Разложение гумуса – длительный процесс и требует участия многих МО. Устойчивость гуминовых кислот к микробному разложению связана со сферической формой молекул, состоящих из многих гетерогенных единиц.

Существуют 2 взгляда на этот вопрос:

1. в почве существует специфическая группировка микроорганизмов разлагателей гумуса;

2. способность к разложению гумусовых веществ присуща в той или иной степени многим неспециализированным почвенным микроорганизмам.

Разные фракции гумуса неодинаково подвержены микробному разрушению. В почве обнаруживают фракцию гумуса очень древнего возраста, что свидетельствует о выпадении его из биологического круговорота.

Наиболее активно разрушается гумус в присутствии доступных микроорганизмам водорастворимых органических соединений в ходе реакции соокисления неспецифическими грибами родов Aspergillus, Penicillium, бактериями Pedomicrobium, Seliberia.

Механизмы ( надеюсь, это то что нужно)

Гумусообразование обусловлено ферментативной активностью, связанной с деятельностью различных групп микроорганизмов: аммонифицирующих, актиномицетов, микроскопических грибов, целлюлозоразлагающих бактерий. В частности, при участии окислительных ферментов, оксидаз, происходит побурение и почернение разлагающихся остатков. Дубильные вещества, окисляясь, переходят во флобавены, имеющие красный цвет, могущие служить источником образования гумусовых кислот. При окислении фенолов ферментами типа фенолоксидаз происходит конденсация структурных единиц, являющихся главными звеньями в формировании гумусовых веществ. Также происходит окисление лигнина до гуминовой кислоты. С участием ферментов осуществляются реакции соединения сахаров с аминокислотами, дубильных веществ с белками, белков с лигнином. В результате образуются черные нерастворимые в воде соединения коллоидной природы, имеющие сходство с естественными гумусовыми веществами; нерастворимые продукты, устойчивые к разложению микроорганизмами, а также лигнопротеиновые комплексы гумусовой природы. Таким образом, с участием ферментов протекают реакции образования темноокрашенных продуктов гумусовой природы по мере уплотнения и полимеризации, возникающих при ферментативном окислении, или взаимного осаждения различных соединений. Одним из важнейших процессов, протекающих в биосфере, является биологический круговорот углерода. Из всех органических соединений в природе наиболее распространена целлюлоза, в которой углерод находится в органической форме. Целлюлозу в почве разлагают аэробные и анаэробные микроорганизмы, использующие углерод в обмене веществ и обладающие способностью вызывать брожение.

Пример ( на случай если еще есть время..)

В состав целлюлозы (клетчатки) входит более 50% всего органического углерода биосферы. Целлюлоза C₆H₁₀O₅— наиболее распространенный полисахарид растительного мира; высшие растения на 15—50% состоят из целлюлозы. Целлюлозу разлагают аэробные микроорганизмы (бактерии и грибы) и анаэробные мезофильные и термофильные бактерии. Большинство представителей анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, найденных в природе, относятся к семейству Bacillaceae, роду Clostridium. Эти бактерии обитают в почвах, компостах, навозе, речном иле и сточных водах. + есть и др.

Аэробы : миксобактерии, относящиеся к порядку Myxobacteriales: семейство Мухососсасеае (род Myxococcus), семейство Archangiaceae (род Archangium), семейство Polyangiaceae (род Polyangium)

К актиномицетам, разлагающим целлюлозу, относятся представители родов Streptomyces, Streptosporangium, Micromonospora, к грибам — представители родов Fusarium, Dematium, Chaetomium, Trichoderma, Verticillium, Aspergillus, Penicillium, Botrytis, Rhizoctonia, Myrothecium. В разрушении целлюлозы участвуют и хитридиомицеты, среди которых много паразитов.

Разложение проходит в несколько этапов.

Ферментативный гидролиз полимера.( Этот процесс протекает под влиянием фермента, называемого целлюлазой и представляющего собой комплекс двух ферментов — эндо - и экзоглюканазы или С1фактора и Сх-фермента. Целлюлаза действует на в (1,4) - гликозидные связи.)  превращается в дисахарид целлобиозу, которая при воздействии фермента в - глюкозидазы  в глюкозу.

При аэробном разложении целлюлозы из образовавшейся глюкозы в основном получаются два продукта — СО2 и Н2О. Могут накапливаться и небольшие количества органических кислот.

