Las cianobacterias combinan la fotosíntesis y la fijación de nitrógeno atmosférico en una sola célula. Bacterias y cianobacterias

Debido a la presencia de características únicas de la organización morfofuncional, amplia distribución en la biosfera y gran importancia ecológica, esta división (tipo) de bacterias (Fig. 7.12) se considera por separado.

Las cianobacterias se caracterizan por las siguientes características.

La pared celular es similar en estructura y en relación con los colorantes a la de las bacterias gramnegativas.

Las cianobacterias son los únicos procariotas que tienen la capacidad de realizar la fotosíntesis oxigénica, es decir, síntesis de sustancias orgánicas a partir de sustancias inorgánicas utilizando energía luminosa. La fuente de carbono es CO 2 , la fuente de hidrógeno es agua y se libera oxígeno molecular. El aparato fotosintético está representado por estructuras de membrana aplanadas, tilacoides con pequeñas formaciones globulares, ficobilisomas, ubicadas en su superficie. Estos últimos contienen verde (incluida la clorofila) d, lo que permite absorber cuantos de luz en la parte del espectro del infrarrojo cercano), pigmentos azules y rojos (en algunos), por lo que capturan la luz y la transmiten a los centros de reacción del sistema de fotosíntesis. En el citoplasma de las cianobacterias también hay inclusiones especiales parecidas a cristales: carboxisomas, que son el depósito de una de las enzimas clave de la fase tempo de la fotosíntesis.

Arroz. 7.12.cianobacterias. Imágenes tomadas con una óptica de luz(a) y electrónica(b) microscopios

En el citoplasma de las cianobacterias hay inclusiones tróficas representadas por gránulos de un polímero especial: la cianoficina; este es un tipo de depósito de nitrógeno utilizado en condiciones de escasez de nitrógeno.

Las formas que viven en el plancton tienen vacuolas de gas (aerosomas) en el citoplasma, lo que les da a las células una mejor flotabilidad.

Muchas cianobacterias (principalmente cianobacterias filamentosas multicelulares), junto con la fotosíntesis, llevan a cabo la fijación de nitrógeno: la reducción del nitrógeno molecular a amoníaco y la síntesis de compuestos orgánicos que contienen nitrógeno sobre esta base. La combinación de estos procesos (recordemos que la enzima clave de la fijación de nitrógeno, la nitrogenasa, solo puede funcionar en un ambiente libre de oxígeno) se logra de varias maneras: su separación en el tiempo (fotosíntesis, durante el día, fijación de nitrógeno, por la noche) oa través de la separación de funciones entre células (algunas células realizan la fotosíntesis, otras son heterocistos recubiertos de una densa membrana impermeable a la fijación de oxígeno - nitrógeno).

Las cianobacterias tienen una amplia gama de mecanismos de adaptación, como la formación de un pigmento que las protege de la radiación ultravioleta, la síntesis de sideróforos, sustancias especiales que se unen a los iones de hierro y los convierten en una forma utilizable, la síntesis de tensioactivos, tensioactivos, en cuya presencia las partículas en suspensión se adhieren y depositan en el fondo de los embalses, haciendo transparente el agua (debido a esto, las bacterias reciben la cantidad necesaria de luz), la síntesis de antibióticos que inhiben el desarrollo de otras cianobacterias, algas, hongos , etc.

Estos son los únicos procariotas capaces de formar estructuras multicelulares con un nivel de integración suficientemente alto (ver Fig. 7.11). Las cianobacterias multicelulares se caracterizan por tener una variedad de formas (filamentosas, ramificadas, etc.), algunas de ellas pueden alcanzar tamaños macroscópicos. Tales formaciones exhiben algunas propiedades inherentes a los organismos integrales: diferenciación de las partes del cuerpo, movimiento coordinado en el espacio, etc.

Las cianobacterias a menudo entran en relaciones simbióticas con hongos, musgos, helechos, esponjas, chorros de mar. Algunas especies de cianobacterias viven dentro de algas y flagelados. Se sugiere que los cloroplastos de las células vegetales surgieron de simbiontes: cianobacterias.

Se cree que fue gracias a la actividad fotosintética de las cianobacterias que se formó la atmósfera de oxígeno de la Tierra. Sus restos fueron encontrados en las formaciones geológicas más antiguas con una edad de unos 3500 millones de años.

