к самым разным рационам питания.

Форма тела

Бактерии — многочисленные и разнообразные организмы. Они различаются по форме.

Название бактерии	Форма бактерии	Изображение бактерии
Кокки		Шарообразная
Бацилла		Палочковидная
Вибрион		Изогнутая в виде запятой
Спирилла		Спиралевидная
Стрептококки		Цепочка из кокков
Стафилококки		Грозди кокков
Диплококки		Две круглые бактерии, заключённые в одной слизистой капсуле

Способы передвижения

Среди бактерий есть подвижные и неподвижные формы. Подвижные передвигаются за счёт волнообразных сокращений или при помощи жгутиков (скрученные винтообразные нити), которые состоят из особого белка флагеллина. Жгутиков может быть один или несколько. Располагаются они у одних бактерий на одном конце клетки, у других — на двух или по всей поверхности.

Но движение присуще и многим иным бактериям, у которых жгутики отсутствуют. Так, бактерии, покрытые снаружи слизью, способны к скользящему движению.

У некоторых лишённых жгутиков водных и почвенных бактерий в цитоплазме имеются газовые вакуоли. В клетке может быть 40-60 вакуолей. Каждая из них заполнена газом (предположительно — азотом). Регулируя количество газа в вакуолях, водные бактерии могут погружаться в толщу воды или подниматься на её поверхность, а почвенные бактерии — передвигаться в капиллярах почвы.

Место обитания

В силу простоты организации и неприхотливости бактерии широко распространены в природе. Бактерии обнаружены везде: в капле даже самой чистой родниковой воды, в крупинках почвы, в воздухе, на скалах, в полярных снегах, песках пустынь, на дне океана, в добытой с огромной глубины нефти и даже в воде горячих источников с температурой около 80ºС. Обитают они на растениях, плодах, у различных животных и у человека в кишечнике, ротовой полости, на конечностях, на поверхности тела.

Бактерии — самые мелкие и самые многочисленные живые существа. Благодаря малым размерам они легко проникают в любые трещины, щели, поры. Очень выносливы и приспособлены к различным условиям существования. Переносят высушивание, сильные холода, нагревание до 90ºС, не теряя при этом жизнеспособность.

Практически нет места на Земле, где не встречались бы бактерии, но в разных количествах. Условия жизни бактерий разнообразны. Одним из них необходим кислород воздуха, другие в нём не нуждаются и способны жить в бескислородной среде.

В воздухе: бактерии поднимаются в верхние слои атмосферы до 30 км. и больше.

Особенно много их в почве. В 1 г. почвы могут содержаться сотни миллионов бактерий.

В воде: в поверхностных слоях воды открытых водоёмов. Полезные водные бактерии минерализуют органические остатки.

В живых организмах: болезнетворные бактерии попадают в организм из внешней среды, но лишь в благоприятных условиях вызываю заболевания. Симбиотические живут в органах пищеварения, помогая расщеплять и усваивать пищу, синтезируют витамины.

Внешнее строение

Клетка бактерии одета особой плотной оболочкой — клеточной стенкой, которая выполняет защитную и опорную функции, а также придаёт бактерии постоянную, характерную для неё форму. Клеточная стенка бактерии напоминает оболочку растительной клетки. Она проницаема: через неё питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена веществ выходят в окружающую среду. Часто поверх клеточной стенки у бактерий вырабатывается дополнительный защитный слой слизи — капсула. Толщина капсулы может во много раз превышать диаметр самой клетки, но может быть и очень небольшой. Капсула — не обязательная часть клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она предохраняет бактерию от высыхания.

На поверхности некоторых бактерий имеются длинные жгутики (один, два или много) или короткие тонкие ворсинки. Длина жгутиков может во много раз превышать разметы тела бактерии. С помощью жгутиков и ворсинок бактерии передвигаются.

Внутреннее строение

Внутри клетки бактерии находится густая неподвижная цитоплазма. Она имеет слоистое строение, вакуолей нет, поэтому различные белки (ферменты) и запасные питательные вещества размещаются в самом веществе цитоплазмы. Клетки бактерий не имеют ядра. В центральной части их клетки сконцентрировано вещество, несущее наследственную информации. Бактерии, — нуклеиновая кислота — ДНК. Но это вещество не оформлено в ядро.

