Микроорганизмы в геохимических круговоротах. Вводная лекция

1.

МИКРООРГАНИЗМЫ В
ГЕОХИМИЧЕСКИХ КРУГОВОРОТАХ
ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ
Вайнштейн М.Б.
ПущГЕНИ
23.09.2019

2.

Разнообразие микроорганизмов

3.

Хогвартс – колледж, профессиональное
техническое училище (сокращённо ПТУ):
изучение оборудования и методов без изучения и
понимания основ

4.

5. Основные обитатели нашего мира - микроорганизмы

Основные обитатели нашего мира микроорганизмы

6. ТЕЗА № 1 Доминирующее большинство бактерий в изучаемых природных пробах представлено видами, которые известны науке. АНТИТЕЗА №

1
Основная численность бактерий
в природных пробах (97-99 %)
представлена неизвестными видами.

7.

ТЕЗА № 2
Численность – не показатель видового
разнообразия («биоразнообразия»).
Если даже по численности доминируют
неизвестные бактерии,
все равно основной существующий массив
видов уже известен.
АНТИТЕЗА № 2
Основное разнообразие бактерий
(97-99 %)
обусловлено видами, не выделенными в
культуры и, соответственно, неизученными.

8.

A new genomic blueprint of the human gut
microbiota. Nature, v. 568, pp. 499–504 (2019) |
«The composition of the human gut microbiota is linked
to health and disease, but knowledge of individual
microbial species is needed to decipher their biological
roles. Despite extensive culturing and sequencing efforts,
the complete bacterial repertoire of the human gut
microbiota remains undefined. Here we identify 1,952
uncultured candidate bacterial species by reconstructing
92,143 metagenome-assembled genomes from 11,850
human gut microbiomes. These uncultured genomes
substantially expand the known species repertoire of the
collective human gut microbiota, with a 281% increase in
phylogenetic diversity.»

9. Распределение различных групп бактерий и интенсивности сульфатредукции в колонке донных отложений (Балтийское море)

Учитываемая численность различных
физиологических групп бактерий составляет
малые проценты от их общей численности по
данным микроскопии.

10.

СЛЕДСТВИЕ ИЗ ТЕЗ №№ 1 и 2
Практикующие микробиологи работают
в лабораториях с типичными представителями
бактериального мира
и потихоньку выделяют и осваивают
более экзотические формы.
СЛЕДСТВИЕ ИЗ АНТИТЕЗ №№ 1 и 2
Практикующие микробиологи работают
не с типичными бактериями, а с экзотикой,
которая в природном разнообразии составляет
считанные проценты.
Типичные – не выделены и неизвестны.

11. Объявление репетитора:

«Набью инженерный глаз»

12.

ТЕЗА № 3
Известные или неизвестные бактерии
- все они видны под световым
микроскопом.
АНТИТЕЗА № 3
Существуют бактерии, размер которых
слишком мал для светового микроскопа.
Доля их в бактериальном природном
разнообразии неизвестна.

13.

14.

15.

16.

ТЕЗА № 4
Физиологическая группа бактерий
выделяется
по основному процессу, проводимому
бактериями.
АНТИТЕЗА № 4
Физиологическая группа бактерий
выделяется
по тому проводимому ею процессу,
который важен исследователю.

17. Распределение различных групп бактерий и интенсивности сульфатредукции в колонке донных отложений (Балтийское море)

Учитываемая численность различных
физиологических групп бактерий составляет
малые проценты от их общей численности по
данным микроскопии.

18.

ТЕЗА № 5
Бактерии находятся на службе у людей.
АНТИТЕЗА № 5
Люди находятся на службе у бактерий.

19. Каждый человек (или животное) представляет собой БИОРЕАКТОР, КОТОРЫЙ обеспечивает культивирование бактерий внутри. Хозяин

обеспечивает бактерий:
- субстратами,
- водой,
- стабильной температурой,
- стабильными условиями рН,
- Стабильными условиями
окислительновосстановительного
потенциала среды.