При анаэробном распаде целлюлозы первоначальный продукт ее гидролиза — глюкоза в дальнейшем подвергается сбраживанию, в результате чего образуется много органических веществ, состав которых несколько различен у отдельных культур микроорганизмов.

8. Микробное фракционирование стабильных изотопов в природе.

ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ ОТБИРАЮТ ЛЕГКИЕ ИЗОТОПЫ - это основная и главная мысль. Далее идет просто рассказ о том, что такое вообще фракционирование и все такое прочее.

Фракционирование изотопов в живых организмах состоит в том, что относительное содержание одного из изотопов в данном соединении увеличивается за счет уменьшения его содержания в другом. Фракционирование изотопов — следствие их физико-химической неравноценности, которая может сказываться либо на скоростях процессов, либо на энергетическом состоянии системы. В первом случае имеют место так называемые кинетические изотопные эффекты, во втором — магнитные. Конфигурация электронных оболочек изотопных атомов одинакова. Поэтому в главных чертах, характеризующих химическое поведение элемента, они сходны. Однако различия изотопов (прежде всего по массе, а также по величине ядерного спина) приводят к тому, что изотопные формы соединений ведут себя несколько различно. В результате изотопный состав продукта реакции может отличаться от изотопного состава исходного соединения. Это различие и представляет собой изотопный эффект. Понятие биологического фракционирования изотопов химических элементов, образующих живое вещество (H, C, N, O, S), первоначально в той или иной мере связывалось с двумя фактами: 1. выявлением различий изотопного состава этих элементов в организмах и в соединениях неживой природы. Подавляющая часть известных экспериментальных данных относится к углероду. Это обусловлено той ролью, которую играет этот элемент в химии биологических соединений. Углерод организмов обогащен легким изотопом 12С по сравнению с углеродом неорганических источников. 2. Установлением кинетического изотопного эффекта, сопряженного с эффектом первичного карбоксилирования (другие изотопные эффекты в живых организмах, если и допускались, то считалось, что они имеют весьма ограниченное значение). Систематическое изучение изотопного состава элементов природных соединений позволило в реальных чертах показать картину биогеохимического поведения изотопов, в результате чего было определено, что организмам присуще закономерное распределение изотопов как между биомолекулами, так и внутри них. Во- первых, было показано, что биологическое фракционирование изотопов характе- ризуется не только изотопным смещением между теми или другими изотопами организма, но и глубокой дифференциацией изотопного состава внутри организма между индивидуальными соединениями, входящими в состав одной фракции, и даже внутри самих соединений. Во-вторых, отсутствие систематических различий изотопного состава между высшими и низшими рпастениями, между отдельными видами высших растений, между автотрофами и гетеротрофами (иначе говоря, отсутствие зависимости изотопного состава от надклеточной организации) свидетельствует о том, что биологическое фракционирование изотопов происходит на клеточном уровне. А сложные процессы транспорта веществ и межклеточного обмена, свойственные высшим организмам, играют гораздо меньшую роль в биологическом фракционировании изотопов. Поэтому обоснованными являются попытки многих исследователей найти причины биологического фракционирования изотопов в тех физико-химических процессах, которые сопровождают биосинтез органических соединений. Считается, что биологическое фракционирование не связывается с какими-либо отдельными путями или этапами биосинтеза, а рассматривается как свойство, присущее всем биохимическим реакциям, протекающим в организмах. При этом предполагается, что во всех случаях действует весьма сходный механизм фракционирования изотопов. Общность механизма и универсальность природы изотопного эффекта в разных биохимических реакциях связывается с тем фактом, что все биохимические реакции протекают при непременном участии ферментов.

В мировой практике для измерения изменений изотопного состава принята δ-система, в которой содержание изотопа выражается через изотопный состав некоторого стандарта и измеряется в промилле (‰). Так, для углерода 13С: δ 13С, ‰ = [(Rобр./Rстанд.) – 1]×10³ , где Rобр. = (13С/ 12С)обр., т.е. выражает относительное содержание тяжелого и легкого изотопа в образце; Rстанд. – такое же отношение для стандарта. Иначе говоря, при измерении изотопов используют не абсолютные величины их отношений, а относительные отклонения от изотопного состава стандартного образца. Положительные значения δ 13С указывают на увеличенное содержание тяжелого изотопа углерода в образце относительно стандарта, а отрицательные значения – на снижение содержания в образце тяжелого изотопа по сравнению со стандартом.

6. Понятие о «затравочном» эффекте.

