Биогеохимическая деятельность микроорганизмов

p align="left">Вода, как и почва, является естественной средой обитания для многих видов микроорганизмов всех царств жизни. Разнообразные микроорганизмы обитают как в воде открытых водоемов, так и в грунтовых водах: палочки, кокки, вибрионы, спириллы, спирохеты, различные фотосинтезирующие бактерии, грибы, простейшие, вирусы и плазмиды. Многие виды галофильных бактерий обитают в морских водах. Численность микроорганизмов в воде определяется главным образом содержанием в ней органических веществ, которые под влиянием микроорганизмов подвергаются совершенно таким же превращениям, как и в почве. В 1 мл воды количество микробов может превышать несколько миллионов. Грунтовые подземные воды чище, так как, просачиваясь через почву, вода подвергается своеобразной фильтрации, в результате которой большинство микробов задерживается в фильтрующем слое. Численность микроорганизмов в воде открытых водоемов подвержена колебаниям и зависит от климатических условий, времени года, а главным образом, от степени загрязнения рек, озер и морей сточными и канализационными водами и отходами промышленных, агропромышленных и других предприятий. В реки, озера, моря из прибрежных городов и других населенных пунктов выбрасывается такое количество сточных вод, несущих мириады микробов и содержащих огромное количество органических веществ, что вода не успевает самоочищаться. В результате возникла и сохраняется серьезная глобальная экологическая проблема.

По степени микробного загрязнения различают три категории воды (или зоны водоема):

1. Полисапробная зона -- наиболее сильно загрязненная вода, бедная кислородом, богатая органическими веществами. В 1 мл воды содержание микроорганизмов достигает 1 млн. и более, преобладают E.coli и анаэробные бактерии, вызывающие процессы гниения и брожения.

2. Мезосапробная зона -- вода, загрязненная умеренно, в ней активно происходит минерализация органических веществ с интенсивными процессами окисления и нитрификации. Содержание микроорганизмов в 1 мл воды -- сотни тысяч бактерий, количество E.coli значительно меньше.

3. Олигосапробная зона -- зона чистой воды, количество микроорганизмов в 1 мл воды -- десятки или сотни, не более; E.coli отсутствует или встречается в количестве нескольких клеток на 1 л воды.

Питьевая вода считается хорошей, если общее количество бактерий в 1 мл -- не более 100; сомнительной -- 100 - 150; загрязненной -- если содержание бактерий в 1 мл 500 и более.

Количество микроорганизмов в придонном слое ила озер и рек варьирует в пределах от 100 до 400 млн. на 1 г. (13, 220 )

4. Использование знаний о биогеохимической деятельности микроорганизмов на уроках биологии

На современном этапе развития главная цель, стоящая перед школьным образованием, и в том числе перед биологическим, - подготовка культурного, высокообразованного человека, творческой личности. Решение этой глобальной задачи направлено на возрождение духовных, нравственных традиций, приобщение учеников к культуре, созданной за тысячелетнюю историю человечества, формирование нового стиля мышления - биоцентрического, без которого невозможно сохранение жизни в биосфере.

Биология вносит существенный вклад в формирование у школьников научной картины мира, здорового образа жизни, гигиенических норм и правил, экологической грамотности; в подготовку молодежи к трудовой деятельности в области медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, рационального природопользования и охраны природы. (3,6)

Содержание биологического образования включает знания об уровне организации и эволюции живой природы; биоразнообразии; обмене веществ и превращении энергии; размножении и индивидуальном развитии организмов, их связях со средой обитания и приспособленности к ней; об организме, его биологической природе и социальной сущности; санитарно-гигиенических нормах и правилах здорового образа жизни. (4,6)

Реализация этих задач осуществляется через программы и учебно-методические образования. В настоящее время существует несколько учебно-методических комплектов по биологии. Учитель может выбрать один из них с учетом особенностей регионов, уровня подготовки учащихся, специализации обучения в школе.

