8. Микроорганизмы и сельское хозяйство. Путешествие в страну микробов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рефератподисциплине«Геохимическаядеятельность»натему:

«Рольбактерийвсельскомхозяйстве»

Источник: http://revolution.allbest.ru/biology/00743198_0.html

Микробиологический контроль вредителей: симбиозы, основанные на антагонизме 

Образуя большое количество С-соеди-нений, растения привлекают многочисленных вредителей — патогенов и растительноядных животных. Для нейтрализации этих антагонистов растения поддерживают разнообразных защитных симбионтов. Их биоконтрольные функции выполняются благодаря двум механизмам — прямому подавлению вредителей (синтез токсинов, антибиотиков, литических экзоферментов; конкуренция за питательные субстраты) и индукции защитных реакций хозяина.

У защитных симбионтов способность к подавлению вредителей растений могла возникнуть до начала активного взаимодействия с самими растениями — в ходе коэволюции микроорганизмов с фитопатогенами или фитофагами, то есть растения культивируют уже сложившихся «врагов своих врагов». Например, Pseudomonas и Serratia обладают способностью к микофагии, лизируя гифы фузариума внеклеточными хитиназами. Многие штаммы аскомицетов рода Cordyceps являются бессимптомными эндо- и эпифитами растений и проходят полное развитие в теле насекомого-жертвы. Непрямое подавление патогенов часто связано с малоспецифическими эффектами: многие симбиотические организмы (ризобии, микоризные грибы, ризосферные бактерии) проникают в растения без образования некротических зон, вызывая системную устойчивость к патогенам. Защитные эндофиты, как и азотфиксирующие, обычно проникают в растение-хозяина с помощью организмов-векторов, которые представляют собой регулярных сожителей растений. Примером служит коринеформная бактерия Clavibacter toxicus: она проникает в растение вместе с нематодой Anguina, колонизируя образуемые ею галлы, откуда затем системно распространяется по всему растению. Присутствие этих эндофитов делает растение токсичным для животных, и таким образом Clavibacter «охраняет» его как удобную нишу для нематоды-вектора. Фактически при этом формируется многокомпонентная система, в которой разные организмы (бактерии, нематоды, животные-фитофаги) конкурируют за С-метаболиты хозяина, а тот, в свою очередь, благодаря динамичным обратным связям обеспечивает распределение С-ресурсов в пользу наиболее полезных симбионтов.

Естественные антагонисты вредителей растений могут быть использованы для биоконтроля независимо от того, обладают ли они способностью быть симбионтами растений. Один из основоположников сельскохозяйственной микробиологии С.С. Мережковский для подавления грызунов (мышей, крыс, сусликов) предложил применять вид Salmonella enteritidis, не опасный для человека и сельскохозяйственных животных. Отметим, что некоторые бактерии, традиционно используемые для избирательного подавления определенных вредителей, оказались носителями весьма широкого спектра биоконтрольных функций. Так, Bacillus thuringiensis — вид, широко применяемый для подавления вредных насекомых, активен также против многих фитопатогенных грибов. Другой пример полифункциональных симбионтов растений — штаммы Streptomyces, которые используются против фитопатогенов, но часто проявляют активность и против паутинных клещей.

Источник: http://agriecomission.com/base/selskohozyaistvennaya-mikrobiologiya-kak-osnova-ekologicheski-ustoichivogo-agroproizvodstva

Заменяем химию биологией: сила микробов

В природе растения эволюционируют вместе с микробами, живущими в прикорневой зоне, на листьях и даже внутри растительных клеток. Растения обеспечивают микробы питательными веществами в форме углерода, а микробы, в свою очередь, делают питательные вещества доступными для растений и помогают последним предотвратить заболевания. Но когда люди начали вносить все больше и больше химикатов на поля и пахать землю, они разрушили тесную связь растений с микробами, уничтожив много полезных микроорганизмов.

Несколько лет назад адъюнкт-профессор Университет штата Колорадо Мэттью Валленштейн решил использовать свои знания о почвенных микробах для улучшения земледелия. Среди прочего, его вдохновил неожиданный успех врачей в использовании материала из человеческих фекалий для лечения хронической и часто смертельной бактериальной инфекции — псевдомембранозного колита, вызываемого бактериями Clostridium difficile. Путем простого переселения фекальной микробиоты от здорового человека болезнь была вылечена. Смог бы работать подобный подход в сельском хозяйстве?

«Микробы важны для любого агроценоза. — говорит Валленштейн. — Даже если мы разработали невероятно производительные системы хозяйствования, данные исследований свидетельствуют о том, что мы имеем больше возможностей для совершенствования, обогащая микробиоту».

Вместе со своим коллегой в Университете штата Колорадо доктором Колином Беллом он начал разрабатывать микробиологическую технологию повышения доступности фосфора, критически необходимого растениям для роста. В сельском хозяйстве вносят фосфорные удобрения, однако при этом до 70% фосфора связывается грунтовыми частицами, они становятся недоступным для растений. Растениям важно получить элементы питания, причем именно тогда, когда они в них нуждаются. Один из способов достичь этого — использовать полезные микроорганизмы.

Микробы могут разблокировать фосфор и микроэлементы, делая их доступными для растений. В Университете штата Колорадо разработали комбинацию 4 бактерий, которые исключительно хорошо сделали фосфор доступным для растений, благодаря чему растения вырастали большими и здоровыми. Бактерии делают это, производя специальные молекулы, которые разрывают связи между фосфором и частичками грунта. Чтобы предоставить эту технологию фермерам, была создана компания Growcentia, первым препаратом которой стал Mammoth P.

С каждым годом все больше исследователей полагает, что микробы помогут накормить мир. Появилось немало подобных стартапов: AgBiome, Indigo, Maronne Bioinnovations и New Leaf Symbiotics. Роль биопрепаратов в сельском хозяйстве будет расти по мере инвестиций в их разработку и внедрение. Согласно некоторым прогнозам, ожидается увеличение вложений в исследования и разработки в этой области на 20% по сравнению с 2016-м годом.

Крупнейшие в мире сельскохозяйственные компании тоже много инвестируют в биопрепараты. Например, Monsanto сейчас инвестирует $300 млн в объединение с биотехнологической компанией NovoZymes.

«Наш двухкомпонентный препарат Vault HP plus Integral образует симбиотические связи с соей. — говорит Джастин Кларк, технический маркетинг-менеджер по защите растений американского подразделения BASF. — Мы покрываем семена высокой концентрацией бактерии ризобии, благодаря чему растение формирует больше пузырьков и усваивает больше азота».

Компания BASF в течение следующих 5 лет планирует вывод на рынок не менее 4 новых биопрепаратов.

Почему транснациональная компания входит в микробиологическую отрасль? Частично химический гигант признает проблемы, созданные «химическим» сельским хозяйством, и хочет сохранить свои позиции и в будущем. Очевидно, BASF чувствует потенциальные доходы от предоставления фермерам новых инструментов, чтобы производить продовольствие эффективнее и с меньшим влиянием на нашу планету.

Growcentia сосредотачивается на грунтовых микроорганизмах, повышающих эффективность использования и усвоения элементов питания, но микробы помогают сельскому хозяйству и другими способами. Некоторые компании работают над созданием продуктов на основе микробов, снижают стресс растений от засухи, побуждая их путем «обмана» продолжать рост даже в условиях засухи. Биопрепараты помогают справиться растениям со стрессом, вводя их в заблуждение — будто они подверглась атаке. Это включает естественные защитные силы, которые помогают растению пережить стресс от жары или засухи.

Так, фирма Verdesian Life Sciences хочет дополнительно помочь культурным растениям пережить стресс с помощью бактерии, которая ранее не использовалась в биопрепаратах. «Есть бактерия под названием Pseudomonas fluorescens, которая действует, как гербицид, контролирующий один из видов костреца (Bromus tectorum — рус. костёр кровельный), который в США является одним из самых агрессивных сорняков, в частности, пшеницы», — рассказывает вице- президент по технологическому развитию Verdesian Life Sciences Сэм Уилсон.

Фирмы Marrone Bio Innovation и Groundwork BioAg только что запустили первую чисто биологическую технологию оздоровления семян.

С помощью биопрепаратов можно стимулировать и более ранний рост растений. Так, некоторые биопрепараты ускоряют укоренение рассады.

Но, пожалуй, наиболее соблазнительной возможностью выглядит контроль вредителей без применения химических СЗР. Биопрепараты могут вытеснять вредителей, нанося им вред, останавливая их рост и тому подобное.