En la biosfera moderna, las cianobacterias se distribuyen en casi todas partes (incluso en lugares donde no hay otras formas de vida, como lagos alcalinos y fuentes termales) y, al ser un componente de las biocenosis terrestres y acuáticas, aumentan significativamente su productividad.

Aplicación práctica de bacterias. Los diferentes tipos de bacterias tienen muchos usos en diferentes campos.

Las bacterias del ácido láctico fermentan la leche.

Las bacterias del ácido propiónico se utilizan en la fabricación de queso.

Algunos tipos de cianobacterias se utilizan como producto alimenticio en México, China, India y Filipinas. Cabe señalar que en términos de contenido de proteínas (70% del peso seco), no tienen igual entre los organismos fotosintéticos.

Las bacterias patógenas causan muchas enfermedades infecciosas, como el cólera, la sífilis, la peste, la fiebre tifoidea y el ántrax.

Algunos tipos de bacterias del suelo ( Bacilo breve etc.) se utilizan para obtener antibióticos.

En la agricultura, las bacterias del ácido láctico se utilizan para ensilar forrajes verdes. Para mejorar la fertilidad del suelo, se introducen en ellos ciertos tipos de bacterias fijadoras de nitrógeno.

Algunos tipos de bacterias quimiosintéticas se utilizan en metalurgia para extraer metales (hierro, cobre) de minerales naturales y sus productos procesados ​​(escorias, etc.).

La inyección de una suspensión de ciertos tipos de bacterias (junto con un sustrato nutritivo para su reproducción activa) en un depósito natural que contiene aceite permite aumentar su producción.

Varios tipos de bacterias se utilizan ampliamente para el procesamiento de desechos de empresas industriales y desechos domésticos.

Formas exóticas de bacterias. Enumeramos algunas formas especiales de bacterias.

Los mayores representantes de bacterias (80-600 micrones) - Epulopiscium fishelsoni(Departamento Firmicutes) - son simbiontes de peces cirujanos.

Bacterias con ADN lineal Borellia burgdorferi(Departamento de Espiroquetas), Streptomyces lividans(Departamento de Actinobacteria).

Bacterias que tienen dos "cromosomas" en forma de anillo (genoma diploide) - Rhodobacter sphaeroides(Departamento de Proteobacterias).

Los planctomycetes (Division Planctomycetes) son un grupo especial de microorganismos acuáticos caracterizados por una serie de propiedades únicas. La pared celular no contiene proteoglicanos. El volumen interno de la célula se subdivide en "compartimentos" con la ayuda de membranas. El nucleoide está rodeado por una doble membrana. Parte del genoma (de una de las bacterias más grandes del mundo - hasta 9 millones de pares de bases) muestra homología no con los genes de otros grupos de bacterias, sino con los genes de eucariotas y arqueas. Algunos planctomicetos son capaces de oxidación anaeróbica de amonio.

bacterias Deinococcus mdiodurans(Departamento Deinococcus-Termus) resisten la exposición a la radiación ionizante a una dosis de 10.000 grays por bacteria (en comparación, la dosis letal para los humanos es de 40-50 grays). (Recuérdese que gray, una unidad de medida de la dosis absorbida de radiación ionizante, es igual a un joule de energía por kilogramo de masa). La alta radiorresistencia de estos microorganismos está asociada con un mayor contenido de iones Mn en su citoplasma, lo que puede neutralizar eficazmente las partículas de radicales libres formadas en grandes cantidades durante la irradiación y que tienen un efecto destructivo sobre los biopolímeros, en particular el ADN y las proteínas.

Proteobacteria alfa púrpura Rhodospirillum frotar git(Departamento de Proteobacteria) - un grupo único de microorganismos capaces, según el hábitat, de realizar la fotosíntesis, fijar nitrógeno molecular, cambiar reversiblemente a tipos de nutrición heterótrofos o quimioautotróficos y mantener la viabilidad en condiciones anaeróbicas.

Se describen bacterias heterótrofas que pueden crecer usando solo un determinado compuesto orgánico como fuente de carbono y energía química. Por ejemplo, Bacilo fastidioso(Department Firmicutes) solo puede usar ácido úrico y sus productos de degradación, y algunos miembros del género Clostridium crecer sólo en un medio que contenga purinas. No pueden usar otros sustratos orgánicos para crecer. El metabolismo plástico de estas bacterias está organizado de tal forma que ellas mismas pueden sintetizar todos los compuestos de carbono que necesitan.

