Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Виноградский. МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ

ПЕРВЫЕ АВТОТРОФЫ

 

С.Н. Виноградский

С.Н. Виноградский

 

Смотрите также:

 

Биография Виноградского

 

Микробиология

 

Почва и почвообразование

 

Почвоведение. Типы почв

 

растения

 

Геоботаника

 

 Биографии биологов, почвоведов

Биографии почвоведов

 

Эволюция

 

Биология

 

Эволюция биосферы

 

Геология

геология

Основы геологии

 

Геолог Ферсман

 

Ферсман. Геохимия - химия земли

 

Гидрогеохимия. Химия воды

 

Минералогия

минералы

 

Химия почвы

 

Круговорот атомов в природе

 

Книги Докучаева

докучаев

 

Происхождение жизни

 

Вернадский. Биосфера

биосфера

 

СЕРОБАКТЕРИИ

 

Род Beggiatoa охватывает наиболее хорошо известных представителей микроорганизмов, которые я предлагаю объединить под названием серобактерий. Эта группа бактерий отличается тем, что их жизнедеятельность тесно связана с элементарной серой, играющей необычайную роль в их метаболизме.

 

С тех пор как Крамер (Cramer) показал (1870), что светопреломляющие гранулы, наполняющие нити Beggiatoa, представляют собою элементарную серу, эти бактерии привлекают внимание многих ученых.

 

Кон (Cohn)  подтвердил наблюдения Крамера и нашел, что ряд других бактерий — Clathrocystis roseopersicina, Monas OKenii, Monas War- minqu, Ophidomonas sanguinea — содержат такие же гранулы серы, как и Beggiatoa. Автор исследовал также условия, влияющие на развитие этих микроорганизмов и, в особенности, на отложения серы внутри клеток — явление совершенно исключительное в мире растений. Его особенно поразило то обстоятельство, что эти микроорганизмы могут жить в среде, насыщенной сероводородом, т. е. приспосабливаться к условиям, смертельным для громадного большинства животных и растений; излюбленным местом обитания перечисленных выше пурпурных бактерий являются, повидимому, также серные источники.

 

Действительно, Beggiatoa и другие серобактерии селятся только в водах, содержащих растворенный сероводород. Beggiatoa почти всегда встречаются в сероводородных источниках, где они образуют объемистые белые массы. Эти наблюдения навели Кона на мысль, что существует связь между развитием Beggiatoa и присутствием сероводорода в среде. Он полагал, что микроорганизм обладает способностью восстанавливать сульфаты с образованием сульфидов и свободного сероводорода. Из этого вытекало, что Beggiatoa развивается в водах, не содержащих кислорода. Отложения серы в виде гранул или кристаллов являются результатом именно этого процесса. С другой стороны, это явление указывает на то, что поглощенный клетками H2S подвергается в них окислению.

 

Автор пишет: «В процессе восстановления сульфатов внутри клеток отлагается сера, имеющая форму гранул или кристаллов. Это указывает, повидимому, на то, что организм поглощает сероводород и окисляет его внутри клеток».

Однако совсем непонятно, каким образом способность к окислению сочетается со способностью к энергичному восстановлению, которой Кон наделяет серобактерий. Это тем менее вероятно, что сам автор указывает на приспособленность этих организмов к жизни в бескислородной воде.

 

В подтверждение того, что они обладают способностью восстанавливать сульфаты — свойство, которым автор наделяет серобактерий, Кон приводит следующее наблюдение. Если куски пленки, состоящей из Beg- giatoa, сохранять в склянках, наполненных водой из Ландекского горячего источника, то жидкость начинает сильно пахнуть сероводородом. Подобное наблюдение было сделано также Лотаром Мейером (Lothar Meyer) в связи с анализом воды из этой же термы: вода этого источника, сохранявшаяся в закрытой склянке в течение четырех месяцев, содержала в пять раз больше сероводорода, чем свежая. Это навело на мысль, что содержание сероводорода связано с жизнедеятельностью этих «водорослей».