Конкуренция означает, что микробиота биопрепаратов вытесняет вредные микробы. В антибиотиках в рост или активность вредителей вмешиваются метаболиты. Это убивает вредителей или нейтрализует их, нарушая естественное развитие.

Микроорганизм сталкивает два организма в смертельной битве друг с другом. Если заселенные с помощью биопрепарата организмы выживают — урожай защищен.

Микробы могут даже влиять на время цветения. Возможности бесконечны!

Источник: http://propozitsiya.com/vid-kolby-do-polya-bakteriyi-i-revolyuciya-v-silskomu-gospodarstvi

Пищевая индустрия

Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили молочнокислые бактерии и дрожжи.

Механизм воздействия бактерий и дрожжей состоит в переработке молочного сахара в молочную кислоту, в результате чего нейтральный продукт превращается в молочнокислый.

К молочнокислым бактериям относят:

• лактобактерии – грамположительные микроаэрофилы отряда Lactobacillales, неспорообразующие кокки или палочковидные бактерии;
• бифидобактерии – спорообразующие термофильные аэробы рода Sporolactobacillus и Bacillus.

Молочнокислые бактерии и дрожжи используют при сквашивании молочных продуктов и овощей, переработке какао-бобов, изготовлении дрожжевого теста. Способность прокариотов оказывать влияние на продукты определяется их высокой ферментативной активностью и определяется выделяемыми ферментами.

В бродильной микрофлоре, помимо молочнокислых бактерий, присутствуют дрожжи, состоящие с бактериями в сложных симбиотических отношениях.

Подобная бродильная закваска с дрожжами используется в хлебопекарной промышленности, особенно при выпечке ржаных хлебов.

Одна из самых древних биотехнологий, используемых человеком, – производство сыров. Использование пропионовокислых бактерий при изготовлении твердых сычужных сыров позволяет получить продукт высокого качества с заданными свойствами.

Эти бактерии не обладают активностью к казеину, но имеют высокую липолитическую активность, в результате которой образуется ряд органических кислот:

• уксусная;
• изомасляная;
• масляная;
• изовалериановая;
• валериановая;
• и диацетил.

Состав продуктов метаболизма бактерий, который и определяет органолептические (вкусовые) свойства конечного продукта (сыра), зависит от штамма микроорганизмов.

Использование в технологической схеме пропионовокислых бактерий придает готовым сырам типичный для них цвет, вкус и аромат, обогащая продукт биологически активными веществами.

Кроме того, пропионовокислые бактерии обладают бактерицидными свойствами, являясь естественными консервантами казеина (молочный белок).

Если для крупных сыров пропионовокислые бактерии являются технологической необходимостью, то для мелких это нежелательная биофлора, наличие которой приводит к нарушению вкусовых характеристик.

Рост пропионовокислой микрофлоры в мелких сырах происходит только в случае нарушения технологических стандартов:

• понижении уровня соли;
• нарушении температурных условий при созревании.

Источник: http://probakterii.ru/prokaryotes/for-human/gde-i-kak-chelovek-ispolzuet-bakterii.html

Промышленность

Выщелачивание

Бактерии способны в процессе своей жизни избирательно извлекать вещества из сложных соединений, растворяя их в воде. Этот процесс носит название бактериального выщелачивания и имеет большое практическое значение:

• позволяет извлекать полезные химические вещества из руд, производственных отходов;
• удалять ненужные примеси – мышьяк из руд цветных и черных металлов.

Чаще всего в промышленности для бактериального выщелачивания применяют тионовые бактерии:

• Thiobacillius ferrooxidans – железобактерии, окисляющие закисное железо и сульфидные минералы.
• Thiobacillius thiooxidans – серобактерии, окисляющие серу.

Железо- и серобактерии являются хемоавтотрофами – процессы окисления сульфидов, оксида железа (ll) и серы для них являются единственным источником энергии.

В промышленности большое практическое значение имеет бактериальное выщелачивание полезных ископаемых (уран, медь) непосредственно на месторождениях.

Процесс не требует сложного оборудования и с учетом возврата в технологический процесс отработанного раствора, содержащего бактерии, имеет ряд значительных преимуществ:

• позволяет значительно понизить себестоимость добычи;
• значительно расширяет сырьевую базу за счет обедненных, забалансовых или потерянных руд, отходов обогащения, шлаков и др.