20. Здоровье и вес человека / животных в высокой степени зависят от кишечной микробиоты

Человек без кишечной микробиоты неспособен
переварить ни хитин грибов, ни целлюлозу
огуречной шкурки – все эти процессы
осуществляются кишечной микробиотой.
Пословица «Путь к сердцу лежит через желудок»
может соответствовать не только решению проблем
здоровья, но и обеспечению эмоций:
“Ingestion of Lactobacillus strain regulates
emotional behavior and central GABA
receptor expression in a mouse via the
vagus nerve” (Bravoa et al. PNAS, 2011.
V.108 (38) : 16050-16055).

21.

МИКРООРГАНИЗМЫ В
ГЕОХИМИЧЕСКИХ КРУГОВОРОТАХ
Абиогенные факторы

22. Геохимический круговорот. Пример: участие микроорганизмов в круговороте серы

by: Robertson, Kuenen, 1992

23. Распределение микроорганизмов в природе и их активность зависят от абиогенных факторов: рН, окислительно-восстановительного

потенциала (ОВП),
температуры, освещения и других

24. Электромагнитные волны образуют сплошной спектр длин волн и энергий (частот), подразделяемый на условные диапазоны — от

Электромагнитные
волны образуют
сплошной спектр
длин волн и энергий
(частот),
подразделяемый на
условные
диапазоны — от
радиоволн до гаммалучей

25.

Лизис бактерий под воздействием
сильного магнитного поля с выходом
наноклеток

26. Acidithiobacillus spp. и оптимумы рН и температуры ацидофильных бактерий и архей, окисляющих серу

Acidithiobacillus
Kingdom:
Eubacteria
Phylum:
Proteobacteria
Class:
Gammaproteobacteria
Order:
Acidithiobacillales
Family:
Acidithiobacillaceae
Genus:
Acidithiobacillus
Species
Acidithiobacillus albertensis
Acidithiobacillus caldus
Acidithiobacillus cuprithermicus
Acidithiobacillus ferrooxidans
Acidithiobacillus thiooxidans

27. rH2 = Eh / 0,029 + 2 рН

28. Биокоррозия и биовыщелачивание металлов: окисление, перевод в раствор, переосаждение

29.

30. Сопряженная (аэробная и анаэробная) трансформация металлов

В экспериментах при выполнении НИР по заказу Минобороны
РФ нами было показано, что окисление металла может
происходить при формировании анодной зоны на поверхности
металла. При этом создание гальванической пары «анод-катод»
может достигаться развитием бактерий, не трансформирующих
металл в прямых реакциях.
Алюминиевая проволока в
анаэробной и аэробной пробирках
Изменение веса 1 см проволоки
350
300
250
200
150
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
Создание гальванических пар
1.75
2
2.25
2.5
30
2.75

31.

Модель биоокисления арсенопирита
FeAsS A. ferrooxidans (по Г.И. Каравайко)
31

32. Ионные формы металла или его пребывание в растворимой / нерастворимой формах регулируются значениями рН и Eh

(окислительновосстановительного потенциала)
32

33. Ещё раз: оптимумы рН ацидофильных бактерий и архей, окисляющих серу

Acidithiobacillus
Kingdom:
Eubacteria
Phylum:
Proteobacteria
Class:
Gammaproteobacteria
Order:
Acidithiobacillales
Family:
Acidithiobacillaceae
Genus:
Acidithiobacillus
Species
Acidithiobacillus albertensis
Acidithiobacillus caldus
Acidithiobacillus cuprithermicus
Acidithiobacillus ferrooxidans
Acidithiobacillus thiooxidans

34.

ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ОВП:
Аэробы = ?
Анаэробы = ?
Строгие анаэробы = ?
Факультативные анаэробы = ?
Микроаэрофилы = ?
Методы анаэробного культивирования.
Резазурин как индикатор ОВП.
ОВП сыворотки крови.
Электрохимическая регуляция ОВП.
Катодная защита.

35.

Повышение продукции гентамицина при
электрохимическом повышении ОВП – образовании
активного кислорода в среде культивирования.
Устройство для определения оптимума и границ ОВП: