Чем питаются цианобактерии

Цианобактерии
Anabaena spiroides
Научная классификация

Домен:

Бактерии

Отдел:

Цианобактерии

Международное научное название

• Cyanophyta

Дочерние таксоны

Цианобакте́рии [1] , или синезелёные [1] , или циане́и [2] [1] (лат. Cyanobacteria , от греч. κυανός — сине-зелёный) — отдел [3] крупных грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода.

Содержание

Эволюционное и систематическое положение [ править | править код ]

Цианобактерии наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, остатки которых (строматолиты, возраст более 3,5 млрд лет) обнаружены на Земле. Это единственные бактерии, способные к оксигенному фотосинтезу. Цианобактерии относятся к наиболее сложно организованным и морфологически дифференцированным прокариотам.

Один из видов древних цианобактерий, вступив в эндосимбиоз с предком архепластид, дал начало их хлоропластам (по молекулярным данным, хлоропласты в этой группе приобретались лишь однажды, а ближайший современный родственник их предка — цианобактерия Gloeomargarita lithophora [en] ) [комм. 1] . Кроме этого, известен ещё только один случай первичного [комм. 2] появления пластид — у амёб рода Paulinella [en] (вступивших в симбиоз с другой цианобактерией и значительно позже) [4] .

Цианобактерии являются объектом исследования как альгологов (как организмы, физиологически схожие с эукариотическими водорослями), так и бактериологов (как прокариоты). Сравнительно крупные размеры клеток и сходство с водорослями было причиной их рассмотрения ранее в составе растений («синезелёные водоросли»). За это время было альгологически описано более 1000 видов в почти 175 родах. Бактериологическими методами в настоящее время подтверждено существование не более 400 видов. Биохимическое, молекулярно-генетическое и филогенетическое сходство цианобактерий с остальными бактериями в настоящее время подтверждено солидным корпусом доказательств.

Жизненные формы и экология [ править | править код ]

В морфологическом отношении цианопрокариоты — разнообразная и полиморфная группа. Общие черты их морфологии заключаются только в отсутствии жгутиков и наличии клеточной стенки (гликокаликс, состоящий из пептидогликана). Поверх слоя пептидогликана толщиной 2—200 нм имеют наружную мембрану. Ширина или диаметр клеток варьируется от 0,5 мкм до 100 мкм. Цианобактерии — одноклеточные, нитчатые и колониальные микроорганизмы. Отличаются выдающейся способностью адаптировать состав фотосинтетических пигментов к спектральному составу света, так что цвет варьируется от светло-зелёного до тёмно-синего. Некоторые азотфиксирующие цианобактерии способны к дифференцировке — формированию специализированных клеток: гетероцист и гормогониев. Гетероцисты выполняют функцию азотфиксации, в то время как другие клетки осуществляют фотосинтез.

Морские и пресноводные, почвенные виды, участники симбиозов (например, в лишайнике). Составляют значительную долю океанического фитопланктона. Способны к формированию толстых бактериальных матов. Некоторые виды токсичны (выделяют такие токсины, как anatoxin-a, anatoxin-as, аплизиатоксин, цилиндроспермопсин, домоевую кислоту, микроцистин, нодулярин, неосакситоксин, сакситоксин) и условно-патогенны (например, Anabaena). Главные участники цветения воды, которое вызывает массовые заморы рыбы и отравления животных и людей. Уникальное экологическое положение обусловлено наличием двух трудносочетаемых способностей: к фотосинтетической продукции кислорода и фиксации атмосферного азота (у 2/3 изученных видов).

Деление бинарное в одной или нескольких плоскостях, множественное деление. Жизненный цикл у одноклеточных форм при оптимальных условиях роста — 6—12 часов.

Биохимия и физиология [ править | править код ]

Цианобактерии обладают полноценным фотосинтетическим аппаратом, характерным для кислородвыделяющих фотосинтетиков. Фотосинтетическая электронтранспортная цепь включает фотосистему (ФС) II, b₆f-цитохромный комплекс и ФСI. Конечным акцептором электронов служит ферредоксин, донором электронов — вода, расщепляемая в системе окисления воды, аналогичной таковой высших растений. Светособирающие комплексы представлены особыми пигментами — фикобилинами, собранными (как и у красных водорослей) в фикобилисомы. При отключении ФСII способны к использованию других, нежели вода, экзогенных доноров электронов: восстановленных соединений серы, органических соединений в рамках циклического переноса электронов с участием ФСI. Однако эффективность такого пути фотосинтеза невелика, и он используется преимущественно для переживания неблагоприятных условий.