Использование биотехнологий при добыче полезных ископаемых является чрезвычайно перспективным, с целью расширения области применения ученые проводят исследовательские работы по следующим направлениям:

• выщелачивание тионовыми бактериями различных металлов – Zn (цинк), Co (кобальт), Mn (марганец) и др.;
• поиск бактерий других видов для извлечения полезных ископаемых.

Так, для извлечения золота, например, предлагается применять бактерии Aeromonas, которые выделены на золотоносных приисках в рудничных водах.

В будущем бактериальное выщелачивание позволит создать автоматизированное производство по извлечению металлов непосредственно из недр, минуя сложный и дорогостоящий процесс обогащения породы.

Источник: http://probakterii.ru/prokaryotes/for-human/gde-i-kak-chelovek-ispolzuet-bakterii.html

Медицинские препараты

Препараты, созданные при участии бактерий, широко применяются в современной медицине и спасли тысячи жизней. Революцией стало появление пенициллина – первого полученного антибиотика.

Антибиотики – вещества, способные подавить рост бактериальных клеток, при этом механизм воздействия может быть различным:

• пенициллин разрушает саму оболочку бактерии;
• стрептомицин подавляет рибосомы клеток патогенных микроорганизмов.

Поэтому в современной медицине антибиотики являются эффективным средством в борьбе с инфекционными заболеваниями человека, но практически неэффективны против вирусных инфекций.

Современная медицина успешно использует препараты, для производства которых применяются бактерии:

• инсулин и интерферон получают с использованием генно-инженерных технологий на основе кишечной палочки Escherichia coli;
• ферменты сенной палочки Bacillus subtilis разрушают продукты гнилостного разложения.

Современные биотехнологии позволяют осуществлять производство ферментов, гормонов, антибактериальных препаратов и витаминов.

Источник: http://probakterii.ru/prokaryotes/for-human/gde-i-kak-chelovek-ispolzuet-bakterii.html

Значение энзимов

Ферменты (энзимы) – биокатализаторы процессов, увеличивающие скорость протекания реакции в порядки раз в сравнении с химическими катализаторами. Под действием ферментов выход продукции составляет почти 100%, при этом сами ферменты в процессе реакции не расходуются.

Естественным источником ферментов в природе являются бактерии и дрожжи, известно более 3000 ферментов.

Все энзимы по способу получения делят на 2 группы:

• внеклеточные;
• внутриклеточные.

Ферменты часто применяются человеком на производствах:

• пищевом;
• фармацевтическом;
• кожевенном;
• текстильном;
• химическом;
• в сельском хозяйстве.

Источник: http://probakterii.ru/prokaryotes/for-human/gde-i-kak-chelovek-ispolzuet-bakterii.html

Роль бактерий в сельском хозяйстве

Применение человеком методов биотехнологии в сельском хозяйстве успешно решает целый ряд вопросов:

· создание болезнестойких и высокоурожайных сортов растений;

· производство удобрений на основе бактерий (нитрагин, агрофил, азотобактерин и др.), в том числе компосты и сброженные (метановое брожение) отходы животноводства;

· разработка безотходных технологий для сельского хозяйства.

Растениям в природе необходим азот, но усваивать азот из воздуха они не способны, а вот некоторые бактерии, клубеньковые и цианобактерии, в природе производят около 90% от общего числа связанного азота, обогащая им почву.

В сельском хозяйстве используют растения, содержащие на свои корнях клубеньковые бактерии:

· люцерна;

· люпин;

· горох;

· бобовые культуры.

Эти культуры используют в севообороте для обогащения почвы азотом.

Для борьбы с болезнетворными микроорганизмами в растениеводстве вместо фунгицидов используют пробиотики.

Биотехнология при участии генно-инженерных разработок предлагает для борьбы с патогенными микроорганизмами использовать бактерии с нужными свойствами, способные подавить рост патогенных микробов и не имеющие побочных негативных действий.

К ним относятся элитные штаммы бактерий Bacillus subtilis и Licheniformis, полученные в результате направленной селекции. Попадая в организм растения или животного, элитные штаммы микроорганизмов начинают быстро размножаться и подавляют патогенную микрофлору.