Chrysiogenes arsenatis - Microorganismo quimiolitoautotrófico anaeróbico obligado del género crisiogenes(departamento Chrysiogenetes), la única bacteria capaz de usar sales de arsénico (arseniatos) como aceptor final de electrones durante la llamada "respiración de arseniato". Utiliza ácidos acético, pirúvico, D- y L-láctico y otros ácidos orgánicos como donante de electrones. Primero se aisló de áreas contaminadas con arsénico de minas de oro en Ballarat (Australia).

bacterias Cupriavidus metallidurans y Delftia acidovorans(Departamento de Proteobacteria), que se encuentran en una fina biopelícula que cubre los granos de oro en la roca, son capaces de reducir los iones de oro (Au 3+) tóxicos para ellos en una forma químicamente inerte, metálica. Al mismo tiempo, los primeros realizan este proceso dentro de la célula, acumulando oro insoluble en forma de gránulos citoplasmáticos, mientras que los segundos, fuera de la célula. Para hacer esto, las bacterias sintetizan un péptido especial, la delftibactina (que reacciona específicamente con los iones de oro) y lo liberan al ambiente externo.

La posición de las cianobacterias en el sistema del mundo vivo.

Definición 1

cianobacterias- Este es un grupo de organismos procarióticos que pueden participar en los procesos de fotosíntesis.

Las cianobacterias tienen rasgos característicos de diferentes reinos de organismos vivos. Durante mucho tiempo se clasificaron como plantas inferiores, pero a medida que se amplió el conocimiento de la organización celular eucariota y procariota, las algas verdeazuladas (cianobacterias) comenzaron a atribuirse a las bacterias.

Para clasificar las cianobacterias, utilice:

• patrones de desarrollo de la cultura;
• rasgos morfológicos permanentes;
• características de la estructura celular;
• características de los nucleótidos y tamaño del genoma;
• características del metabolismo del carbono y del nitrógeno, etc.

Morfología, ciclo de vida de las cianobacterias

cianobacterias son organismos gramnegativos, incluyendo formas unicelulares, multicelulares y coloniales. En formas multicelulares, la unidad de estructura es un hilo específico: el tricoma o filamento.

Los tricomas pueden ser simples, de una sola fila o ramificados. Distinguir entre ramificación verdadera y falsa.

Con una verdadera ramificación, las células de filamento se dividen en diferentes planos, con la formación de filamentos de una sola fila con ramas laterales de una sola fila o tricomas de varias filas. Con ramificación falsa, los hilos están conectados o unidos en ángulo entre sí.

Durante el ciclo de vida, las cianobacterias pueden formar filamentos cortos o células únicas diferenciadas que realizan diferentes funciones:

• necesario en el proceso de reproducción (hormogonium, baeocitos);
• para sobrevivir en condiciones adversas (akinetes o esporas);
• para la fijación de nitrógeno en condiciones aeróbicas (heterocistos).

Un rasgo característico de las formas unicelulares y multicelulares es la capacidad de deslizamiento.

Métodos de reproducción de cianobacterias:

• división binaria;
• en ciernes;
• división múltiple;
• con restos de tricomas;
• hormogonias

Las células cianobacterianas tienen un sistema bien desarrollado de membranas intracitoplasmáticas en forma de tilacoides. Contienen componentes del aparato fotosintético (excepto el género Gloeobacter).

Observación 1

rasgo característico de las cianobacterias- la capacidad de fotosíntesis anóxica. La actividad del fotosistema I se mantiene, mientras que el fotosistema II se apaga. Los compuestos de azufre reducido, hidrógeno, algunos azúcares y ácidos orgánicos se utilizan como donantes de electrones exógenos.

La síntesis de ATP se lleva a cabo debido al transporte cíclico de electrones, que está asociado con el fotosistema I. La capacidad de cambiar de un tipo de fotosíntesis a otro en condiciones cambiantes es una prueba de la flexibilidad del metabolismo de la luz en las cianobacterias, que es de gran importancia ecológica.