Цианобактерии отличает чрезвычайно развитая система внутриклеточных впячиваний цитоплазматической мембраны (ЦПМ) — тилакоидов; высказаны предположения о возможном существовании у них системы тилакоидов, не связанных с ЦПМ, что до сих пор считалось невозможным у прокариот. Накопленная в результате фотосинтеза энергия используется в темновых процессах фотосинтеза для производства органических веществ из атмосферного CO₂.

Большинство цианобактерий — облигатные фототрофы, которые, однако способны к непродолжительному существованию за счёт расщепления накопленного на свету гликогена в окислительном пентозофосфатном цикле и в процессе гликолиза (достаточность одного гликолиза для поддержания жизнедеятельности подвергается сомнению).

Азотфиксация обеспечивается ферментом нитрогеназой, который отличается высокой чувствительностью к молекулярному кислороду. Поскольку кислород выделяется при фотосинтезе, в эволюции цианобактерий реализованы две стратегии: пространственного и временного разобщения этих процессов. У одноклеточных цианобактерий пик фотосинтетической активности наблюдается в светлое, а пик нитрогеназной активности — в тёмное время суток. Процесс регулируется генетически на уровне транскрипции; цианобактерии являются единственными прокариотами, у которых доказано существование циркадных ритмов (причём продолжительность суточного цикла может превышать продолжительность жизненного цикла). У нитчатых цианобактерий процесс азотфиксации локализован в специализированных терминально-дифференцированных клетках — гетероцистах, отличающихся толстыми покровами, которые препятствуют проникновению кислорода. При недостатке связанного азота в питательной среде в колонии насчитывается 5—15 % гетероцист. ФСII в гетероцистах редуцирована. Гетероцисты получают органические вещества от фотосинтезирующих членов колонии. Накопленный связанный азот накапливается в гранулах цианофицина или экспортируется в виде глутаминовой кислоты.

Значение [ править | править код ]

Цианобактерии, по общепринятой версии, явились «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле, что привело к «кислородной катастрофе» — глобальному изменению состава атмосферы Земли, произошедшему в самом начале протерозоя (около 2,4 млрд лет назад) которое привело к последующей перестройке биосферы и глобальному гуронскому оледенению.

В настоящее время, являясь значительной составляющей океанического планктона, цианобактерии стоят в начале большей части пищевых цепей и производят значительную часть кислорода (вклад точно не определён: наиболее вероятные оценки колеблются от 20 % до 40 %).

Цианобактерия Synechocystis [en] стала первым фотосинтезирующим организмом, чей геном был полностью расшифрован.

В настоящее время цианобактерии служат важнейшими модельными объектами исследований в биологии. В Южной Америке и Китае бактерии родов спирулина и носток из-за недостатка других видов продовольствия используют в пищу: их высушивают, а затем готовят муку. Рассматривается возможное применение цианобактерий в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения.

Классификация [ править | править код ]

Исторически существовало несколько систем классификации высших уровней цианобактерий.

В соответствии с «Справочником Берджи по бактериологической систематике», цианобактерии распределены по морфологии на 5 порядков. Хроококковые ( Chroococcales ) и плеврокапсовые ( Pleurocapsales ) объединяют одиночные или колониальные сравнительно простые формы, в порядки осциллаториевые ( Oscillatoriales ), ностоковые ( Nostocales ), стигонемовые ( Stigonematales ) входят нитчатые формы. Порядок Oscillatoriales включает в себя нитчатые безгетероцистные виды. Нитчатые формы, имеющие гетероцисты, делятся на виды с настоящим ветвлением Stigonematales , неветвящиеся и виды с ложным ветвлением Nostocales . «Высокоорганизованные» порядки содержат нитчатые формы, разница между ними — в наличии или отсутствии истинного ветвления и в наличии или отсутствии дифференцированных клеток (гетероцист и гормогониев). Внесистематической группой цианобактерий считаются «прохлорофиты» — цианобактерии, содержащие помимо хлорофилла a какой-либо другой хлорофилл (b, с или d). Некоторые из них не имеют фикобилипротеинов (хотя это — один из основных признаков цианобактерий). Родство установлено по гомологии 16S rDNA и генов фотосинтетического аппарата (psbA, psbB).