«Затравочный эффект», т.е. изменение скорости разложения нерастворимого органического вещества почвы при росте микроорганизмов на легкодоступном субстрате (легкодоступных соединений азота или углерода). Тесно связанно с понятие Ко-метаболизма (см. выше в вопросах). Суть заключается в том, что при внесение легкодоступного субстрата изменяется общая численность микроорганизмов, а так же изменяется структура сообщества, т.е. происходит инициация сообщества.

Соответственно может быть два варианта развития последствий. При условии, что в данной почве разложения практически не идет, можно добавить легкодоступный субстрат и тогда увеличение численности микроорганизмов приведет к тому, что сообщество станет не просто больше (численно), но и разнообразнее ( за счет, к примеру, сопутствующих микроорганизмов гидролитиков), что в свою очередь приведет к увеличению скорости разложения органического вещества почвы.

С другой стороны, если же добавить избыточное кол-во легкодоступного субстрата в почву, где худо-бедно идет разложение, то получится ситуация, при которой микроорганизмы сменят свой рацион питания с малоприятного ( с точки зрения продуктивности разложения, т.е. в энергетическом плане бедного субстрата (по затратам энергии на его разложение и получение её (отдачи))) на более легкодоступный и энергетически выгодный субстрат, например, глюкоза (которую очень часто используют в качестве легкодоступного соединения). Собственно, вы наверное помните, что был эксперимент на чашках Петри, в котором показано, что при внесение глюкозы микроорганизмы переключаются и начинают разлагать именно её, а не какой-то более труднодоступный субстрат (ну они же не конченые, в конце-то концов).

7. «Вторая (подземная) биосфера» принципы ее функционирования.

Подводная. Вернее глубоко подводная. Суть в том, что энергия идет в цепях питания не от энергии солнца. В принципе, хотя Мутагарыч говорил нам в основном о подводной, стоит заметить, что могут быть такие биосферы и в замкнутых пещерах и любых других местах. Там где нет доступа солнечному свету и его продуктах(опад, животные что питаются им и так далее по всей цепочке), т.е. изолированные от нашей биосферы места с точки зрения энергетического обмена.

Функционирует эта биосфера за счет аналоговых источников энергии. Это тепло земли (Мутагарыч говорил про инфракрасные лучи, которые идут от ядра). Энергия химических связей (хемосинтез во всей красе). Классический пример - чёрные курильщики, расположенные также в афотической зоне океана (полное отсутствие солнечного света). Черные за счет выбросов сульфидов металлов. Кстати, по последним данным 2016 июль (http://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016116), согласно которым последний общий предок всех живых организмов (LUCA) мог быть жителем именно гидротермального источника, примерно 3,8 млрд. лет назад. И ещё один интересный вариант, обычно тоже приурочен к черным курильщикам, но не всегда. Так называемые морские электробактерии, которые существуют за счет разности потенциалов. Образуют сети на некоторое расстояние (около 1 см) и за счет разности потенциалов на концах образованной сети передают электрический ток. Об этом я нашел упоминания в статье за 2014 года в Nature (http://www.nature.com/ismej/journal/v8/n6/full/ismej2013239a.html), хотя упоминания встречал и более ранних годов. Для более подробного ознакомления можно почитать про них тут (http://www.facepla.net/the-news/energy-news-mnu/3441-alive-batteries.html) PS ссылки на статьи я даю полагаясь на ваш интерес (1), подтверждая источники (2), для тех у кого возникнет желание увеличить для себя вопрос или кому не ясно что (3)

9. Основные методы изучения геохимической деятельности микроорганизмов.

• Элективные питательные среды для учета численности и выделения микроорганизмов.

• Флуоресцентная микроскопия для определения численности микроорганизмов.

• Радиоизотопные, газово-хроматографические и изотопно-геохимические методы оценки активности микроорганизмов.

• Молекулярно-биологические методы для детекции таксономического разнообразия микроорганизмов и их функциональной активности

В целом, сами методы знакомы. + у нас есть отдельно Евдокимов. Но, думаю, что такое посевы на среды, микроскопия или газовая хроматография вы и сами отлично знаете. Про изотопные методы вопрос выше был. Сиквенс или метагеномика тоже достаточно популярные штуки. Тем более, что вопрос о перечисление, а не о разборе методов.

10. Современные биогеотехнологии с использованием микроорганизмов.