Именно от выбора программы зависит, в какой последовательности и как глубоко учащиеся будут изучать материал.

По программе Сивоглазова В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. в книге для учителя «Биология: общие закономерности» тема «Биогеохимическая деятельность микроорганизмов» не рассматривается как самостоятельная на отдельном уроке, а является составной частью других тем. Например, на уроке по теме «Значение прокариот в биоценозах, их экологическая роль» изучаются такие вопросы, как участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле; роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле, а также участие бактерий в круговороте важнейших элементов. На уроке по теме «Круговорот веществ в природе» наряду с другими вопросами рассматривается деятельность азотфиксирующих бактерий, благодаря которым атмосферный азот включается в круговорот, а также рассматривается деятельность микроорганизмов, участвующих в круговороте углерода, серы.

Рассмотрим эти уроки более подробно.

Тема: «ЗНАЧЕНИЕ ПРОКАРИОТ В БИОЦЕНОЗАХ, ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ».

Опорные точки урока

Бактерии как примитивные формы жизни, обитающие повсюду: в воде, в почве, в пищевых продуктах, во всех географических областях Земли

Участие бактерий во всех процессах, происходящих в органическом мире на Земле

Роль бактерий в круговороте веществ, обеспечивающих жизнь на Земле

Участие бактерий в круговороте важнейших элементов

Болезнетворные бактерии, их роль в дикой природе и в цивилизованном обществе

Бактерии и пищевая промышленность

Роль бактерии в земледелии

Цианеи (сине-зеленые) -- наиболее древние из организмов, содержащих хлорофилл

Индикаторная роль цианей (сине-зеленых) как показателей степени загрязнения водоемов.

Задачи:

1. Охарактеризовать все возможные среды обитания прокариот на нашей планете.

2. Обосновать «вездесущность» бактерий и цианей (сине-зеленых) особенностями их строения, физиологических процессов и жизненных циклов.

3. Сформировать знания учащихся о важной экологической роли прокариот.

Ответьте на вопросы. Выполните задания:

1. Какое строение имеет бактериальная клетка?

2. Охарактеризуйте половой процесс бактерий.

3. На основании каких признаков, присущих сине-зеленым, их можно отнести к прокариотам?

4. Заполните схему, раскрывающую роль бактерий в природе и в жизни человека.

Роль бактерий в природе и в жизни человека

1..... 3..... 5.....

2..... 4..... 6

Колоссальную роль в биосфере играют бактерии, заселившие гидросферу, атмосферу в наибольшей степени, - литосферу. Быстрота их размножения и жизнедеятельность влияет на круговорот веществ в биосфере.

Основные положения

1. В биосфере совершается постоянный круговорот активных элементов, переходящих из организма в организм, в неживую природу и снова в организм. Главную роль в этом процессе играют бактерии гниения.

2. Прокариоты в силу своей способности к быстрому размножению обладают громадной генетической изменчивостью и приспособляемостью. По способу питания и использованию энергии различают несколько групп бактерии.

3. Приспособленность каждой группы бактерий к особым условиям среды (узкая специализация жизнедеятельности) приводит к тому, что одни бактерии сменяются другими в одной и той же среде. Например, в почве гнилостные бактерии разлагают органические остатки, выделяя аммиак, который другие бактерии превращают в азотистую, а затем в азотную кислоту. Величайший процесс в биосфере, осуществляемый бактериями, -- разложение при гниении всех мертвых тел всех обитателей Земли.

Справка

Вода, в 1 мл которой содержится 10 бактерий, остается на вид прозрачной, не замутненной.

Вопрос для размышления. Почему Л. Пастер назвал бактерии «великими могильщиками природы»?

Вопросы и задания для повторения.

1. Под действием каких организмов происходит полное разложение органического вещества отмерших особей на нашей планете?

2. Влияние каких экологических факторов может способствовать уничтожению бактерий?

3. Почему загрязнение почвы нефтепродуктами резко отрицательно скажется на состоянии всего биогеоценоза?