 

Плоило (Plauchud) , пытавшийся исследовать этот вопрос экспериментально, пришел к тем же выводам, что и Кон. Он помещал серобактерий в жидкость, содержащую сульфаты, мел и небольшое количество питательных органических веществ, и наблюдал при этом постоянное выделение сероводорода. Нагревание до кипения или прибавление хлороформа прекращало выделение этого газа, но оно начиналось снова, как только в среду вносили хотя бы ничтожное количество серобактерий.

Эти опыты, несомненно, показывают, что выделение сероводорода связано с деятельностью живых организмов, но они не дают никаких указаний относительно их природы, так как исследования микроорганизмов совершенно не производились.

Этар и Оливье (Etard et Olivier)  культивировали Beggiatoa в различных условиях. Они отмечают, что сера исчезает из нитей при выращивании в растворах, лишенных сульфатов. Однако гранулы появляются снова, как только вносят сульфаты. Эти гранулы «свидетельствуют о том, что в протоплазме живых существ происходят процессы восстановления».

Дюкло (Duclaux)3, основываясь на исследованиях этих авторов, допускал восстановление сульфатов серобактериями, но механизм процесса оставался не ясен: является ли сероводород продуктом этого восстановления, а отложения серы внутри клеток результатом его окисления кислородом воздуха, или же происходит «частичное восстановление серной кислоты до серы», являгсшейся непосредственным продуктом этого процесса. Последнее объяснение ему казалось более вероятным, так как в первом случае должно было бы происходить «явление окисления, которое не могло бы иметь места в плазме».

Из приведенного видно, что представления об этих организмах основывались исключительно на умозаключениях, а не на хорошо поставленных опытах. Все относящиеся сюда вопросы остаются еще совершенно неосвещенными. Прежде всего пе было никаких доказательств в пользу того, что именно серобактерии восстанавливают сульфаты. Было только показано, что восстановление вызывается деятельностью организмов. Если гранулы серы отлагаются в клетках в результате процесса окисления, следовательно, в кислородсодержащей среде, то вполне логично предположение, что восстановление сульфатов производится другими организмами. Факты, накопившиеся до настоящего времени, не противоречат этому заключению. Оно является единственно правильным, как это мы увидим в дальней и ем.

Вопросы, поставленные ранее различными исследователями, ждут своего разрешения. Но я нахожу, что только один вопрос представляет действительный интерес — вопрос, не высказанный еще ни одним из авторов. Какое значение для организма имеют включения серы, накопляющиеся в клетках? Есть ли это запасное вещество или продукт отброса? Допуская первое, трудно представить себе, для чего понадобился бы этот избыток элементарной серы. Что касается второго, то такое загромождение клеток серой в нормальных условиях их существования кажется нам также бессмысленным.

I. Окисление сероводорода. Мои наблюдения над образованием сероводорода и над отложением серы в клетках, начатые в ноябре 1885 г. в Страсбургском ботаническом институте, дали к лету достаточно ясные результаты, а именно:

1)        нити Beggiatoa не принимают никакого участия в восстановлении сульфатов и в образовании сероводорода;

2)        отложение серы в клетках является результатом окисления сероводорода.

Подобного рода заключения были высказаны Гоппе-Зейлером в егн- зи с его работой о разложении целлюлозы с образованием метана л углекислоты.

Сначала мы выбрали объектом исследования нити Beggiatoa. Мы начнем с этого микроорганизма и перейдем потом к другим видам серобактерий, исследованных нами. Мы полагаем, что морфология Beggiatoa хорошо известна, так как этот организм описывался ранее неоднократно. Достаточно сказать, что часть работы проводилась с однородными нитями около 3 |а шириной, другая часть—со смесью нитей различного диаметра (от 1 до 5 |л).

 

Beggiatoa распространена в болотах и в прудах с илистым дном, вообще в водах, содержащих разлагающиеся растительные остатки. Но скопления Beggiatoa бросаются в глаза только в сероводородных водах. Мои первые попытки получить накопительные культуры Beggiatoa в воде из пруда долго не давали никаких результатов, пока мне не пришла в голову мысль прибавить немножко гипса, которого в ней недоставало.