Внутренняя организация бактериальной клетки сложна и имеет свои специфические особенности. Цитоплазма отделяется от клеточной стенки цитоплазматической мембраной. В цитоплазме различают основное вещество, или матрикс, рибосомы и небольшое количество мембранных структур, выполняющих самые различные функции (аналоги митохондрий, эндоплазматической сети, аппарата Гольджи). В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Гранулы могут состоять из соединений, которые служат источником энергии и углерода. В бактериальной клетке встречаются и капельки жира.

В центральной части клетки локализовано ядерное вещество — ДНК, не отграниченная от цитоплазмы мембраной. Это аналог ядра — нуклеоид. Нуклеоид не обладает мембраной, ядрышком и набором хромосом.

Способы питания

У бактерий наблюдаются разные способы питания. Среди них есть автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы — организмы, способные самостоятельно образовывать органические вещества для своего питания.

Гетеротрофы — организмы, использующие для своего питания готовые органические вещества. Гетеротрофные бактерии подразделяются на сапрофитов, симбионтов и паразитов.

Растения нуждаются в азоте, но сами усваивают азот воздуха не могут. Некоторые бактерии соединяют содержащиеся в воздухе молекулы азота с другими молекулами, в результате чего получаются вещества, доступные для растений.

Эти бактерии поселяются в клетках молодых корней, что приводит к образованию на корнях утолщений, называемых клубеньками. Такие клубеньки образуются на корнях растений семейства бобовых и некоторых других растений.

Корни дают бактериям углеводы, а бактерии корням — такие содержащие азот вещества, которые могут быть усвоены растением. Их сожительство взаимовыгодно.

Корни растений выделяют много органических веществ (сахара, аминокислоты и другие), которыми питаются бактерии. Поэтому в слое почвы, окружающем корни, поселяется особенно много бактерий. Эти бактерии превращают отмершие остатки растений в доступные для растения вещества. Этот слой почвы называют ризосферой.

Существует несколько гипотез о проникновении клубеньковых бактерий в ткани корня:

• через повреждения эпидермальной и коровой ткани;
• через корневые волоски;
• только через молодую клеточную оболочку;
• благодаря бактериям-спутникам, продуцирующим пектинолитические ферменты;
• благодаря стимуляции синтеза В-индолилуксусной кислоты из триптофана, всегда имеющегося в корневых выделениях растений.

Процесс внедрения клубеньковых бактерий в ткань корня состоит из двух фаз:

• инфицирование корневых волосков;
• процесс образования клубеньков.

В большинстве случаев внедрившаяся клетка, активно размножается, образует так называемые инфекционные нити и уже в виде таких нитей перемещается в ткани растения. Клубеньковые бактерии, вышедшие из инфекционной нити, продолжают размножаться в ткани хозяина.

Наполняющиеся быстро размножающимися клетками клубеньковых бактерий растительные клетки начинают усиленно делиться. Связь молодого клубенька с корнем бобового растения осуществляется благодаря сосудисто-волокнистым пучкам. В период функционирования клубеньки обычно плотные. К моменту проявления оптимальной активности клубеньки приобретают розовую окраску (благодаря пигменту легоглобину). Фиксировать азот способны лишь те бактерии, которые содержат легоглобин.

Бактерии клубеньков создают десятки и сотни килограммов азотных удобрений на гектаре почвы.

Обмен веществ

Бактерии отличаются друг от друга обменом веществ. У одних он идёт при участии кислорода, у других — без его участия.

Большинство бактерий питается готовыми органическими веществами. Лишь некоторые из них (сине-зелёные, или цианобактерии), способны создавать органические вещества из неорганических. Они сыграли важную роль в накоплении кислорода в атмосфере Земли.

Бактерии впитывают вещества извне, разрывают их молекулы на части, из этих частей собирают свою оболочку и пополняют своё содержимое (так они растут), а ненужные молекулы выбрасывают наружу. Оболочка и мембрана бактерии позволяет ей впитывать только нужные вещества.

Если бы оболочка и мембрана бактерии были полностью непроницаемыми, в клетку не попали бы никакие вещества. Если бы они были проницаемыми для всех веществ, содержимое клетки перемешалось бы со средой — раствором, в которой обитает бактерия. Для выживания бактерии необходима оболочка, которая нужные вещества пропускает, а ненужные — нет.