Элитные штаммы, как и антибиотики, нейтрализуют вредные микроорганизмы, но не имеют их негативных сторон:

· не возникает зависимость или привыкание;

· не происходит накопление в организме ядов или токсинов;

· не вырабатывается иммунитет.

Применение в сельском хозяйстве пробиотиков успешно в отношении более 70 патогенных микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, включая ранее не подлежащие лечению совсем. Помимо этого, элитные штаммы благотворно воздействуют на вегетацию растений в целом:

· созревание плодов требует меньшего времени;

· значительно уменьшается содержание в плодах нитратов и других токсинов;

· сокращается необходимость в минеральных подкормках растений.

Роль бактерий в животноводстве

Молочнокислые бактерии используют в производстве силоса — силосовании.

В сельском хозяйстве силосование является одним из основных методов консервации растительной массы и осуществляется путем регулируемого сбраживания под воздействием молочнокислых, кокковидных и палочковидных форм бактерий.

Процесс молочнокислого сбраживания растительной массы требует соблюдения оптимальных для жизнедеятельности бактерий условий:

· химический состав растительной массы;

· определенный уровень влажности сырья;

· оптимальная температура ферментации — 25°С;

· молочнокислые бактерии анаэробны — силосование проходит без доступа воздуха.

Полученный в результате молочнокислого сбраживания силос является высококачественным сочным кормом для животных, сохраняющим полезные вещества растительного сырья и имеющим высокую кормовую ценность.

Бактерии разлагают навоз животных, в результате получая метан — углеводородное соединение, которое используется в органическом синтезе.

Вывод

Почва — это не только субстрат, на котором растут растения, из которого они черпают минеральные элементы питания, она представляет собой сложную систему с различными протекающими в ней биологическими и биохимическими процессами. В почве происходят разнообразные биохимические превращения, устанавливается сложная взаимосвязь между микроорганизмами.

Специальные бактерии помогают в сельском хозяйстве бороться с насекомыми-вредителями и сорняками. Для повышения урожайности человек использует также специальные бактериальные удобрения.

Почвенные микроорганизмы составляют значительную часть любой биогеосистемы — экологической системы, включающей почву, косное (неживое) и биокосное (живое или произведенное живыми организмами) вещества — и активно участвуют в ее жизнедеятельности. Почва обладает высокой буферной способностью, т.е. долгое время может не изменять своих свойств под воздействием загрязнителей. Микроорганизмы почв обладают высокой чувствительностью к антропогенному воздействию. Поэтому они являются хорошими индикаторами загрязненности окружающей среды.

Вместе с тем, микроорганизмы сами являются очистителями окружающей среды. Дело в том, что питательными веществами для многих бактерий являются абсолютно несъедобные для высших организмов вещества. В большинстве случаев данные вещества (такие, как нефть, метан и т.п.) являются для таких бактерий прямыми источниками энергии, без которой они не выживут. В некоторых других случаях такие вещества не являются для бактерий жизненно важными, но бактерии могут их поглощать в больших количествах без вреда для себя.

Список литературы

1. Авраменко И.Ф. Микробиология: учеб. пособие. М.: Колос, 1972. 190 с.

2. Андрус Д. и др. Введение в химию окружающей среды. М.: Мир, 1999.

3. Бабьева И. П., Зенова Г. М. Биология почв. М.: МГУ, 1989.

4. Громов Б. В., Павленко Г. В. Экология бактерий. Л.: ЛГУ, 1989.

5. Гусев М. В., Минеева Л.А. Общая микробиология. М.: МГУ, 1993.

6. Гусев М.В. Микробиология: учебник. М.: Академия, 2003. 464 с.

7. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. М.: Наука, 1990. 270 с.

8. Звягинцев Д. Г. Почва и микроорганизмы. М.: МГУ, 1985.

9. Кожевин П. А. Микробные популяции в природе. М.: МГУ, 1985.

10. Лыков A.М., Коротков A.А., Громакова Т.Г. Земледелие с почвоведением. М.: Агропромиздат, 1985.

11. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология: учебник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромиздат, 1987.

12. Микроорганизмы в сельском хозяйстве / отв. ред. Н.А. Красильников. М.: Изд-во Московского университета, 1963. 457 с.

Размещено на Allbest.ru

…