• повышение нефтеотдачи пластов

• борьба с метаном в угольных шахтах

• обессеривания углей

• выщелачивания металлов 

• повышение плодородия почв (а почему бы и нет? разложение органики и прочие воздействия на почву. Механические к примеру, появление в почве метаболитов и косвенное или прямое влияние на рост на почве различных растений)

Биогеотехнология

Некоторые микроорганизмы могут катализировать определенные окислительно-восстановительные реакции - окисление Fe и Mn в воде, окисление серосодержащих соединений, окисление-восстановление азотсодержащих соединений. Аэробные бактерии могут выделять железо, медь, сульфаты.

Биогеотехнология- использование геохимической деятельности микроорганизмов в горнодобывающей промышленности. Это экстракция и концентрирование металлов при биологической очистке сточных вод предприятий горнодобывающей промышленности и флотационных процессах: выщелачивание бедных и отработанных руд, десульфирование каменного угля, окисление пиритов и пиритсодержащих пород.

Своими корнями биогеотехнология уходит в геологическую микробиологию. Микроорганизмы принимали и принимают активное участие в геологических процессах. Биологические свойства различных групп микроорганизмов и особенности их жизнедеятельности в месторождениях полезных ископаемых составляют научные основы биогеотехнологии.

Биогеотехнология стихийно зародилась еще в XVI в. До нас дошли сведения о том, что в те далекие времена в Венгрии для получения меди груды добытой руды орошали водой. Этот нехитрый технологический прием оказался прообразом современного бактериально-химического метода кучного выщелачивания металлов из руд. Конечно, тогда еще не знали, что используемый процесс получения меди по своей природе является микробиологическим. Это стало известно только в 1922 г. благодаря работам немецких ученых Рудольфа и Хельброннера. По-видимому, 1922 г. следует считать официальной датой рождения биогеотехнологии. В дальнейшем биогеотехнология развивалась неровно и своего совершеннолетия достигла к началу 80-х годов нашего века. К этому времени наряду с бактериальным выщелачиванием металлов сформировались и другие разделы биогеотехнологии — удаление серы из углей, борьба с метаном в угольных шахтах, повышение нефтеотдачи пластов.

Биогеотехнология выщелачивания металлов — использование главным образом тионовых (окисляющих серу и серосодержащие соединения) бактерий для извлечения металлов из руд, рудных концентратов и горных пород. При переработке бедных и сложных руд тысячи и даже миллионы тонн ценных металлов теряются в виде отходов, шлаков, «хвостов». Происходят также выбросы вредных газов в атмосферу. Бактериально-химическое выщелачивание металлов уменьшает эти потери. Основу этого процесса составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. Окисляются сульфиды меди, железа, цинка, олова, кадмия и т. д. При этом металлы из нерастворимой сульфидной формы переходят в сульфаты, хорошо растворимые в воде. Из сульфатных растворов металлы извлекаются путем осаждения, экстракции, сорбции. Одним из возможных путей извлечения металлов из растворов является адсорбция металлов клетками живых микроорганизмов, так называемая биосорбция металлов. Металлы включаются в состав специфических белков – металлотионеинов. Полезными для биогеотехнологии добычи металлов свойствами обладает целый ряд микроорганизмов. Но основным из них, безусловно, является открытый в 1947 г. Колмером и Кинкелем вид тионовых бактерий, названный Thiobacillus ferrooxidans. Необходимую для роста энергию эти бактерии получают при окислении восстановленных соединений серы и двухвалентного железа в присутствии свободного кислорода. Они окисляют практически все известные в настоящее время сульфиды металлов. Источником углерода для роста бактерий служит при этом углекислый газ. Характерной особенностью их физиологии является потребность в очень кислой среде.Они развиваются при рН от 1 до 4,8 с оптимумом при 2—3. Интервал температур, в котором могут развиваться бактерии этого вида, составляет от 3 до 40°С с оптимумом при 28°С. Тионовые бактерии широко распространены в природе. Они обитают в водоемах, почвах, угольных и золоторудных месторождениях. В значительных количествах встречаются они в месторождениях серных и сульфидных руд. Но в условиях естественного залегания таких руд активность тионовых бактерий сдерживается отсутствием кислорода. При разработке сульфидных месторождений руды вступают в контакт с воздухом, и в них развиваются микробиологические процессы, приводящие к выщелачиванию металлов. Применяя определенные биотехнологические мероприятия, этот естественный процесс можно ускорить.