Бактерия поглощает находящиеся близ неё питательные вещества. Что происходит потом? Если она может самостоятельно передвигаться (двигая жгутик или выталкивая назад слизь), то она перемещается, пока не найдёт необходимые вещества.

Если она двигаться не может, то ждёт, пока диффузия (способность молекул одного вещества проникать в гущу молекул другого вещества) не принесёт к ней необходимые молекулы.

Бактерии в совокупности с другими группами микроорганизмов выполняют огромную химическую работу. Превращая различные соединения, они получают необходимую для их жизнедеятельности энергию и питательные вещества. Процессы обмена веществ, способы добывания энергии и потребности в материалах для построения веществ своего тела у бактерий разнообразны.

Одни бактерии нуждаются в готовых органических веществах — аминокислотах, углеводах, витаминах, — которые должны присутствовать в среде, так как сами они не смогут их синтезировать. Такие микроорганизмы называются гетеротрофами. Они получают необходимую им энергию при окислении органических веществ кислородом или при сбраживании (без участия кислорода). В зависимости от субстрата, на котором развиваются бактерии, различают:

• сапрофитные формы — питаются мёртвым органическим веществом (молочно-кислые бактерии, бактерии гниении я и др.);
• бактерии-паразиты — развиваются только на живых организмах (менингококки, гонококки, и др.);
• относятся и к паразитическому, и к сапрофитному образу жизни (палочки сыпного тифа, сибирской язвы, бруцеллёза и др.).

Другие бактерии все потребности в углероде, необходимом для синтеза органических веществ тела, удовлетворяют за счёт неорганических соединений. Они называются автотрофами. Автотрофные бактерии способны синтезировать органические вещества из неорганических. Среди них различают:

Хемосинтез

Использование лучистой энергии — важнейший, но не единственный путь создания органического вещества из углекислого газа и воды. Известны бактерии, которые в качестве источника энергии для такого синтеза используют не солнечный свет, а энергию химических связей, происходящих в клетках организмов при окислении некоторых неорганических соединений — сероводорода, серы, аммиака, водорода, азотной кислоты, закисных соединений железа и марганца. Образованное с использованием этой химической энергии органическое вещество они используют для построения клеток своего тела. Поэтому такой процесс называют хемосинтезом.

Важнейшую группу хемосинтезирующих микроорганизмов составляют нитрифицирующие бактерии. Эти бактерии живут в почве и осуществляют окисление аммиака, образовавшегося при гниении органических остатков, до азотной кислоты. Последняя, реагирует с минеральными соединениями почвы, превращаются в соли азотной кислоты. Этот процесс проходит в две фазы.

Железобактерии превращают закисное железо в окисное. Образованная гидроокись железа оседает и образует так называемую болотную железную руду.

Некоторые микроорганизмы существуют за счёт окисления молекулярного водорода, обеспечивая тем самым автотрофный способ питания.

Характерной особенностью водородных бактерий является способность переключаться на гетеротрофный образ жизни при обеспечении их органическими соединениями и отсутствии водорода.

Таким образом, хемоавтотрофы являются типичными автотрофами, так как самостоятельно синтезируют из неорганических веществ необходимые органические соединения, а не берут их в готовом виде от других организмов, как гетеротрофы. От фототрофных растений хемоавтотрофные бактерии отличаются полной независимостью от света как источника энергии.

Польза бактерий

Деятельность бактерий разнообразна и имеет огромное значение в природе и жизни человека. Бактерии играют большую роль в переработке молока (рис. 1), в получении его производных, таких как йогурт, творог, сметана, ряженка, простокваша, сыр и кефир.

Рис. 1. Получение производных молока с помощью бактерий

Молочнокислые бактерии, питаясь сахаром, содержащимся в молоке, образуют молочную кислоту. Под ее действием молоко превращается в простоквашу, а сливки – в сметану. Квашение овощей, силосование кормов тоже происходит с помощью молочнокислых бактерий. Образовавшаяся молочная кислота предохраняет овощи и корма от разложения. Кефир делает особый кефирный грибок, но без помощи бактерий грибок бы не справился.

Бактерии – наши замечательные соседи: на нас и внутри нас живет огромное количество бактерий, которые не только нам не вредят, но и помогают, та как их отсутствие вызывает болезнь. Самые известные из них – это бифидум-бактерии и кишечная палочка. Они укрепляют наш иммунитет, помогают пищеварению и делают много полезного для нашего организма. Ученые добились, чтобы бактерии образовывали и выделяли нужные для нас вещества – лекарства.

