3.1. Смешанные культуры микроорганизмов. Использование. Типы взаимодействия между микроорганизмами в смешанной культуре.

Поведение смешанных культур, т.е. смеси организмов различных типов имеет большое значение для экологии микроорганизмов в почве, воде, при изучении болезней и порчи продуктов. Кроме того, смешанные культуры имеют важное значение в приготовлении пищевых продуктов брожения и изготовлении таких, например, микробных продуктов, как аспарагиновая кислота. Исходя из принципов роста смешанной культуры, мы можем предсказать результат загрязнения культуры или селекции какого-либо типа мутанта. Из-за сложности поведения смешанных культур использование математических моделей различных систем для описания и предсказания поведения культуры приобретает особенно важное значение.

1. Нейтрализм – состояние системы, когда ни один из организмов не оказывает влияния на скорость роста другого. Каждый вид утилизирует специфические питательные вещества, а конечные продукты жизнедеятельности каждого вида разбавляются или нейтрализуются.

2. Мутуализм – состояние системы, когда оба штамма растут быстрее в смешанной культуре, чем в моно. Распространен шире.

Например, рост в йогуртовой закваске: Лактобациллус и стрептококкус. Разновидности:

а. Обмен факторов роста:

Лактобациллус нуждается в фенилаланине, а стрептококкус в фолиевой кислоте. Из графика фидно, что они растут в монокультурах без этих ингридиентов, а в смешанной культуре каждое выделяет один из необходимых элементов.

б. Обмен питательными веществами:

Водоросли + простейшие. Водоросли связывают СО2 и выделяют О2. Простейшие используют О2 для выделения питательных веществ и регенерируют СО2.

Тесные мутуалистические связи, когда без взаимодействия не может существовать ни один из видов – симбиоз.

в. Второй вид разрушает токсин первого вида, являющийся одновременно питательным веществом для второго вида.

Метанобациллус омелиански – вид превращает этанол в водород и ацетат, но ее рост ингибируется водородом. Второй вид не способен расти на этаноле, но утилизирует водород в метан. Этот вид мутуализма возможен тогда, когда аэробные микроорганизмы защищают облигатных анаэробов от избытка свободного кислорода.

3. Комменсализм – преимущество в смешанной культуре получает второй вид, а первый связывает вещество, являющееся токсичным для второго вида, но в отличие от мутуализма, второй вид не создает благоприятных условий для первого вида. Например, осмефильные дрожжи снижают осмотическое давление, позволяя расти видам, чувствительным к осмотическому давлении. Например, токсичный сероводород окисляется фотосинтезирующими серобактериями, что обеспечивает возможность роста других бактерий.

Подвид: первый вид продуцирует соединение, ускоряющее рост другого вида, при этом продуцируемое соединение может служить источником энергии и/или углерода. Например, Нитробактер продуцирует нитрат, являющийся источником энергии для нитрифицирующих бактерий. Например, Сахаромицес церевизиа – основные пекарские дрожжи, продуцируют никотиновую кислоту, ускоряющую рост Протеус вульгарис.

Подобные комменсальные взаимоотношения часто объединяются в цепи. Например, дрожжи сбраживают глюкозу в спирт, спирт – питательное вещетсво для ацетобактеров, которые окисляют ее в уксуную кислоту и т.д.

Большинство примеров комменсализма обнаруживается при изучении периодических культур. В непрерывной культуре в открытых системах в основном наблюдается конкуренция, а комменсализм проявляется тогда, когда взаимодействующие виды существенно различаются по потребностям в питательных веществах.

4. Аменсализм – противоположен комменсализму. Рост первого вида подавляется в присутствии другого. Ингибирующий эффект обусловлен синтезом токсических веществ или поглощением незаменимых питательных веществ. Одни токсические вещества ингибируют синтез компонентов клеточной стенки, а другие разрушают барьер проницаемости , который обеспечивает клеточная мембрана.

Разрушая мембрану микроорганизм получает:

- первый вид уничтожает другой – потенциально конкурентный,

- разрушенные клетки являются источником питательных веществ и отношения трансформируются в паразитические.

5. Хищничество и паразитизм.

Первый вид получает преимущество за счет другого. Поглощение жертвы хищником.

При паразитизме организм-хозяин повреждается организмом, который питается за счет хозяина.

Например, нападение фагов на организм.

Часто при взаимодействии типа хищник-жертва, численность не достигает постоянных значений, а колеблется.

Классификация парных взаимодействий:

	Влияние вида 2 на вид 1
		-	0	+
Влияние вида 1 на вид 2	-	-- конкуренция	-0 аменсализм	-+ хищничество
	0	0- аменсализм	00 нейтрализм	0+ комменсализм
	+	+- хищничество	+0 комменсализм	++ мутуализм

Основные закономерности функционального подхода могут быть выражены за счет рассмотрения потоков энергии. Чем эффективнее популяция использует свободную энергию, приходящуюся на данный трофический уровень, тем она жизнеспособней.

Близкородственные организмы, ведущие сходный образ жизни, не могут обитать в одних и тех же местах.

