Микробы-камнееды

 ...Где нет бесконечного разнообразия - нет жизни. 

Н. Г. Чернышевский

Как уже отмечалось, все известные науке микроорганизм мы по способу питания принято делить на два типа: автотрофы и гетеротрофы. Последние нуждаются в органических источниках углерода, как и все высшие животные.

К автотрофному типу относятся все микроорганизмы, источником питания которых служат неорганические вещества. Одни из них способны усваивать углерод из углекислоты воздуха, создавая свою биомассу подобно растениям. Только они проделывают это в темноте, не используя энергию солнечного света. Другие усваивают азот из атмосферы. Третьи легко извлекают фосфор из минералов апатитов или фосфоритов, в которых фосфор находится в не усвояемой для растений форме.

Особенно интересными представителями автотрофных микроорганизмов являются Bacillus mucilaginosus (слизистые бациллы). Не вдаваясь в подробную характеристику систематического положения этого вида микроорганизмов, нельзя не отметить, что в научной литературе они описываются под разными названиями. С. Виноградский называет их Bacillus gommeux, И. Клечковская и другие - Bacillus krzmniewski. Некоторые исследователи отнесли их к Bacillus circulans, В. Г. Александров назвал их силикатными бактериями и т. д.

Систематика микроорганизмов вообще - один из самых сложных вопросов биологической науки. Поэтому для наименования мпогих видов нередко используется множество синонимов. Так, известный шведский естествоиспытатель К. Линней, предпринявший попытку систематизировать микробы, после долгой и изнурительной работы пришел к выводу, что в этом "хаосе" разобраться невозможно. Уже в наше время советский систематик микроорганизмов К. Красильников очень сожалел, что у нас и за рубежом этому вопросу не уделяется должного внимания. И действительно, среди появившейся в последние годы обильной информации по микробиологии систематике микроорганизмов отводится очень мало места.

Е. Виноградов детально изучил биологию так называемых силикатных бактерий, их химический состав и состав основания ДНК и выяснил их полное тождество с описанными ранее И. Красильниковым Bacillus mucilagi- nosus. Чтобы не вносить дальнейшей путаницы в систематику микроорганизмов, Е. Виноградов считает необходимым сохранить за ними прежнее название, под которым они вошли в определитель бактерий и актиномицетов, то есть Bacillus mucilaginosus.

Особой достопримечательностью этих микроорганизмов является их способность извлекать кремний из кремнезема, силикатов и алюмосиликатов^*.

^* ( Наряду с силикатными бактериями хорошо известны например, микроорганизмы, использующие в своей жизнедеятельности ванадий, марганец, железо, серу и другие элементы. Метаболические процессы этих микроорганизмов весьма своеобразны и изучены совершенно недостаточно. Дальнейшее исследование литотрофных микроорганизмов представляет огромный интерес для науки, в частности для решения проблемы зарождения жизни и ее существования в "необычных" внеземных условиях. )

Уже давно предполагали, что микроорганизмы участвуют в процессах разложения горных пород и алюмосиликатов в почве. Первые указания на это явление имеются в трудах Ч. Дарвина. В этом же был убежден и В. И. Вернадский. И действительно, в середине нашего века удалось показать, что поверхностный слой горных пород разрушается в результате деятельности микроорганизмов, в первую очередь бацилл, так как они имеют, в сравнении со всеми другими одноклеточными, самую мощную ферментативную систему.

Также было установлено, что микроорганизмы способны разрушать и искусственные строительные силикатные материалы, например бетон и стекло, и даже силиконовые полимеры. Однако долгое время оставалось неясным, какие именно микроорганизмы ответственны за разложение силикатов.

Еще на рубеже XIX и XX столетий русские ученые М. Егунов и Г. Надсон наблюдали образование кремнезема в результате жизнедеятельности бактерий. В 1912 году немецкий ученый К. Бассалик обнаружил в кишечнике дождевых червей бактерии, разрушающие алюмосиликаты. Такие же бактерии были найдены и в желудочно- кишечном тракте песчаных насекомых.

Широкие исследования микроорганизмов, разрушающих силикаты, были начаты в конце 40-х годов В. Александровым. Он назвал их Bacillus mucilaginosus subsp. nova siliceus, или просто "силикатными бактериями".

Все микроорганизмы, живущие в почве, водоемах, на граните и других силикатных породах и минералах, деятельно разрушают силикаты и алюмосиликаты - по-видимому, для включения входящего в их состав кремния в свой жизненный цикл.

Вероятно, в природе этот процесс происходит более энергично, чем в лабораторных условиях, так как он осуществляется не одним видом микроорганизмов, а их ассоциациями.

Поражает устойчивость Bacillus mucilaginosus к неблагоприятным условиям внешней среды. Они, например, сохраняют жизнеспособность при длительном нахождении в жидком, азоте, то есть при -196 С; выдерживают нагревание до 160°С, а также длительное прямое солнечное облучение.

Такая жизнестойкость, очевидно, обеспечила их существование в то время, когда на Земле еще фактически не было органических источников питания, а в атмосфере отсутствовали кислород и озон, защищающий от губительного ультрафиолетового облучения и космических лучей. Можно предположить, что три с половиной миллиарда лет тому назад Bacillus mucilaginosus оказались первожителями земной суши (архибионтами) и породили жизнь на бесплодной минеральной поверхности (очевидно, в присутствии воды). Переработав силикатный покров в почву, они-то и создали среду обитания для своих высокоорганизованных потомков.

Можно предположить поэтому существование жизни в низших формах на других планетах с гораздо менее благоприятными условиями, чем на нашей, и возможность транскосмического переселения живой материи.

Изумительная способность этих микроорганизмов размножаться в глубинных горизонтах горных пород Земли привела геолога В. Радину к открытию причин образования истинных пльГвунов. Ее лабораторные опыты убедительно показали, что даже чистый песок под действием Bacillus micilaginosus постепенно превращается в плывун.

Силикатные бактерии имеют форму палочек с закругленными концами. Размер их 4-7 микронов в длину и 1,2-1,4 - в поперечнике (однако величина их, как и других микроорганизмов, не бывает строго постоянной и определяется характером питательной среды). В зависимости от условий обитания возможны три морфологические формы: вегетативная, капсульная и споры.

В капсульной форме зачастую наблюдается одна - четыре палочки. При старении капсулы палочки в обычном микроскопе не обнаруживаются. Такое явление считалось наступлением лизиса, но с помощью электронного микроскопа удалось установить, что в этих изолированных капсулах есть мелкие клетки, способные к репродукции, то есть фильтрующиеся формы.

Bacillus mucilaginosus широко распространены в природе. Это обусловлено тем, что они синтезируют свою биомассу, усваивая углерод и азот из атмосферы, а фосфор и кремний - из соответствующих минералов, т. е. из источников питания, недоступных для других микроорганизмов. Силикатные бактерии являются слабыми фиксаторами азота из атмосферы и поэтому могут существовать в безазотистых средах. Они способны частично высвобождать калий и фосфор из минералов, содержащих эти элементы в пе усвояемой растениями форме, что позволяет использовать бациллы как бактериальные удобрения. Их рекомендуется использовать в композиции с фосфоритной или апатитовой мукой.

Способность Bacillus mucilaginosus добывать пищу из воздуха и минералов, содержащих кремний и фосфор, позволяет им успешно размножаться в водной среде в присутствии лишь апатита и кварцевого песка. Из последнего они извлекают кремний, который, по-видимому, превращается в их организме в кремиийорганические соединения.

Таким именно способом в Одесском сельскохозяйственном институте в течение 15 лет искусственно готовили в больших количествах жидкие препараты Bacillus mucilaginosus. В настоящее время удается получить их водные препараты, Е 1 мл которых содержится около 200 миллиардов клеток. Такие препараты применяются в ряде колхозов и совхозов для повышения урожайности культурных растений. Использование их в сельском хозяйстве дает поразительно высокий экономический эффект. На каждый рубль, затраченный на приобретение препарата, получен чистый доход свыше 100 рублей.

Соединения кремния, синтезируемые Bacillus mucilaginosus в жидком препарате, сами по себе также могут оказывать стимулирующее действие на развитие растений.

Опрыскивание винограда жидким препаратом в дозе 3 литра на гектар (совместно с опрыскиванием бордосской жидкостью от мильдью) в период созревания ягод повышает урожай в среднем на 1 тонну с гектара. При этом испарение влаги из листьев сокращается на 30- 50%, что равносильно поливу растений - очень важный момент, имеющий особое значение в условиях засушливого климата.

В последние годы микробиологическая наука изыскивает новые резервы увеличения кормового белка. И все большее внимание привлекают микроорганизмы Bacillus mucilaginosus, представляющйе собой мощный потенциальный источник белка. Использование их белково-ферментной биомассы в кормлении сельскохозяйственных животных и домашней птицы впервые с успехом осуществлено в нашей стране.

Применение биомассы Bacillus mucilaginosus в животноводстве позволяет не только значительно увеличить резерв кормового белка и продуктивность животных, но и существенно сэкономить расход зерна, молока и других дефицитных кормов животного и растительного происхождения. Биомасса содержит также мощную ферментативную систему, способную расщеплять клетчатку, переводя ее в усвояемые организмом животного углеводы. Этот процесс происходит как в организме животного, так и в период силосования и сенажирования кормов.