Вред бактерий

Самая большая опасность, которую несут в себе бактерии, – инфекционные болезни, которые вызывают бактерии-паразиты. Эти бактерии поселяются внутри нас, поедают наши ткани, отравляют наш организм, вызывая болезни, такие как чума, холера, ангина, воспаление легких. Существуют бактерии, портящие наши продукты.

Установление присутствия

Несмотря на почтенный возраст самой науки биологии, микробиологи только в конце 19-го века смогли выявить некоторые характеристики совместной жизни бактерий и растений. Лишь затем, с появлением электронных микроскопов, были установлены механизмы тех связей, существование которых только констатировалось при изучении организмов более примитивными инструментами.

Сегодня биология имеет сведения о следующих видах взаимодействия бактерий и растений:

• мутуализм (роль, которая отведена бактериям и растениям в этом взаимовыгодном симбиозе – помогать друг другу);
• паразитизм (значение и роль симбионтов в таком союзе негативная: симбионт-паразит вредит симбионту-хозяину; в подавляющем большинстве известных случаев паразитами являются бактерии);
• комменсализм (бактерии или грибы получают питание от хозяина-растения, при этом самому хозяину в результате такого питания ущерб не причиняется).

Подробнее можно увидеть классификацию в таблице.

Кроме разделения по характеру полезности, симбиозы растений с прокариотами могут находиться вне клеток растений (экзосимбиозы) или с поражением эукариотических растительных клеток (эндосимбиозы).

Мутуализм

Первые описания мутуализма биология получила в результате исследований голландского ботаника Бейеринка, проведенных в 1888 году. Он изучал клубеньки бобовых растений, природой которых биология интересовалась, начиная с 17-го века. В процессе изучения брались стерильные семена бобовых растений и проращивались в контролируемых условиях. Одни семена в процессе жизни обрабатывались чистыми культурами бактерий (специально разведенными в лабораторных условиях штаммами), выделенных из клубеньков, другие – не обрабатывались.

В результате эксперимента обработанные жидкостью с содержанием бактерий бобовые имели на своих корнях характерные клубеньки, а необработанные – не имели. Так было установлено, что присутствие бактерий имеет значение в формировании и жизни корневой системы бобовых.

Польза симбиоза устанавливалась гораздо дольше, и на сегодняшний день биология имеет следующее описание процесса этого полезного взаимодействия:

1. У каждого вида бобовых растений есть свои персональные бактерии-симбионты (у клевера – свои, у гороха – свои, у бобов – свои). Такая персонификация имеет значение при взаимодействии белков (лектинов) корневых волосков растения с углеводами клеточной мембраны бактерий. Белки каждого вида бобовых имеют свои отличительные особенности. Именно поэтому требуются разные углеводы в бактериальных клеточных мембранах для успешной совместной жизни.
2. В процессе прорастания семян растений, в ризосфере (область почвы возле корней) накапливаются органические питательные вещества, которые выделяют корни в грунт в процессе своего роста. Привлеченные этой органикой бактерии взаимодействуют с корневыми волосками растений и через них проникают в эукариотические клетки корней бобовых.
3. С момента проникновения бактерий в ткани корня, в корневых клетках начинают вырабатываться особые белки – флавоноиды (учеными определена главенствующая роль флавоноидов в формировании окраски растений). В ответ на увеличение количества флавоноидов бактерия начинает вырабатывать белки, отвечающие за согласованность действий бактериальной клетки и корневой клетки.
4. Действуя согласованно, прокариотические и эукариотические клетки образуют в полости корня бобового трубку, в которой и разрастается бактериальная колония.
5. В процесс симбиоза бактерии избавляют эукариотические клетки от избытка кислорода и фиксируют азот из атмосферы в клубеньках корневой системы. Атмосферный азот фиксируется только в этих симбиотических образованиях за счет синтеза в них защитного белка – леггемоглобина.

Большую роль такая совместная жизнь играет в сельском хозяйстве как единственный природный способ обогатить сельхозугодия азотом.