Поступают следующим образом. В сосуд высотою около 50 см бросают кусочки корневища Butomus и заполняют сосуд водой с примесью гипса. Запах сероводорода чувствуется уже через несколько дней; постепенно он усиливается, но нити Beggiatoa обнаруживаются лишь спустя несколько недель. Обычно требуется два месяца для того, чтобы появился заметный рост в виде нежных белых нитей или в виде рыхлой массы, взвешенной под поверхностью воды или выстилающей стенки сосуда. Сосуд помещается в темноту, чтобы предотвратить развитие зеленых водорослей.

Эти накопительные культуры позволяют убедиться в том, что нитчатые серобактерии не имеют никакого отношения к образованию сероводорода, так как они появляются только тогда, когда образование сероводорода уже в полном ходу. Однако их развитие легко можно предотвратить, погружая на несколько минут в кипящую воду куски корневища, покрытого илом. После этого наполняют, как обычно, цилиндр водопроводной водой с примесью гипса; выделение сероводорода начинается своевременно, но Beggiatoa не появляются, так как они не содержатся в водопроводной воде.

Дли тоги чтобы исследовать механизм образования сероводорода в закрытых склянках, согласно Кону и Лотару Мейеру, поступают следующим образом: берут большой пучок нитей, наполненных серой, помещают их в каплю воды на предметном стекле и покрывают их большим покровным стеклом, делая это таким образом, чтобы нити приходились как раз посредине препарата. В этих условиях нити быстро гибнут. Через двое суток препарат, помещенный во влажную камеру при 30°, издает характерный запах сероводорода, а свинцовая бумажка при соприкосновении с каплей чернеет; но краю покровного стекла образуется желтоватая кайма из взвешенных гранул серы. В то же время видно, что сера постепенно исчезает из нитей; она подвергается гидрогенизации, улетучивается к периферии препарата и там окисляется снова. Гидрогенизации подвергаются включения серы в мертвых клетках: они являются источником выделения H2S.

Прежде чем излагать подробно мои наблюдения, я хотел бы остановиться на методе, которым я пользовался в моих физиологических исследованиях; классический метод чистой культуры оказался в данном случае неприменимым. Мои настойчивые попытки в этом направлении не давали никакой надежды на то, что удастся преодолеть трудности, возникающие при культивировании этих столь чувствительных организмов. Правда, мне удалось получить прекрасные однородные культуры, почти чистые, но все же не вполне.

Чтобы не упускать из вида это осложняющее обстоятельство, необходим постоянный микроскопический контроль, но контроль тогда только достигает своей ц е л и, к о г д а он ведется над микрокультурой.

В этом случае не может быть и речи о микрокультуре в висячей капле; каплю покрывают покровным стеклом, размером 18 мм; между покровным и предметным стеклами помещают несколько мелких обломков от покровного стекла. Это делают для того, чтобы предметное стекло не приставало к покровному вследствие капиллярности. Этот простой прием давал пол ную возможность получать хороший рост Beggiatoa, если только «'менять жидкость несколько раз в день, что не представляло никаких затруднений. С этой целью с одного края покровного стекла наносили несколько капель жидкости, пользуясь капиллярной пипеткой; избыток жидкости удаляли полосками фильтровальной бумаги с противоположной стороны стекла. Таким образом, можно, насколько требуется, хорошо промывать микрокультуру. Полезно повторять это возможно чаше, для того чтобы очистить ее, так как мелкие бактерии и инфузории, взвешенные или плавающие в жидкости, легко уносятся течением, нити же стелются во всю длину по поверхности стекла и не увлекаются током. Микрокультуры, обрабатывав4 мтле таким образом, сохраняются достаточно чистыми в течение недель( и даже месяцев. Выбирают отдельную особь или группу особей, зарисовывают их расположение, для того чтобы в ближайший день отыскать их самих или следующие, генерации и не терять их из вида за все время на- олюдений. Пере д глазами наблюдателя проходят поколения. Ясная картина развития исключает какие-либо ошибочные выводы. Как будет видно из дальнейшего, исследователю открывается при этом полная возможность изучения энергетики и метаболизма при помощи микрохимических реакций.

Метод оказал мне ценные услуги, особенно при изучении образования включений серы и ее роли в метаболизме этих организмов.

 

Отметим прежде всего, что содержание серы в клетках чрезвычайно колеблется. Некоторые авторы рассматривают накопление серы в клетках и ее исчезновение как определенный морфологический признак (Кон, Энг- лер, Винтер). Цопф полагал, что накопление гранул серы связано с возрастом нитей. Молодые нити не содержат серы. Оливье и Этар наблюдали исчезновение серы в клетках, помещенных в воду, не содержащую сульфатов; после добавления небольшого количества гипса сера снова появляется. Но они не исследовали ни процесса образования серы, ни ее исчезновения и ничего не говорят об условиях, при которых протекают эти явления.

Мои первые исследования сразу же показали, что содержание серы зависит от условий, в которых находится культура. В зависимости от условий нити могут быть переполнены каплями аде  серы или (не содержать ее совсем. Легко убедить

ся в том, что в воде, лишенной сероводорода, нити утрачивают серу в течение 1—2 дней. Растворение серы прослеживается непосредственно в микрокультуре. Если взять, например, нити, переполненные каплями серы, то уже через 24 часа серы становится значительно меньше (рис. 1, Ь). На следующий день от нее не остается и следа (рис. 1,6*). Такое легкое растворение серы дает возможность получать пустые нити, не содержащие серы, и изучать механизм отложения ее в клетках.

Этот запутанный вопрос нетрудно разрешить непосредственным наблюдением.

Приготовляют параллельно две серии микрокультур, употребляя для этого воду, очень бедную сульфатами; в одну из них вносят гипс, вторую же помещают под колокол, рядом с маленькой кюветой, содержащей 1г сульфида кальция, растворенного в небольшом количестве воды, затем приливают в кювету несколько капель разбавленной соляной кислоты и вызывают слабое выделение H2S. Нити, совершенно лишенные серы, помещенные под колпак, наполняются бесчисленными мелкими каплями серы уже через 3—5 часов. Через 24 часа они до предела бывают набиты более крупными каплями (рис. 1, а). Между тем нити первой серии микрокультуры, помещенные в сульфатную воду, остаются пустыми и совсем не содержат серы.

Культуры в сульфатной воде, лишенной сероводорода, исследовались в большом количестве. Иногда в них случалось наблюдать незначительное образование сероводорода. Однако всегда нетрудно было убедиться в том, что он образуется при разложении каких-либо веществ — пучков мертвых нитей или частиц черного ила. Во всех культурах, достаточно очищенных, сера в присутствии сульфатов исчезает из клеток так же быстро, как и в чистой воде.

 

Такие же определенные результаты получаются в том случае, если вести микрокультуру на натуральной воде из сероводородных источников, например, из источника Вальдквелле около Бад-Лангенбрюкена (в Баден- ском районе). По анализу Бунзена (Bunsen) в воде этого источника общее содержание сульфатов кальция, магния, калия и натрия достигает 1%, содержание газообразного сероводорода доходит до 0,00994%. Пользуясь этой водой, мы получали прекрасные культуры. Но вода теряет свои ценные свойства, если ее оставить открытой. Так, если содержимое бутыли вы

лить в открытый кристаллизатор, то в такой воде нити так же легко теряют серу, как и в чистой. Однако достаточно прибавить 1—2 капли насыщенного раствора сероводорода в дистиллированной воде к 5 мл такой воды, как нити снова наполняются серой и остаются в таком виде до тех пор, пока в микрокультуре содержится сероводород.

Все эти исследования, легко воспроизводимые, показывают, что вклю- j -чения серы образуются за счет газообразного H2S, в результате окисления его кислородом воздуха.

Все же возникает вопрос: могут ли нити, погруженные в сероводородную воду, найти достаточно кислорода, для того чтобы процесс окисления протекал непрерывно. Кон допускал, что кислород должен угнетать их в этих условиях; по его мнению, серобактерии являются организмами, приспособившимися к анаэробным условиям. Оливье и Этар, напротив, отмечают, что нити стремятся селиться скорее у поверхности жидкости. Согласно Гоппе-Зейлеру, в отсутствие кислорода нити быстро гибнут, что я могу вполне подтвердить. Но это утверждение ничего не говорит о том, как они реагируют на оба газа, необходимых для их существования.