La mayoría de las cianobacterias son fotótrofas obligadas. En la oscuridad, se observa un metabolismo endógeno activo. En este caso, el glucógeno previamente almacenado actúa como sustrato. Es posible obtener energía en la oscuridad gracias a la glucólisis. Se ha demostrado que algunas cianobacterias son capaces de crecer quimioheterotróficamente.

Para construir una célula, las cianobacterias necesitan una cantidad mínima de sustancias inorgánicas:

• dióxido de carbono;
• sales moleculares de nitrógeno, nitrato y amonio;
• sales minerales que sirven como fuente de magnesio, azufre, fósforo, hierro;
• agua.

Las cianobacterias exhiben actividad de fijación de nitrógeno, que depende del contenido de oxígeno molecular y nitrógeno ligado en el medio.

Principales grupos taxonómicos de cianobacterias

Según el Código Internacional de Nomenclatura de Bacterias, se distinguen cinco órdenes de cianobacterias:

• Pide Chroococcales. Unicelular. Se reproducen por fisión binaria o gemación. Caracterizado por la formación de vainas alrededor de las células.
• Orden pleurocapsales. Unicelular. Se reproducen por fisión múltiple o por fisión binaria y múltiple alternativamente.
• Orden de Osciladores. Filamentoso multicelular. Los tricomas consisten en una serie de células vegetativas, no ramificadas.
• Orden Nostocales. Filamentoso multicelular. Los tricomas consisten en una serie de células vegetativas; hay heterocistos y aquinetos, no ramificados.
• Orden Stigoneoomatales. Signos característicos de los poros. nostocales. Las células vegetativas son capaces de dividirse en varios planos, lo que da como resultado la formación de filamentos con verdaderas ramificaciones o tricomas de varias hileras.

La mayoría de las personas entienden intuitivamente el mundo que los rodea. Pero también hay criaturas microscópicas en la Tierra que no son visibles a simple vista. En el proceso de estudiarlas surgen interrogantes: ¿qué son estas bacterias y cianobacterias? ¿En qué se diferencian de los virus?

Las bacterias son un grupo de microorganismos unicelulares que carecen de un núcleo celular envuelto. Las bacterias vienen en diferentes formas. Se dividen en tipos como:

• cocos (esféricos);
• bacilos (en forma de bastón);
• espiroquetas (espiral);
• enrevesado: vibrios (en forma de coma).

Según los métodos de nutrición, se pueden distinguir organismos heterótrofos y autótrofos. Estos últimos viven de las sustancias inorgánicas que ellos mismos produjeron con la ayuda de la energía de las reacciones químicas.

También se pueden distinguir otras clasificaciones. Por ejemplo, se separan sobre la base de tinción o no tinción según el método de Gram. Para hacer esto, las bacterias se tratan con tintes especiales, luego se verifica si se decoloran después del lavado o no. Si no se decoloran, se denominan grampositivos; de lo contrario, gramnegativos. El primer grupo incluye la mayoría de las bacterias patógenas. Al segundo, por ejemplo, cianobacterias.

Las arqueobacterias (o archaea, Archaebacteria) se destacan por separado. Estos son procariotas (carecen de núcleo). Las arqueobacterias y las bacterias tienen algunas similitudes. Por ejemplo, se unen por células de tamaño y forma similares. Sin embargo, a pesar del parecido exterior con las bacterias, en algunos aspectos (parte de los genes), las arqueobacterias recuerdan más a los eucariotas. Hay más de 40 tipos de arqueobacterias.

bacterias y virus

En la vida cotidiana, estos conceptos a menudo no se distinguen. Aunque en realidad la diferencia es enorme:

Es importante distinguir los virus de las bacterias, aunque solo sea porque las enfermedades causadas por la acción de estos organismos se tratan de manera diferente. Por ejemplo, los antibióticos no funcionan para las infecciones virales.

Las cianobacterias y sus características.

Las cianobacterias son un grupo de bacterias gramnegativas capaces de realizar la fotosíntesis con liberación de oxígeno. En latín, el nombre se escribe como Cyanobacteria. Las cianobacterias son algas verdeazuladas.

Según la ciencia moderna, las cianobacterias surgieron hace unos 3 mil millones de años. Son células con paredes multicapa, constituidas por polisacáridos insolubles. Estas células no tienen núcleo ni cloroplastos. Hay formas solitarias y coloniales.

Las cianobacterias son fotoautótrofas, son capaces de sintetizar carbohidratos. Al igual que las plantas verdes, pueden descomponer las moléculas de agua utilizando la energía de la luz. En el proceso se forman hidrógeno y oxígeno libre. Además, un número suficientemente grande de cianobacterias es capaz de fijar nitrógeno atmosférico, que luego es consumido por animales y plantas, es decir, son capaces de realizar quimiosíntesis.

El color de las cianobacterias está determinado por los pigmentos de las células:

• clorofila - verde;
• ficocianina - azul;
• ficoeritrina - rojo;
• los carotenoides son amarillos.

El color puede variar de azul verdoso a marrón.

La principal diferencia con las bacterias es la fotosíntesis con la liberación de oxígeno.

Reproducción y esporulación

En la mayoría de los casos, las cianobacterias se reproducen por simple división celular. El ciclo de vida de las formas unicelulares en condiciones favorables es de aproximadamente 6 a 12 horas.

Si se presentan condiciones ambientales adversas, algunos tipos de cianobacterias pueden formar esporas. Al mismo tiempo, la cantidad de agua en la celda disminuye, el caparazón se vuelve más grueso. Las esporas pueden permanecer en condiciones desfavorables durante mucho tiempo y sin agua debido a las sustancias de reserva. Cuando se dan las condiciones favorables, una célula latente emerge de la espora.

hábitats

Muy a menudo, las cianobacterias se pueden encontrar en cuerpos de agua ricos en materia orgánica. Algunas especies también viven en lagos altamente salinos. También se encuentran en el suelo, como participantes en simbiosis (por ejemplo, en líquenes)

Representantes notables

• oscilatoria. Vive en agua dulce.
• Nostoc. La forma colonial también vive en agua dulce. En China y Japón se come.

Daño y beneficio

1. Las cianobacterias son capaces de liberar toxinas, especialmente cuando están demasiado desarrolladas. Como resultado, mueren varios tipos de peces.
2. Las cianobacterias son una de las causas de las floraciones de agua.

1. Son una parte importante del plancton oceánico.
2. Participa en un gran número de cadenas alimentarias.
3. Producen mucho oxígeno.
4. Algunas de sus especies son comestibles.

Así, tanto las bacterias en general como las cianobacterias en particular son elementos importantes de las biocenosis necesarias para la vida de muchos animales y plantas. Esto se debe, en particular, a su capacidad de nutrición autótrofa y liberación de oxígeno.

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Departamento Gracilicutes

Clase Oxifotobacterias

Ordenarcianobacterias

Organismos unicelulares, coloniales, filamentosos, viven en el agua y en la tierra en lugares húmedos (Fig. 16) . Contiene pigmento azul verdoso. ficocianina y en relación con el hábitat solían llamarse alga verde azul . Sin embargo, citológicamente las cianobacterias son procariotas típicas. Cubierto de mucosidad, capaz de moverse deslizándose. A veces, un grupo de células está unido por una cápsula mucosa común y se denomina Zooglea. La pared celular está estratificada, contiene algo de peptidoglicano mureína, Gram-negativa. tiene un nucleoide cromatóforos (sistema de mesosoma tipo platy), con fotopigmentos: clorofila, ficocianina, aloficocianina responsable del color verde azulado. Se alimentan fotoautotróficamente a través de la fotosíntesis. Las cianobacterias se reproducen por fisión binaria, fragmentación de filamentos, hormogonias: cadenas móviles cortas de células. Durante el transcurso del ciclo de vida, forman células o hilos especializados: hormogonías (uso para la reproducción) heterocistos - Células de paredes gruesas capaces de absorber nitrógeno del aire y Akinetes (etapas de descanso por experimentar condiciones adversas) . Oscilatorio no forma heterocistos y es capaz de asimilar el nitrógeno atmosférico solo en condiciones anaeróbicas. En presencia de oxígeno en el medio ambiente, la fijación de nitrógeno se detiene. A Anabens hay heterocistos que protegen el sistema de fijación de nitrógeno de la oxidación, por lo que absorbe nitrógeno y dióxido de carbono del aire al mismo tiempo en la luz. Las cianobacterias son altamente resistentes a los antibióticos ya los rayos ultravioleta.

Significado de cianobacteria:

1) Son los principales productores de materia orgánica en el agua y el suelo.

2) Saturar el agua y la atmósfera con oxígeno.

3) Participar en la formación del suelo, en la fijación del nitrógeno atmosférico.

4).Utilizado como fertilizante ecológico en campos de arroz (anabena).

5) Forman gran cantidad de proteínas y sustancias biológicamente activas (vitaminas), por lo que se utilizan para la fabricación de medicamentos (espirulina).

6) Causar el florecimiento de los embalses, producir fuertes venenos neurotóxicos, como resultado de lo cual el agua se vuelve imbebible.

Arroz. dieciséis . Morfología de las cianobacterias: 1) Gloeocapsa ; 2) Nostoc ; 3) Anabaena ; 4) oscilatorio , 5) Lyngbya ; EspecializadoCélulas: A) hormona; b) heterocistos

El subreino de las oxifotobacterias, las oxifotobacterias u oxifotobacteriobionta, son procariotas autótrofas capaces de realizar la fotosíntesis aeróbica. Estos incluyen cianobacterias y cloroxibacterias. El tipo de organismos procarióticos autótrofos es "bacterias en lugar de algas". Formas solitarias y coloniales. Las colonias crean estructuras calcáreas organogénicas (estromatolitos).

Las cianobacterias, microorganismos sorprendentemente modestos que solo necesitan luz solar, agua y aire. Su papel en la evolución y existencia de la biosfera de nuestro planeta es especialmente significativo [Gromov B.V. 2000]. Por la naturaleza de su organización celular, corresponden a las bacterias gramnegativas y representan su rama evolutiva independiente. En la literatura botánica, las cianobacterias todavía se denominan a veces algas verdeazuladas, donde se las considera un taxón de alto rango: una división o tipo en el sistema de las plantas inferiores. Azul-verde - los organismos más antiguos de la Tierra (Archea - ahora). Conocidos por depósitos de al menos 2.800 millones de años, todavía juegan un papel importante en los ciclos de la materia y la energía.

En sus células no solo hay un núcleo, sino también cromatóforos: formaciones celulares que contienen pigmentos y participan en la fotosíntesis, no hay vacuolas. En la parte densa central de las células verdeazuladas, se concentran las nucleoproteínas, compuestos de ácidos nucleicos con proteínas. Los blue-greens son notables porque pueden usar el nitrógeno atmosférico y convertirlo en formas orgánicas de nitrógeno. Durante la fotosíntesis, pueden usar dióxido de carbono como única fuente de carbono. A diferencia de las bacterias fotosintéticas, las bacterias verdeazuladas liberan oxígeno molecular durante la fotosíntesis.

Las cianobacterias que viven entre el plancton tienen vesículas de gas que contienen gas y dan a las células una mejor flotabilidad. Algunas cianobacterias son capaces de diferenciación celular. Uno de los tipos de células especializadas son las acinetas (o esporas), que son células grandes en reposo con una membrana engrosada. Sirven para la supervivencia del organismo en condiciones adversas. Cuando se dan las condiciones óptimas, los akinetes germinan. Otro tipo de células diferenciadas son los heterocistos, células especializadas en las que se lleva a cabo el proceso de fijación del nitrógeno atmosférico. Algunas cianobacterias filamentosas (Anabaena, Nostoc) pueden formarlas.

Ya se ha dicho anteriormente que los azul-verdes están representados no solo por formas unicelulares, sino también por formas coloniales, filamentosas y multicelulares. Pero los organismos nucleares pluricelulares no evolucionaron a partir de pluricelulares azul-verde, sino a partir de formas nucleares unicelulares. Por lo tanto, por primera vez, los azul-verdes intentan pasar a la siguiente etapa: al nivel de multicelularidad. Sin embargo, este intento no tuvo consecuencias especiales para la evolución.

Las cianobacterias son el único ejemplo de un organismo multicelular procariótico en el que se produce una especialización celular funcional.

La comprensión del potencial de las cianobacterias se está ampliando con la disponibilidad de métodos genéticos desarrollados y datos sobre secuencias de nucleótidos genómicos. Las cianobacterias se utilizan intensamente como organismos modelo para estudiar procesos biológicos fundamentales, entre ellos: la fotosíntesis y su control genético.