По данным сайта AlgaeBase [en] , на январь 2018 года отдел делят на следующие таксоны рангом по порядок включительно [5] :

По данным сайта NCBI, на январь 2018 года в отдел включают следующие порядки [6] :

Ранее выделявшийся порядок Prochlorales понижен в ранге до семейства Prochloraceae порядка Synechococcales, а порядок Стигонемовые (Stigonematales) синонимизирован с ностоковыми.

1. Какие организмы относятся к цианобактериям? Почему они так называются?

К цианобактериям относятся автотрофные организмы, способные к фотосинтезу.

Цианобактерии так называют, потому что имеют цвет циан (сине-зелёный). Такую окраску они получили из-за содержащихся зеленых пигментов хлорофилла и пигментов синего, красного и желтого цветов, участвующие в поглощении света.

2. Чем клетки цианобактерий отличаются от клеток других бактерий?

Цианобактерии в отличии от других бактерий способны к фотосинтезу, выделяют кислород; поглощают неорганические вещества и вырабатывают из них органические; являются прокариотами, поэтому не имеют ядра .

3. Как питаются цианобактерии?

Цианобактерии питаются органическими веществами, которые образуют сами. Они способны усваивать углерод из углекислого газа, используя для этого солнечную или химическую энергию, и образуют готовые органические вещества.

4. Почему вода в мелких природных водоемах летом часто приобретает зеленую окраску?

Это связано с массовым размножением цианобактерий, происходит так называемое цветение воды. При этом вода окрашивается в зеленый или коричневый цвет. Она приобретает болотный запах, вызванный процессами гниения. Цветение может происходить и тогда, когда в водоемы со сточными водами попадает много минеральных веществ, удобрений, смытых с полей.

5. На озере с мертвой рыбой, плавающей вдоль берега, обнаружены растущие маты из цианобактерий. Что могло стать причиной замора рыбы?

Цианобактерии после массового размножения начинают отмирать. Гетеротрофные бактерии, обитающие в водоеме, питаются ими и используют много кислорода для расщепления веществ. В воду выделяются ядовитые вещества. Вследствие этого происходит массовая гибель водных организмов, в том числе рыб. В таких водоемах нельзя купаться.

6. Постройте цепочку из событий, следующих за массовым размножением и гибелью цианобактерий в пруду.

Массовое размножение цианобактерий -> отмирание цианобактерий -> поедание цианобактерий гетеротрофными бактериями -> выделение в воду яда -> потребление большого количества кислорода гетеротрофными бактериями -> массовая гибель рыб и других живых существ в этом водоеме -> запрет на пользование водоемом.

7. Что не учла семья Люды при планировании водоема? Предложите меры по предотвращению цветения воды в пруду.

Семья Люды решила создать искусственный водоем возле загородного дома. Рабочие с помощью экскаватора вырыли котлован, утрамбовали дно и откосы будущего пруда. Водоем заполнили водой. Спустя несколько месяцев вода в водоеме зацвела.

Вода цветёт при избыточном количестве света и органики в пруду, а значит для её уменьшения в воде надо создать систему фильтрации и циркуляции воды, создать максимально естественную среду – завести декоративные растения.

Цианобактерии (от греч. цианос — синий и бактерия) — это прокариотические авто­трофные организмы. Цианобактерии занимают особое место среди бактерий. Они представлены одноклеточными, колониальными и нитчатыми формами, содержащими хло­рофилл и способными осуществлять фотосинтез. Циано­бактерии создают запас органических веществ в почве и воде, который служит кормовой базой для рыб и других мелких животных. Во время массового размножения цианобакте­рии вызывают цветение воды.

