Как питаются и дышат бактерии: автотрофы, гетеротрофы и цианобактерии
Свяжем источник углерода и способ получения энергии, сравним аэробов с анаэробами и выясним роль цианобактерий без формулы «все бактерии вредны».
Федеральная программа · углублённый уровень · 7 класс
Бактерии и археи
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Автотрофные и гетеротрофные бактерии
- Аэробные и анаэробные бактерии
- Цианобактерии и их роль в природе
- Значение бактерий в биогеохимических циклах
Как это устроено
Описывая питание бактерии, задайте два отдельных вопроса. Откуда берётся углерод для её молекул: из CO₂ или из готовых органических веществ? Откуда берётся энергия: от света или из химических реакций? Поэтому пары «автотроф/гетеротроф» и «фототроф/хемотроф» не заменяют друг друга.
Постройте словесную таблицу по двум независимым осям. Цианобактерия при кислородном фотосинтезе — фотоавтотроф: энергию даёт свет, углерод — CO₂. Некоторые нитрифицирующие микроорганизмы — хемоавтотрофы: энергию получают при окислении неорганических соединений, а углерод — из CO₂. Многие молочнокислые бактерии — хемогетеротрофы: используют органические вещества как источник углерода и химической энергии. Название не сообщает автоматически, нужен ли каждой группе свободный кислород.
Кислород важен не всем одинаково. Аэробные организмы используют его, а анаэробные способны получать энергию без него; некоторые из последних переносят кислород, другие не могут. Брожение — один из бескислородных путей, но не синоним всякого анаэробного дыхания. На учебной задаче всегда указывайте, о каком пути и каком виде идёт речь.
Сравните два бескислородных пути. При анаэробном дыхании работает дыхательная цепь и конечным акцептором электронов служит не O₂, а другое вещество, например нитрат у некоторых видов. При брожении такого внешнего акцептора в дыхательной цепи нет; органическое промежуточное вещество помогает восстановить баланс переносчиков, чтобы гликолиз мог продолжаться. Эти пути не определяются только словом «анаэроб»; наличие или отсутствие кислорода и нужные ферменты различаются по организму.
Строгому аэробу нужен кислород для роста; строгий анаэроб плохо переносит его или не может расти в его присутствии; факультативный анаэроб способен расти в обоих режимах, используя доступные ему пути. Школьный рисунок трёх пробирок показывает лишь модель распределения роста, а не способ самостоятельной проверки неизвестного микроба. Особенно важно не путать переносимость кислорода с источником углерода: автотрофные и гетеротрофные виды могут иметь разные требования к O₂.
Цианобактерии — настоящие бактерии, хотя содержат фотосинтетические пигменты и выделяют кислород. Их предковые линии сыграли значительную роль в изменении атмосферы Земли. В современных водоёмах они производят органическое вещество, но при массовом развитии некоторые виды могут выделять токсины, поэтому неизвестную «цветущую» воду нельзя пить или трогать без оценки специалистов.
Цианобактерии не имеют ядра и хлоропласта, но имеют свои фотосинтетические мембраны и пигменты. Кислородный фотосинтез делает их важными первичными производителями; часть линий может фиксировать N₂, но это не общее свойство каждого вида и каждой клетки. При массовом развитии риск для людей и животных нельзя определять по цвету: не все цианобактерии производят одинаковые токсины, а внешне похожая вода может содержать другие организмы. Безопасное школьное действие — избегать контакта с подозрительной водой и пользоваться официальными предупреждениями, не собирать культуру дома.
Бактерии возвращают элементы в круговорот, разлагая органические остатки, и участвуют в превращениях соединений азота и серы. Одна группа может фиксировать азот, другая — превращать аммоний в нитрит и нитрат, третья — возвращать азот в атмосферу. Нельзя приписывать весь цикл одному виду или говорить, что любое разложение полезно в любой ситуации; в пище оно может означать порчу.
Азотный цикл читайте по подписанным формам: N₂ атмосферы → доступные соединения при азотфиксации; азот органических остатков → NH₄⁺ при аммонификации; NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ при нитрификации; часть NO₃⁻ → газообразные формы азота при денитрификации. Растения могут поглощать доступные формы азота, а животные получают органический азот с пищей. Стрелки выполняют разные группы микроорганизмов и не обязаны происходить одновременно на одном участке; полная природная сеть имеет и другие ветви.
Перенос элементов и получение энергии связаны, но не совпадают. При нитрификации некоторые микроорганизмы получают энергию от окисления неорганического соединения азота; при разложении органических остатков другие получают углерод из органики; при денитрификации некоторые используют нитрат как конечный акцептор электронов. В одной схеме нельзя подписать всех участников просто словом «бактерия» и скрыть различия функций, доступного кислорода и среды.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Автотроф
Организм, который использует неорганический углерод, прежде всего CO₂, как основной источник углерода для построения органических веществ.
Пример: Многие цианобактерии создают органические вещества из CO₂ при фотосинтезе.
Важно: Автотрофия говорит об источнике углерода, а не обязательно об источнике энергии: существуют фото- и хемоавтотрофы.
- Гетеротроф
Организм, получающий углерод для построения своих молекул из готовых органических веществ.
Пример: Многие бактерии почвы используют органические остатки; молочнокислые бактерии — вещества питательной среды.
- Фотоавтотроф
Автотроф, использующий энергию света для синтеза органических веществ из неорганического углерода.
Пример: Цианобактерии используют световую энергию и неорганический углерод при кислородном фотосинтезе.
- Хемоавтотроф
Автотроф, получающий энергию из окисления неорганических веществ, а углерод — из CO₂ или других неорганических источников.
Пример: Нитрифицирующие бактерии получают энергию в реакциях превращения соединений азота.
Важно: Не всякое окисление вещества автоматически означает, что организм автотрофен: источник углерода нужно проверять отдельно.
- Хемогетеротроф
Организм, который получает углерод из готовых органических веществ, а энергию — из химических реакций с веществами среды. Название одновременно указывает источник углерода и способ получения энергии.
Пример: Многие молочнокислые бактерии используют органические вещества среды и для построения тела, и для получения энергии.
- Аэроб
Организм, использующий молекулярный кислород в процессах получения энергии. Строгий (облигатный) аэроб нуждается в доступе кислорода для роста, тогда как другие организмы могут использовать его, но жить и без него.
Пример: Для строгого аэроба доступ кислорода необходим; в закрытом учебном сосуде он обычно растёт ближе к поверхности с кислородом.
- Анаэроб
Организм, способный жить и получать энергию без молекулярного кислорода; разные анаэробы отличаются переносимостью кислорода.
Пример: Некоторые бактерии живут в глубине бескислородных отложений.
Важно: «Анаэроб» не всегда означает мгновенную гибель при контакте с кислородом; есть факультативные формы.
- Факультативный анаэроб
Организм, который способен расти как при наличии кислорода, так и без него, если у него есть подходящие пути получения энергии. Какой путь используется, зависит от вида и условий; это не «половина аэроба».
Пример: В учебной модели факультативная бактерия может дышать при доступе кислорода и переключаться на другой путь, когда кислорода нет.
- Анаэробное дыхание
Получение энергии через дыхательную цепь без молекулярного кислорода как конечного акцептора электронов; вместо него некоторые организмы используют другое подходящее вещество, например нитрат. Это не синоним брожения.
Пример: Некоторые денитрифицирующие бактерии используют нитрат в бескислородных условиях при анаэробном дыхании.
- Брожение
Путь получения клеткой энергии из органических веществ без использования внешнего окислителя в дыхательной цепи.
Пример: Некоторые молочнокислые бактерии образуют молочную кислоту при переработке сахаров.
- Кислородный фотосинтез цианобактерий
Использование энергии света для образования органических веществ из неорганического углерода с выделением кислорода. У цианобактерий нет хлоропластов наземного растения, хотя их клетки содержат фотосинтетические мембраны и пигменты.
Пример: Освещённая популяция цианобактерий может участвовать в образовании органического вещества и выделении O₂ в водоёме.
- Цианобактерии
Группа бактерий, способных к кислородному фотосинтезу; у части видов также происходит фиксация атмосферного азота.
Пример: Цианобактерии участвуют в первичной продукции водоёмов и исторически повлияли на накопление кислорода в атмосфере.
Важно: Их старое название «сине-зелёные водоросли» не делает их эукариотическими водорослями.
- Биогеохимический цикл
Переход химического элемента между организмами и неживыми частями среды через физические, химические и биологические процессы.
Пример: В круговороте азота бактерии участвуют в фиксации азота, аммонификации, нитрификации и денитрификации.
- Азотфиксация
Превращение молекулярного азота воздуха в биологически доступные азотсодержащие соединения некоторыми микроорганизмами.
Пример: Клубеньковые бактерии в симбиозе с бобовыми участвуют в азотфиксации.
Важно: Не все бактерии и не все цианобактерии способны фиксировать азот.
- Аммонификация
Превращение органических соединений азота из остатков и выделений организмов в аммоний или аммиак при работе разных микроорганизмов. Это один из путей возвращения азота из органики в неорганические формы.
Пример: При разложении опавших листьев часть связанного в них азота может перейти в аммоний почвы.
- Нитрификация
Окислительное превращение аммония сначала в нитрит, затем в нитрат, которое в природе выполняют разные микроорганизмы при подходящих условиях. Схема NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ не означает, что каждый отдельный вид делает оба шага.
Пример: В аэрируемой почве группы микробов последовательно превращают аммоний в нитрит и затем в нитрат.
- Денитрификация
Превращение нитрата и промежуточных соединений азота в газообразные формы, включая N₂, при работе определённых микроорганизмов обычно в условиях низкого доступа кислорода. Это не обратная реакция фиксации в одной клетке.
Пример: В переувлажнённом бедном кислородом грунте некоторые бактерии могут восстанавливать нитрат до газообразных соединений азота.
- Массовое развитие цианобактерий
Быстрое увеличение численности и биомассы цианобактерий в водоёме при благоприятных условиях, иногда заметное как окрашенный слой или скопление на поверхности. Внешний вид не позволяет определить конкретный токсин или его концентрацию.
Пример: Зелёная плёнка у берега может вызывать подозрение на массовое развитие, но для установления состава и риска нужны пробы и анализ.
Пример по шагам
Микроорганизм получает углерод из CO₂, а энергию — из окисления аммония. Как назвать его питание? Нужно ли ему солнечное освещение как источник энергии?
- Источник углерода — неорганический CO₂, значит организм автотрофен.
- Источник энергии — химическая реакция окисления, значит он хемотрофен.
- Не подменяйте «автотроф» словом «фотосинтезирующий».
Вывод: Такой организм — хемоавтотроф; для получения энергии ему не нужен свет, хотя другие условия среды по-прежнему важны.
Практическая работа
Строим модель круговорота азота
- Возьмите карточки «атмосферный N₂», «аммоний», «нитрит», «нитрат», «органические соединения» и «растение».
- Соедините стрелками только известные превращения и подпишите группу микроорганизмов или процесс над каждой стрелкой.
- Отдельно отметьте процессы, для которых кислород нужен, не нужен или зависит от условий; проверьте схему по учебному источнику.
Что можно заключить: Разные микроорганизмы выполняют разные звенья цикла; отсутствие одного превращения меняет доступность азота для экосистемы.
Безопасность: Практика карточная; не выращивайте неизвестные культуры и не проводите опыт с «цветущей» водой.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.
- ФРП ООО «Биология», углублённый уровень, 7–9 классы
- ФРП биологии 7–9 классов, углублённый уровень
- OpenStax Biology 2e: разнообразие обмена у прокариот
- OpenStax Microbiology: брожение и анаэробное дыхание
- OpenStax Microbiology: разные требования к кислороду
- US EPA: риск контакта с массовым развитием цианобактерий
- USGS: основные ветви круговорота азота