В полезном сотрудничестве с растениями задействованы не только бактерии, но и эукариоты – грибы. Причем механизм взаимодействия очень похож. Грибы в процессе жизни образовывают в корнях растений мицелий (грибницу), которая играет активную роль в обеспечении и растения и грибов фосфором и органикой из почвы. Такой симбиоз грибов и растений называется микориза.

Паразитизм

Биология знает виды организмов, ведущих паразитический образ жизни в таких царствах, как царство грибов, царство растений, царство животных и, конечно же, царство бактерий.

Паразит использует хозяина как источник пищи, тем самым причиняя ему серьезный вред, вплоть до летального исхода. Процессы, которые сопровождают взаимодействие паразита с хозяином, называется патогенным. Степень опасности этих процессов для организма хозяина обозначается словом вирулентность (она бывает высокая, средняя и низкая) и зависит от количества бактерий-патогенов, способных вызвать опасность для жизни организма-хозяина. Чем их меньше, тем вирулентность выше.

В установлении взаимодействия бактерий-фитопаразитов с клетками растений основную роль играют два фактора:

• адгезия (специфические свойства бактерий, позволяющие прилипать к клеткам растений);
• действие ферментов гидролаз (белков, ускоряющий химические реакции), которые разрушают стенки эукариотических клеток.

Этими двумя свойствами обладают паразиты, живущие не только за счет растений, но и за счет грибов и животных.

По воздействию на организмы хозяев, как растений, так и животных, и грибов, деятельность бактерий-паразитов характеризуется выработкой токсинов (ядов). Бактерии могут продуцировать токсины в окружающую среду (экзотоксины) или накапливать яды внутри своей клетки, отравляя организм хозяина только после своей смерти.

Биология дала материал для изучения токсинов, влияющих на жизнь и здоровье растений. В биологии известно влияние бактериальных токсинов на растения. Они вызывают:

• увядание в результате закупорки проводящих сосудов;
• разрушение ткани (гниль);
• некрозы (порча листьев);
• опухоли (гипертрофии) в результате неправильного формирования тканей растения.

Комменсализм

Биология знает достаточно примеров комменсализма. В основном это использование организмами-комменсалами поверхностей других организмов для укрытия либо для перемещения в пространстве. При комменсализме одному участнику такие взаимоотношения выгодны, а другому – безразличны.

Широко в природе распространены комменсалы-грибы. В основном грибы сотрудничают с насекомыми, которые имеют возможность разнести на своих конечностях грибные споры. Также известны грибы, которые выступают в качестве стороны, создающей условия для успешного существования организма-комменсала. Так, грибы, разрушающие древесину, создают условия (труху) для развития личинок некоторых видов насекомых.

Взаимодействие растений и бактерий не очень богато случаями комменсализма. Даже если они и происходят, то носят эпизодический характер и не являются стратегией выживания.

Роль бактерий в природе

Самое главное, что делают бактерии в природе, – это поедание отмерших организмов, бактерии как бы работают для нас дворниками, их называют сапротрофы.

Питаясь органическими веществами мертвых тел, эти бактерии превращают погибшие растения и трупы животных в перегной. В одном кубическом сантиметре поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов почвенных бактерий. Эти бактерии превращают перегной в минеральные вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений (рис. 2).

Рис. 2. Роль бактерий в круговороте веществ в природе

Бактерии участвуют в круговороте веществ на планете, в биосфере все вещества переходят от организма к организму, они находятся в постоянных круговоротах. Без бактерий эти вещества накапливались бы в больших количествах, не поступали бы дальше, то есть без них круговорот веществ был бы невозможен: примером может быть круговорот азота в природе. В почве существуют определенные бактерии, которые из азота воздуха делают азотные удобрения для растений, это клубеньковые бактерии, которые поселяются прямо в корнях растений.

Бактерии – самые многочисленные существа на земле, и они участвуют в цепях питания: есть крошечные организмы, питающиеся бактериями. Особые бактерии – цианобактерии, бактерии, способные к фотосинтезу, которые насыщают нашу землю кислородом. Бактерии оказывают на землю практически глобальное воздействие, они вездесущи и необыкновенно выносливы, бактерии определяют границы биосферы – самую нижнюю ее часть, где еще можно найти бактерии, и самую верхнюю ее часть, где бактерии существуют.