Среда обитания цианобактерий

Цианобактерии в основном населяют пресноводные водое­мы, некоторые живут на влажной почве, в основании стволов деревьев. Небольшое количество видов обитает в морях. Не­которые приспособились жить в очень неблагоприятных усло­виях: в горячих источниках, замерзших озерах Антарктики.

Строение цианобактерий

Цианобактерии содержат зеленый пигмент хлорофилл, а также пигменты синего, красного и желтого цветов, участву­ющие в поглощении света. Сочетание пигментов дает в боль­шинстве случаев сине-зеленую окраску (отсюда название). Но некоторые из них желтые, черные или красные. Благодаря окраске цианобактерии придают среде, где они обитают, опре­деленный цвет, особенно при массовом размножении. Крас­ное море получило свое название от красных цианобактерий.

Клетки цианобактерий могут иметь шаровидную, эллипсоидную, цилин­дрическую, бочонковидную формы. Одни цианобактерии, как цианофес, жи­вут в виде отдельных клеток (рис. 19), другие виды (анабена, осциллятория) соединены в цепочки (рис. 20, 21).

Некоторые цианобактерии (например, микроцистис) об­разуют округлые или неправильной формы колонии, в кото­рых множество клеток покрыты общим слизистым чехлом (рис. 22). Ряд цианобактерий являются многоклеточными. Они образуют нити длиной до 1 м и более и наращивают значитель­ную биомассу.

Цианобактерии, обитающие в поверхностном слое пресных и мор­ских водоемов, имеют в своих клетках специальные структуры — га­зовые вакуоли (от лот. вакуус — пустой). Эти вакуоли регулируют плавучесть организмов и позволяют им оставаться в толще воды. Ког­да цианобактерии теряют способность регулировать свою плавучесть, например при резких перепадах температуры или нарушениях кис­лородного обмена, они всплывают на поверхность.

Размножение цианобактерий

Размножение одноклеточных форм осуществляется путем деления клеток пополам, а колониальных — распадом ко­лоний на мелкие части. Большинство нитчатых цианобакте­рий размножаются делением нити на отдельные фрагменты.

Цветение воды (массовое размножение цианобактерий)

Вы могли видеть на поверхности воды в пруду пузыри­стые грязно-коричневые, плохо пахнущие маты из циано­бактерий (рис. 23, с. 36). Такому скоплению цианобактерий с микроскопическими водорослями предшествует их массо­вое размножение, так называемое цветение воды (рис. 24, с. 36). При этом вода окрашивается в зеленый или коричне­вый цвет. Она приобретает болотный запах, вызванный про­цессами гниения. Цветение воды происходит обычно тогда, когда в водоемы со сточными водами попадает много ми­неральных веществ, удобрений, смытых с полей.

Цианобактерии после массового размножении начинают отмирать. Гетеротрофные бактерии, обитающие в водоеме, питаются ими и используют много кислорода для расщепле­ния веществ. В воду выделяются ядовитые вещества. Вслед­ствие этого происходит массовая гибель водных организмов, в том числе рыб. В таких водоемах нельзя купаться.

Симбиоз цианобактерий

Цианобактерии могут вступать в симбиоз с другими ор­ганизмами — протистами, мхами, грибами.

Роль цианобактерий

Цианобактерии играют важную роль в природе. Вместе с другими бактериями они обогащают почву органически­ми веществами и азотом, а водоемы и воздух — кислородом. Материал с сайта http://wiki-med.com

Многие представители цианобактерий способны фикси­ровать атмосферный азот. В Азии за счет азотфиксирующих цианобактерий подолгу выращивают рис на одном и том же участке без применения удобрений.

Благодаря своей способности фиксировать атмосферный азот цианобактерии могут заселять голые поверхности скал и бедные почвы. Морские виды циано­бактерий фиксируют около четверти всего азота, который поглощается мо­рем из воздуха.

Водные формы бактерий служат кормом для мелких зверей и рыб. Некоторые цианобактерии используются в каче­стве «поставщиков» ценных для человека веществ — бел­ков, углеводов, жиров, витаминов, пигментов. Отдельные виды цианобактерий используются в пищу. Например, носток сливовидный (рис. 25) потребляют в Китае и Японии, а спирулину (рис. 26) — в районе озера Чад в Африке. Из спирулины получают пищевой белок, который используют как дополнение к пище.