В накопительных культурах, содержащих H2S, пряди нитей прикрепляются к стенкам сосуда или к обрывкам пленки, покрывающей иногда поверхность, но эти разрастания из нитей всегда погружены в слой, отстоящий от поверхности на несколько миллиметров вглубь. По мере того как вода теряет H2S, нити погружаются в более глубокие слои. Когда вода перестает уже пахнуть сероводородом, они зарываются в ил на дне.

Если они развиваются в глубоких слоях воды с сильным запахом сероводорода, то можно сказать с уверенностью, что они живут там в сообществе с осцилляриями и зелеными бактериями. При достаточном освещении они не испытывают там недостатка в кислороде.

Их поведение в природе, особенно в сероводородных источниках, не отличается от только что описанного в культурах. В водоемах на глубине одного или даже полуметра они не встречаются, но селятся по поверхностям, омываемым медленно текущей сероводородной водой, глубина которой не превосходит нескольких сантиметров.

Интересно следить за поведением этих бактерий в микрокультуре, где они сами регулируют свою потребность и в сероводороде и в кислороде. Если вода с самого начала не содержит сероводорода, то нити направляются в среднюю часть капли и образуют там плотный клубок. Но стоит только заменить эту воду сероводородной водой, как они начинают рассеиваться и достигают периферии, останавливаясь, однако, на расстоянии 1 мм от края. Здесь они образуют своего рода белую кайму, видимую простым глазом, играющую роль перегородки, достаточно непроницаемой для того, чтобы разграничить внутреннюю часть капли от внешней. Исследуя эту кайму под микроскопом, можно видеть, что она состоит из нитей, которые непрерывно движутся, часто в противоположных направлениях. Одни из них перемещаются параллельно краю препарата, другие под углом к ним или выотся вокруг них. Свободные концы нитей торчат то с наружной, то с внутренней стороны каймы. В течение некоторого времени они качаются, как маятник, а затем скрываются в массе из движущихся клеток, составляющих кайму.

Чтобы ясно представить себе, какие причины заставляют нити располагаться поодаль от края покровного стекла, нужно проследить, что происходит в сероводородной капле, не заселенной нитями, в тех же условиях.

По прошествии примерно 20 мин. капля обрамляется желтоватой мутной зоной, шириной около 1 мм. Эта зона образуется из суспензии микроскопических капель серьг, за этой .юлол жидкость ос таек я прозрачной. Таким образом, в слое сероводородной воды межд^ покровным и предметным стеклами различаются две зоны зона проникновения ык.к - рода, не превышающая 1 мм, и сероводородная зона, занимающая среднюю часть капли Beggiatoa избегаю! п е р и ф е р и ч е с к о л з о- л ы, так же как и центральной, и развиваю т- ся только на границе двух зон Незначительное перемещение внутрь, обеспечивает им поглощение i азообразного сероводорода, который они окисляют, перемещаясь к периферии Благодаря постоянному движению, они могут регулировать но своей пофеблости экп двойственный процесс Создается даже впечатление, что нити действуют таким образом для предупреждения самопроизвольного окисления сероводорода, с тем чтобы оно лтло только внутри клетки.

Напомним, что перемещение нитей связано с содержанием сероводорода в среде Если часто сменять сероводородную воду, О то они приближаются к краю капли, противоположный режим О заставляет их отодвигаться внутрь. В капле воды, не -содержащей 9 сероводорода, они скрываются от кислорода, сплетаясь в клубок о в средней части микрокультуры

Эти наблюдения показывают, что организм приспособился Рис 2 к умеренному парциальному давлению кислорода и регулирует его по своим потребностям Нельзя утверждать, что им требуются всегда одни и те же количества кислорода. Более вероятно, что потребность в нем колеблется в некоторых пределах в зависимости от условии культивирования и от состояния нител, т е от большею или меньшего < одержания серы В висячей капле они выживают всего лишь несколько длел, редко долее, а при недостаточном притоке воздуха тонут еще скорее

Наблюдая вышеописанные реакции, нужно иметь в. виду, что нити проявляют отрицательный фототаксис, иногда хорошо заметный Однако он не всегда выражается с одинаковой интенсивностью Причина этих колебаний остается невыясненной Чтобы исключить этот фактор, необходимо держать микрокультуры в темноте.

