Бактерии с цилиндрической формой клеток, так же как и кокки, могут оставаться после деления объединенными попарно— диплобактерии и диплобациллы — и быть объединенными в длинные цепочки — стрептобактерии или стрептобациллы, напоминающие елочные бусы (рис. 2). Длина палочковидных бактерий от 1—2 до 10—20 мкм.
Все весьма близкие по морфо-физиологическим признакам прокариотические организмы относятся к одному виду (Species). Виды объединяются в роды (Genus), роды в семейства (Familia), семейства группируются в порядки (Ordo), порядки— в классы (Classis) и классы — в отделы (Divisio). Часть систематики, изучающая связи между отдельными группами организмов, систематическими единицами, соподчиненность и пределы систематических категорий, таксонов, называется таксономией.
В процессах очистки воды от загрязнений наряду с бактериями (прокариоты) принимают участие эукариотные организмы — грибы, водоросли и простейшие животные. Зачастую это участие бывает непрямым и выражается в потреблении продуктов жизнедеятельности бактерий или поедании самих бактериальных клеток. Тем не менее грибы и водоросли в изобилии развиваются в биофильтрах, водоросли — в окислительных прудах, а прото-зоа — во всех типах очистных сооружений. Все это побудило нас при описании организмов, играющих роль в очистке воды, остановиться также на этих представителях эукариотов.
Ферменты, или энзимы, играют важную роль в жизни микроорганизмов. По характеру действия они подобны катализаторам, так как ускоряют реакции, не входя в состав конечных продуктов, заметно не расходуясь и не изменяя первичных свойств. Все проявления жизнедеятельности микроорганизмов — это результат действия органических катализаторов — ферментов.
Крупные молекулы веществ, нерастворимых в воде (целлюлоза, крахмал, белки), превращаются вне клетки под влиянием гидролитических ферментов в низкомолекулярные соединения, хорошо растворимые в воде. Например, целлюлоза и крахмал превращаются в глюкозу, белки — в аминокислоты, пластмассы и смолы — в их мономерные компоненты, иначе говоря, полимеры, природные и синтетические, превращаются в мономеры.
Проблема изменчивости микробов стала предметом для дискуссий со времени возникновения микробиологии как науки. С 70-х годов XIX ст. до наших дней изменчивость представляет одну из ярких и увлекательных глав микробиологии. Изучение изменчивости бактерий принесло много ценного материала для создания картины онтогенетического развития многих видов. Экспериментальная изменчивость по мнению крупнейших специалистов по систематике бактерий может служить одним из плодотворнейших методов выяснения места организма в системе при попытке установления филогенетического родства. Лабораторная изменчивость в эксперименте помогает определить границы вида и рода бактерий.
Биологические методы очистки вод, загрязненных бытовыми и промышленными отходами, применяются уже около 70 лет. Преимуществом биологических методов перед многими химическими и физико-химическими является полная минерализация органического материала. Наиболее простой способ очистки сточных вод состоит в использовании почвенных методов очистки на полях фильтрации и полях орошения.
Большинство бактерий, принимающих участие в очистке,— гетеротрофы. Это, в основном, представители водной флоры, а также, по-видимому, некоторые обитатели кишечного тракта человека и животных, поступающие с фекальными стоками.
Природные органические вещества принимают участие в постоянном процессе круговорота элементов в биосфере Земли. Возможность деструкции всех природных органических веществ микроорганизмами ни у кого не вызывает сомнения. Сто лет назад Луи Пастер писал: «...роль бесконечно малых казалась мне бесконечно большой... благодаря участию их в разложении и возвращению в воздух всего, что жило!» [197]. Очень яркая, образная картина огромного кладбища, каким предстала бы перед нами природа в отсутствие микроорганизмов, представлена в известном учебнике академика В. Л. Омелянского [193]. Видный советский микробиолог А. Е. Крисс [150] указывает: «По доступности для бактериальных ферментов органическое вещество разделяется на нестойкое и стойкое органическое вещество. Эти термины означают, что всякое органическое вещество в подходящих условиях подвергается превращениям энзимами бактерий, но не с одинаковой легкостью». Автор здесь имеет в виду «органическое вещество», продуцируемое в Мировом океане. Но эти слова можно в полной мере отнести ко всем природным органическим соединениям биосферы, особенно если учесть деятельность не только бактерий, но актиномице-тов и микроскопических грибов. И то, что органика сохраняется на протяжении веков в древннх мощах, мумиях египетских фараонов и т. п., отнюдь не означает, что она стойка к микробной атаке, а означает лишь отсутствие «подходящих условий» для проявления разрушительной способности микроорганизмов. То же самое можно сказать и об углеводородах нефти, которые залегают в недрах Земли практически без изменений миллионы лет — будучи извлеченными на поверхность, в аэробных условиях они сразу же находят для себя потребителей среди разнообразнейших представителей микробного мира.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) представляют собой разнородную по химической структуре группу соединений, которые обладают одинаковой способностью снижать поверхностное натяжение жидкостей. Несмотря на стремление рассматривать микробную деструкцию синтетических веществ в связи с их химическим строением, в данном случае нам представляется более удобным использовать чисто утилитарную классификацию для того, чтобы привлечь внимание лиц, интересующихся проблемой биоразложения ПАВ, опасных загрязнителей воды. Внутри этой группы мы анализируем имеющиеся в литературе и полученные нами данные с точки зрения выяснения корреляции между микробными таксонами и химической структурой разрушаемых веществ.
Многие исследователи не удовлетворяются только селекцией высокоактивных микробных культур-деструкторов и определением основных промежуточных продуктов метаболизма, они выделяют и изучают ферменты, ответственные за осуществление тех или иных трансформаций резистентных соединений. При этом существует перспектива не только изучения механизма действия и возникновения специфических, новых ферментных систем, но и использования этих ферментов при очистке биосферы. И если предложения Райта [530] о применении ферментных препаратов путем внесения их в почву для ускорения биологической детоксикации гербицидов вряд ли осуществимы и несколько преждевременны, то энзиматическая очистка сточных вод уже сейчас имеет под собой надежную основу — принцип иммобилизации ферментов и ферментных систем.
Затруднения, связанные с отделением микроорганизмов от больших объемов воды, являются одними из главных и пока непреодолимых препятствий к широкому внедрению в практику очистки промышленных сточных вод микробного метода [290], безусловно более прогрессивного и более производительного по сравнению с использованием активного ила.
Общим недостатком реагентных методов отделения микроорганизмов от жидкостей является необходимость применения специальных материалов и реактивов. Эти реагенты должны отвечать соответствующим требованиям. Они должны быть нетоксичны; не менять существенно pH среды; не влиять на химический состав клеток; реагировать в незначительных количествах; иметь высокую активность и низкую стоимость; по возможности отделяться от клеток и повторно использоваться.