4. Почему бактерии относятся к группе: редуцентов в любом биогеоценозе?

5. Каким образом болезнетворные бактерии могут влиять на состояние макроорганизма (хозяина)?

6. В каких случаях в водоемах может наблюдаться массовое размножение синезелёных? К чему это может привести?

Информация для учителя

Бактерии и цианеи (синезеленые) распространены повсюду. Споры бактерий залетают на высоту 20 км, анаэробные бактерии проникают в земную кору на глубину свыше 3 км.

Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность при температуре -- 253°С. В одном грамме бактерий свыше 600 млрд. особей. Количество бактерий в одном грамме почвы измеряется сотнями миллионов.

Дополнительное задание

Напишите реферат на тему: «Неделя без бактерий на Земле».

Тема: «КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ»

Задачи:

1. Использовать знания учащихся о химическом составе живых организмов для формирования представлений о главной функции биосферы - обеспечении круговорота химических элементов.

2. Показать необходимость знаний о биогенной миграции атомов.

Опорные точки урока

Биогенная миграция атомов

Метаболизм Рост Размножение

Автотрофы

Гетеротрофы

Хемотрофы

Роль биосферных циклов для существования биосферы

Подведите учащихся к выводам:

1. Количество вещества, вовлекаемого в биосферные процессы, остается постоянным на протяжении целых геологических периодов.

2. Совершается многократный круговорот веществ, входящих в состав живых организмов.

3. В биосферу из вне постоянно вливается поток солнечной энергии.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов…

Основные положения

1. Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.

2. Углерод входит в состав разнообразных органический веществ, из которых состоит все живое.

3. Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями.

4. Сера входит в состав ряда аминокислот и представляет собой жизненно важный элемент.

Вопросы и задания для повторения:

1. В чем заключается главная функция биосферы?

2. Расскажите о круговороте воды в природе.

3. Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?

4. Каким путем связанный углерод вновь возвращается в атмосферу?

5. Опишите круговорот азота в природе.

6. Какую роль играют микроорганизмы в круговороте серы?

7. Как деятельность человека влияет на круговорот серы, фосфора?

Вопрос для обсуждения

В чем заключается влияние изменение компонентов атмосферы, литосферы и гидросферы на гомеостаз биосферы в целом?

Прикладные аспекты

1. Каким образом живые организмы влияют на круговорот воды и других веществ и элементов?

2. В чем заключается влияние человеческой деятельности на глобальные круговороты веществ в биосфере? Проиллюстрируйте ответ примерами.

Дано утверждение: «Только на основании неоднократного использования элементов и потребления чистой солнечной энергии человечество обеспечит себе устойчивое развитие».

Как вы понимаете такое утверждение? Составьте план ответа.

Информация для учителя

1. Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского утверждает биогенное происхождение всей земной поверхности, свидетельствует о том, что жизнь -- созидающая сила на планете. Серьезные нарушения этой силы, в том числе уничтожение видов, могут привести к непредсказуемым последствиям.

2. Закон однонаправленности потока энергии. Поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам и консультантам) поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (не более 0,24%), говорить о «круговороте энергии» нельзя.

3. Закон физико-химического единства живого вещества В. И. Вернадского. При всей разнокачественности живых организмов они настолько физико-химически сходны, что вредное для одних из них не может быть абсолютно безразлично для других.

В классе с высоким уровнем подготовленности учащихся можно обсудить и записать в тетрадь «Принципы функционирования экосистем» (по Нобелу):

1. Использование ресурсов и избавление от отходов осуществляется в рамках круговорота всех элементов.

2. Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

3. На конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

Заключение

Микроорганизмы, благодаря легкости их расселения по воздуху и воде, распространены по всей биосфере, и вследствие их чрезвычайно высокой метаболической активности они играют главную роль в химических превращениях, которые происходят на поверхности Земли. Возможность жизни на нашей планете определяется непрерывно протекающим круговоротом основных элементов (углерода, кислорода, водорода, азота, фосфора, серы и др.). Ведущая роль в процессах трансформации этих элементов принадлежит микроорганизмам.