Защищает растения от многих болезней

Bacillus subtilis — удивительная бактерия. Многие сталкивались с ее другим названием — сенная палочка. Именно ее создатель теории панспермии Фрэнсис Крик пророчил в «семена жизни» из-за очень устойчивых спор. Эту бактерию можно встретить в воде, воздухе и почве. Она необыкновенно способна к адаптации в меняющихся условиях. Данная особенность получила объяснение, когда ученые расшифровали геном B. subtilis. Во время исследований был обнаружен большой набор транспортных белков, свидетельствующих о гибкости взаимодействия этой бактерии с окружающей средой.
Эта полезная бактерия — настоящая труженица, она способна синтезировать более 70 антибиотиков. Действие многих из них направлено против возбудителей опасных болезней растений. Поэтому B. subtilis охотно используют в качестве основного компонента микробиологических препаратов для обработки садовых растений.

Сенная палочка входит в состав многих микробиологических препаратов, применяемых против болезней растений
Здесь надо отметить, что разные штаммы этой бактерии работают с различной эффективностью при, казалось бы, одинаковых условиях. И наоборот, один и тот же штамм при отличающихся друг от друга условиях может с большим или меньшим успехом бороться с растительной инфекцией. Вот почему разработчики препаратов указывают определенный регламент их применения. Он может сильно различаться у препаратов отдельных производителей, хотя в основе каждого из них лежит все та же Bacillus subtilis.
В последнее время в самых современных препаратах используют отдельные элементы B. subtilis в качестве так называемых элиситоров — веществ, способных вызвать иммунный отклик у растений. После обработки такими препаратами растение готово к встрече с настоящим патогеном, то есть приобретает определенную устойчивость.
Несмотря на свою популярность среди ученых и растениеводов, B. subtilis еще не открыла людям всех своих возможностей. Поэтому исследования ее самой и биологически активных веществ, которые она образует за время своей жизни, продолжаются до сих пор.

Подавляют фитопатогены и стимулируют рост

Среди бактерий рода Pseudomonas есть вредные микроорганизмы, которые вызывают серьезные заболевания растений. Однако есть у этого рода и полезные для нас представители — это сапротрофные бактерии, заселяющие в почве прикорневую зону и являющиеся естественными регуляторами фитопатогенных микроорганизмов. К ним относятся Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas putida, Pseudomonas aureofaciens.

Сапротрофные бактерии заселяют прикорневую зону
Pseudomonas fluorescens вырабатывают антибиотики и бактериоцины. Бактериоцинами называются специфические белки, подавляющие жизнедеятельность клеток других штаммов того же вида или родственных видов бактерий. Поэтому P. fluorescens используют для борьбы с патогенными бактериями рода Pseudomonas, а также другими возбудителями заболеваний.
P. fluorescens также вырабатывают стимуляторы роста. Именно благодаря наличию в корневой зоне растений этих бактерий в нейтральных или слабощелочных почвах идут процессы подавления или вытеснения вредных микроорганизмов, способных вызывать болезни растений. Ученые называют такие почвы обладающими супрессивностью.

Избавляет растения от стресса, обогащает азотом и способствует самоочищению почв

Azotobacter chroococcum впервые была описана в 1901 году. Эта бактерия — свободноживущий азотфиксатор. Нет азота — нет белка, нет хлорофилла; собственно, нет растений. Кроме того, A. chroococcum синтезирует различные фитогормоны, в том числе ауксины, соответственно — является природным производителем стимуляторов роста растений.
Выделяет A. chroococcum и экзополисахариды. Эти интереснейшие вещества выполняют много функций. Одна из них — способность мобилизации тяжелых металлов в почве. Наличие этой бактерии в почвенном слое способствует самоочищению земли, загрязненной тяжелыми металлами — кадмием, ртутью, свинцом. Надо отметить, что способность к самоочищению является одним из двух показателей здоровой почвы (второй такой показатель — уже упомянутая нами супрессивность).

Удобрения, содержащие Azotobacter chroococum, помогают растениям справиться со стрессом

Также экзополисахариды в значительной степени влияют на возможность растений восстанавливаться после стрессов — негативных природных явлений, химических ожогов и т.д. Неудивительно, что A. chroococcum применяется не только в качестве одной из основных составляющих микробиологических удобрений (активаторов), но и как часть инновационных антистрессовых программ, разработанных для поддержки и восстановления растений после гербицидных ожогов, заморозков, повреждения градом и т.д.