Продукты биосинтеза Bacillus mucilaginosus являются эффективными стимуляторами иммуногенеза животных, что ведёт к повышению их резистентности к различным заболеваниям. Bacillus mucilaginosus могут использоваться и для профилактики силикоза. Это заболевание возникает преимущественно у людей, в легких которых накапливается кремнеземистая пыль. Под действием ее происходит образование соединительной ткани, вследствие чего поражаются альвеолы и наступает недостаточное обеспечение организма кислородом. При введении в легкие Bacillus mucilaginosus (аэрозольным методом) частицы кремнеземистой пыли переводятся в растворимое состояние и удаляются из организма. Следует подчеркнуть, что речь идет в данном случае только о профилактике силикоза, по не о его лечении.

Bacillus mucilaginosus начинают находить широкое практическое применение, часто весьма неожиданное. Например, с их помощью можно интенсифицировать добычу меди и других цветных металлов. Так, содержание алюминия в бокситах удается удвоить после удаления из них - с помощью Bacillus mucilaginosus - примерно 50% кремния. Это дает возможность добывать алюминий из бокситов, которые ранее считались непригодными для переработки на алюминий из-за малого содержания его в породе.

Bacillus mucilaginosus позволяют значительно увеличить прочность железобетонных балок, керамики и других силикатных изделий, так как они превращают кристаллический кремнезем и силикаты в реакционно-способные аморфные кремне кислоты. Их дальнейшее разрушающее действие приостанавливается термообработкой или пропариванием готовых изделий.

Кроме Bacillus mucilaginosus в почве присутствуют и другие микроорганизмы, способные разрушать силикаты. Бактерии Bacterium caldolyticus и Proteus mirabilis превращают полимерный кремнезем в мономерную или олигомерные кремниевые кислоты и их органические производные. Эти и некоторые другие бактерии могут разрушать и кремнийорганические соединения - как мономерные, так и полимерные - и включать высвобождающийся кремний в свой жизненный цикл.

Пожалуй, наиболее интересным видом почвенных микроорганизмов является Proteus mirabilis, широко изученный голландским химиком В. Хайненом. В организме этих микробов кремний успешно конкурирует с фосфором. При их выращивании в отсутствие фосфатов в кремний содержащей среде фосфор, входящий в состав организма бактерий, замещается кремнием и выделяется из них. Однако этот процесс является обратимым.

Из поглощенных силикатов бактерии синтезируют в своем организме кремнийорганические соединения, содержащие Не только связи Si-О-С и Si-N-С, но даже Si-С.

Кремний поступает в стенки клеток этих бактерий в виде иона силиката или в форме соединения с фосфор- глйцериновым альдегидом. Здесь ой частично адсорбируется в минеральном виде, а большая доля его связывается через атом азота (то есть за счет связи Si-N) с протеинами, аминокислотами и аминосахаридамп. Одновременно с этими реакциями часть ионов силиката попадает во внутриклеточную жидкость. Затем часть поглощенного кремния соединяется с углеводами (за счет связей Si-О-С), а остаток его связывается с другими компонентами клетки. В ходе этих процессов происходит замена фосфора кремнием.

Основная масса (92%) связанного кремния находится в теле бактерий в форме не растворимых в спирто-эфирной смеси соединений, часть которых растворяется в воде.

Энергия, освобождающаяся в результате расщепления высокоэнергетических фосфатов, используется непосредственно для связывания кремния. Когда концентрация кремниевых эфиров сахаров достигает определенного уровня, они попадают во внутриклеточную жидкость, где связываются с сахаром и ранее попавшей неорганической частью кремния. Здесь происходит образование различных кремний органических соединений, в том числе и содержащих связи Si-С, а также нерастворимого кремне- полимера.

Изучение вытяжек из бактерий Proteus mirabilis, не содержащих живых клеток, показало, что процесс накопления кремния (поглощаемого в виде анионов силиката) основан на общих принципах усвоения бактериями таких ионов, как Са²⁺, Mg²⁺, Sr²⁺, POj^-. Ассимиляция кремния связана с системой . дыхания и протекает в две стадии. На первой происходит окисление субстрата, на второй - накопление кремния, способствующее его ионному обмену на фосфор.

В. Хайнен установил, что единственным источником энергии почвенных бактерий могут являться некоторые кремнийорганпческие соединения. Такие, как Si(OC₂H₅)₄, Si(OCOCH₃)₄, H₂N(CH₂)₂Si(OC₂H₅)₃, (CH₃)₂Si(OC₂H₅)₂. Возможность биохимической утилизации двух последних соединений свидетельствует о том, что силикатные бактерии могут расщеплять не только группировки Si-О-С, но и связи Si-С. Это обусловлено наличием в них особых ферментов - силиказ.

Бактерии Proteus mirabilis являются одной из весьма интересных форм живой материи, свидетельствующей, что бесфосфорная жизнь вполне вероятна.

Широкие исследования силикатных бактерий продолжаются.