Принцип конкурентного исключения или принцип Гаузе:

Не существует двух видов (популяций), которые могли бы занимать совершенно одинаковые ниши.

При лимитировании роста концентрацией субстрата, основное значение для исхода конкуренции имеет форма зависимости удельной скорости роста данной популяции от концентрации субстрата.

1. первый вид имеет преимущество во всем диапазоне концентраций субстрата, а следовательно, и скоростей потока.

2. д о точки пересечения преимущество у второго вида, после – у первого. В точке пересечения скорости равны (неустойчивое состояние)

% 0,05ч^-1 D=0,08ч^-1 D=0,05ч^-1

2 - C.utilis, μmax = 0,5ч^-1

1 – B. sultibes, μmax = 0,5ч^-1

Пример: На солевой среде с лимитированием роста ионами магния. В первой области значение D=0,05ч^-1, и это приводило к заметному уменьшению доли бактериальной популяции в смеси. Затем D=0,08ч^-1 (2ая область), что приводило к доминированию организма 1. В третьей области восстанавливается первоначальное.

Таким образом, график показывает изменение направления отбора в смешанной культуре в зависимости от условий культивирования.

При малых скоростях потока, т.е. в условиях глубокого лимитирования, большую роль играет способность популяции утилизировать низкие концентрации субстрата, а при увеличении скорости протока оказывается важной величина максимальной скорости роста. Бактериальная культура (В.) оказалась неконкурентноспособной при малых скоростях протока, хотя и имела более высокую константу удельной скорости роста по сравнению с дрожжами.

Пересечения кривых 1 и 2 определяют направления и действие отбора при изменении скорости протока.

Процесс замещения видов в сложных природных условиях сопровождается изменением факторов, определяющих и ограничивающих развитие популяции.

Сукцессия – замещение.

%

соотн. 1 – C. mycoderma

2 – C. tropicalis

τ1 τ2 τ

Если рассматривать кривую прироста суммарной биомассы, она не отличается от обычного клеточного роста.

Первоначальное соотношение численности ½ - 2 кл./3 кл. В начальной стадии роста, когда не было лимитирования по питанию, первый вид имел максимальную скорость роста 0,42 ч-1 и развивались быстрее, чем второй (0,37ч-1) до времени 1. К времени1 в системе 3 кл. первого вида к 1 кл. второго вида. Далее система вступила в следующую фазу сукцессии, характеризующуюся лимитировнаием роста недостаточной концентрацией растворенного кислорода и общий темп замедлился, но внутренняя перестройка продолжалась. В этом случае первый вид оказался более чувствителен к недостатку кислорода и, следовательно, менее конкурентноспособен. Далее в точке2 дали пену, следовательно, улучшилось снабжение кислородом и первый вид стал снова доминировать. В этих условиях при конкуренции за субстрат, согласно принципу конкурентного исключения не должно наблюдаться устойчивое сосуществование.

ε1/γ1 > ε2/γ2

При наличии нескольких видов конкурентов в конце остается один, имеющий наибольшее отношение ε/γ, где ε – коэффициент, характеризующий удельную способность к размножению (росту), γ – коэф. удельной потребности видов в пище.

μ1/Y1 > μ2/Y2 Это выражение можно заменить отношением удельных скоростей роста и экономическим коэффициентом использования субстрата. Для установившегося процесса μ1=μ2=D.

Оценка взаимодействий микробных популяций.

Симбиотческий индекс: S.I. = рост видов в смешанной культуре/рост тех же видов в чистой культуре, при этом внешние условия должны быть одинаковыми.

S.I = (Xmt/Xm0)/(Xpt/Xp0), где

Xmt – концентрация биомассы или численности в смеси культур к моменту времени t,

Xm0 - концентрация биомассы или численности в смеси культур в начальный момент времени,

Xpt - концентрация биомассы или численности в чистой культуре к моменту времени t,

Xp0 - концентрация биомассы или численности в чистой культуре в начальный момент времени.

S.I = Xсм. культуры/Xчист. культуры – для непрерывного культивирования, где Х – концентрация моль/л.

Для непрерывного процесса культивирования без внешнего лимитирования (турбидостат) эффективным может быть использование индекса взаимодействия.

I.I. = Dсм. культ./Dчист.культ., D – скорость протока.

Влияние популяции на параметры среды.

Аутостабилизация фактора – фактор, который ограничивает развитие популяции.

Сдерживающий фактор стремится сохранится на постоянном уровне или в пределах изменений своей величины.

Неконтролируемое развитие микроорганизмов невозможно из-за ограничений среды, противостоящих процессам развития любой популяции (и всей живой природы).

S

1 2 3

X 1 2 3

D

Для условий лимитированного роста можно ввести количественную оценку устойчивости, а именно, по остаточной концентрации субстрата.

Если какая-либо популяция способна потреблять лимитирующий субстрат до более низких концентраций, чем остальные, в сходных условиях, то она будет более устойчивой.

Основные закономерности функционального подхода к развитию смешанных культур могут быть выражены за счет рассмотрения потоков энергии. Чем эффективнее популяция использует свободную энергию, приходящуюся на данный трофический уровень, тем она жизнеспособней.