Большая часть рассмотренных нами выше примеров применения микроорганизмов так или иначе была связана с процессами, осуществляемыми и контролируемыми человеком. В связи с возрастающей важностью проблемы охраны окружающей среды, однако, необходимо понять и основные проявления микробиологической активности в биосфере. Обладая этими данными, мы сможем создать модели таких естественных процессов как эвтрофикация озер, биодеградация загрязнений и очистка воды в почве, динамика экосистем в естественных водных потоках и эстуариях. Кроме того, искусственная биологическая очистка сточных вод, представляющая собой один из наиболее важных процессов, которые выполняет человек с помощью микроорганизмов, в очень большой степени воспроизводит элементы естественных экологических циклов. Изучение активности микроорганизмов в природных условиях помогает понять, каким образом поддерживается жизнь на земле, и может служить ценной основой для практически важных применений смешанных культур микроорганизмов.
Адекватное функционирование глобальной экосистемы планеты невозможно без кругооборота необходимых для жизни химических элементов (так называемых биогеохимических циклов). Так, органические вещества, образующиеся в качестве отходов жизнедеятельности организмов или входящие в состав отмерших организмов, должны разлагаться и превращаться в неорганические вещества. Основные стадии этого процесса, называемого минерализацией, особенно эффективно осуществляются с участием микроорганизмов. В этом отношении особенно ценны такие качества микроорганизмов, как метаболическая универсальность, высокие скорости осуществляемых превращений и широкое распространение в природе. Микроорганизмы в общем случае могут разлагать любое природное органическое соединение.
Понятно, что для предотвращения накопления чрезмерных количеств любых органических отходов необходимо, чтобы реакции деградации протекали с соответствующими абсолютными скоростями (т. е. чтобы произведение удельной скорости на плотность популяции было достаточно велико). Мы уже неоднократно отмечали, что микроорганизмы растут гораздо быстрее, чем любые высшие организмы. Соответственно, удельные скорости утилизации субстрата микроорганизмами также очень высоки, поэтому и химические трансформации, необходимые для минерализации, обычно осуществляются с высокими скоростями. Важность микроорганизмов в природе обусловлена и еще одним фактором — их чрезвычайно широкой распространенностью и высокой плотностью популяций. Чрезвычайно много микроорганизмов обитает в поверхностных слоях водоемов и верхнем слое почвы; бактерии были обнаружены даже в образцах почвы из Антарктиды. Показано, что в слое плодородной почвы площадью 1 акр и глубиной до 6 дюймов содержится около 2 тонн бактерий и грибов. Учитывая высокие скорости метаболизма, нетрудно подсчитать, что находящиеся в этом почвенном слое микроорганизмы обладают большей метаболической активностью, чем 10 000 человек. Из поступающего в биосферу углекислого газа около 90% вносится за счет дыхания бактерий и грибов.
В кругооборотах большинства химических элементов микроорганизмы не только доминируют в процессах минерализации, но и вносят сущесгвенный вклад в другие трансформации. В следующих двух разделах мы ознакомимся с конкретными примерами участия протистов в биогеохимических циклах; при этом сначала будут рассмотрены общие характеристики кругооборота химических элементов в глобальном аспекте, а затем мы перейдем к изучению некоторых сравнительно хорошо исследованных экосистем.