В большинстве случаев определенное вещество субстрата перерабатывается определенной группой микроорганизмов, которая называется физиологической. Например, разрушение клетчатки ведут клетчаткоразрушающие бактерии, окисление солей аммония до нитритов и нитратов - нитрифицирующие бактерии, процессы минерализации органических азотсодержащих веществ с выделением аммиака - аммонифицирующие бактерии и т.д.

Также велика роль микроорганизмов как разрушителей горных пород и создателей горючих ископаемых -- каменного угля, торфа, сапропелей, нефти. Разрушение горных пород идет постепенно и одновременно создается почвенный перегной - гумус в результате разложения органического вещества микроорганизмами.

Различные микроорганизмы участвуют и в таких геологических процессах как выветривание и почвообразование. В результате биологического выветривания происходит механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием растительных и животных организмов и продуктов их жизнедеятельности. В процессе выветривания горная порода превращается в рухляк, на котором поселяются микроорганизмы, растения и животные, в результате их жизнедеятельности происходит накопление органического вещества, а, следовательно, образование почвы.

Почва является средой обитания для многих микроорганизмов, которые участвуют в процессах минерализации органических веществ и определяют круговорот основных биогенных элементов в природе. В превращении органических веществ, поступающих в почву и образующихся в ней, принимают участие различные группы микробов: гнилостные, нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие и другие.

Вода, как и почва, является естественной средой обитания для многих видов микроорганизмов всех царств жизни.

Таким образом, биогеохимическая деятельности микроорганизмов очень разнообразна и играет важную роль в природе и жизни человека. По-видимому, в природе нет таких органических веществ, которые не разрушались бы теми или иными микроорганизмами.

Материал о биогеохимической деятельности микроорганизмов в небольшом объеме изучается в школе в курсе общей биологии, но эта тема не рассматривается как самостоятельная, а является составной частью других тем. Например, это такие уроки как «Значение прокариот в биоценозах, их экологическая роль» или «Круговорот веществ в природе».

Библиографический список

1. Бабьев И.П., Зенова Т.М Биология почв. - М.: Изд-во Моск. университета, 1989.

2. Биология в школе 2000г. №6.

3. Биология в школе 2000г. №7.

4. Биология в школе 2001г. №6.

5. Биология в школе 2002г. №7.

6. Генкель П.А. Микробиология с основами вирусологии. - М.: Просвещение, 1974.

7. Голлербах М.М. Водоросли, их строение, жизнь и значение. - М.: 1951.

8. Гусев М.В. Микробиология. - М.: Издательский центр «Академия», 2003.

9. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. - М.: ВЛАДОС, 2001.

10. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. - М.: Наука, 1990.

11. Ежов Г.И. Руководство к практическим занятиям по сельскохозяйственной микробиологии. - М.: Высш. школа, 1981.

12. Ковда В.А. Биогеохимия почвенного покрова. - М.: Наука,1985.

13. Коротяев А.И., Бабичев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. - СПб.: «Специальная литература», 1998.

14. Красильников Н.А. Микроорганизмы почвы и высшие растения. - М.: 1958.

15. Лебедева М.Н. Микробиология. - М.: «Медицина», 1969.

16. Лукомская К.А. Микробиология с основами вирусологии. - М.: Просвещение, 1987.

17. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. - М.: «Колос», 1970.

18. Мишустин Е.Н., Шильникова В.К. Биологическая фиксация атмосферного азота. - М.: «Наука», 1968.

19. Панкратова А.Я. Микробиология. - М.: «Колос», 1971.

20. Сивоглазов В.И., Сухова Т.С., Козлова Т.А. Биология: общие закономерности: Книга для учителя. - М.: Школа-Пресс,1996.

21. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. - М.: «Колос», 1972.

22. Шлегель Т. Общая микробиология. - М.: «Мир», 1972.

Страницы: 1, 2, 3