Включения серы. Исследуем природу, форму, распределение л физическое состояние этих включений, столь редких в рас ш гелыюм царстве.

Химическая природа их была установлена Крамером (Cramer) Этот ученый, а также Мелер-Ареис (Meyer-Arens) полагали, что сера, образующая включения внутри клеток, находится в твердом состоянии На это указывало сильное светопреломление, свойственное включениям Следуя примерам своих предшественников, я называл их гранулами (зернами), т. е крупинками твердого некристаллического вещества Кон говорит о зернах и о кристаллах. Однако микроскопическое исследование вызывает сомнение в том, что они являются кристаллическими телами или даже твердыми зернами Микроскопирование при большом увеличении показало, что все они похожи на капли густого масла в тонкой эмульсии

Действительно, не трудно показать, что они имеют вязкую консистенцию. Если нити, наполненные серой, нагреть до 70° в небольшом количестве воды, то все зерна серы быстро сливаются и образуют в клетке одну большую каплю (рис 2) .

 

В живых клетках кристаллизация не наступает. Но если клетки убить нагреванием или помещая их в дистиллированную воду, то сера внутри них очень быстро кристаллизуется. Лучше всего изучать этот процесс на нитях, фиксированных погружением в концентрированную пикриновую кислоту. Промыв основательно нити водой, оставляют их на 1—2 дня. По истечении этого времени у отрезков нити, совершенно лишенных капель серы, обнаруживаются плотно прилегающие к ним кристаллы серы в виде продолговатых табличек, моноклинальных призм и мелких октаэдров ромбоэдрической системы. Эти кристаллы образовались из гранул серы, что хорошо видно на рисунке (рис. 4). Возможно, что кристаллизации предшествует слияние капелек, не разделенных протоплазматиче- сними перегородками в мертвых клетках. Согласно Вертело (Berthelot), элементарная сера может быть в различных состояниях: в твердом — кристаллическая или аморфная, или в жидком. Сера кристаллическая растворима в сероуглероде, сера аморфная нерастворима. Жидкая сера не всегда растворяется в этом реактиве. Сера, находящаяся в клетках серобактерий, большей частью растворима в сероуглероде. В этом легко убедиться, погружая в сероуглерод нити, высушенные на предметном стекле. Но, несмотря на повторное промывание реактивом, всегда остается небольшой нерастворимый остаток. Повидимому, в клетках имеется смесь растворимой и нерастворимой серы, но количество последней весьма незначительно.

Если обработать пятисернистый кальций соляной кислотой, то получается суспензия из капелек, сходных но форме с каплями серы внутри нитей. Они растворимы в сероуглероде и через несколько часов кристаллизуются из раствора в форме таких же табличек и мелких октаэдров. Серное молоко (суспензии серы), приготовленное из сульфидов или из сероводорода, обладает такими же физическими и химическими свойствами.

Согласно Вертело, эмульсия серы, полученная при медленном окислении сероводородной воды, растворима в сероуглероде, ио если сероводородная вода подвергается быстрому окислению дымящейся азотной кислотой или хлором, то выделяется сера, не растворимая в сероуглероде.

 

В процессе окисления серобактерии образуют продукты, сходные по характеру превращений и по физическим и химическим свойствам с продуктами, получающимися при медленном окислении сероводорода кислородом воздуха в водной среде. Y всех серобактерий, за исключением Beggiatoa, включения серы обладают сходными свойствами.

 

 

 

К содержанию книги: Сергей Николаевич ВИНОГРАДСКИЙ - МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ

 

 

Последние добавления:

 

Ферсман. Химия Земли и Космоса

 

Перельман. Биокосные системы Земли

 

БИОЛОГИЯ ПОЧВ

 

Вильямс. Травопольная система земледелия

 

История русского почвоведения

 

Качинский - Жизнь и свойства почвы

 

Вернадский - ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО