Строение и функционирование комплекса почвенных микроорганизмов

Цель практического занятия:изучить концепцию комплекса почвенных микроорганизмов и принципы: дублирования, обратимости и множественного лимитирования

Ключевые слова:микроорганизмы, концепция, принципы, дублирование, лимитирование, ненасыщенность

Вопросы:

1. Концепция комплекса почвенных микроорганизмов: концепция микробного пула, концепция пула метаболитов

2. Принцип дублирования

3. Принцип обратимости микробиологических процессов

4. Принцип множественного лимитирования

5. Концепция ненасыщенности комплекса почвенных микроорганизмов

6. Концепция почвы как множества сред обитания микроорганизмов

Экосистемы отличаются определенной прочностью, которая выражается в способности поддерживать гомеостаз. Почвенные микроорганизмы в естественных биогеоценозах поддерживают на постоянном, характерном для данного типа почвы уровне орга­ническое вещество (гумус), различные индивидуальные органи­ческие вещества (ферменты, аминокислоты, органические кис­лоты, витамины, ауксины, токсины), содержание подвижного азота, фосфора, вероятно, скорость разрушения минералов и т.д. Хозяйственная деятельность человека добилась значительной интенсификации процессов, проводимых почвенными микроор­ганизмами.

Опыт сельского хозяйства показывает, что микробиологиче­ские процессы разложения органических веществ, о которых мож­но судить, например, по интенсивности дыхания почвы, резко интенсифицируются, убыстряется круговорот биогенных элемен­тов, что до определенных пределов может рассматриваться как положительное явление. Интенсификация процессов, осуществ­ляемых почвенными микроорганизмами (разложение органиче­ского вещества, денитрификация, вероятно, и азотфиксация), при создании соответствующих условий достигается довольно легко. Однако такого рода интенсификация в связи с хозяйственной деятельностью человека часто оказывается вредной. Происходят чрезмерно быстрое разрушение органического вещества в осваи­ваемых торфяниках, превращение внесенных азотных удобрений в нитраты с последующим их вымыванием в грунтовые воды и реки, развитие процесса денитрификации, приводящее к газооб­разным потерям азота, и т.д.

Таким образом, общий тезис, применяемый в почвенной мик­робиологии «чем больше, тем лучше» (в отношении количества микроорганизмов, ферментативной активности почв, скорости разложения клетчатки на зарытых в почву кусках ткани, накопле­ния аминокислот, дыхания почвы и др.) кажется все более сомни­тельным. Если бы зоолог или ботаник начал отстаивать подобный тезис, то абсурдность его стала бы сразу очевидной. Например, чрезмерное развитие травоядных животных не ведет ни к чему хорошему для экосистемы. Чрезмерное развитие хищников так­же вызывает повреждение экосистемы, а не ее процветание. Однако в области почвенной микробиологии предположение о положительном влиянии избытка микроорганизмов оказывает­ся часто справедливым. Причина заключается в специфике функ­ционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Мик­робиологи, как правило, определяют не реальное воздействие экологического фактора на экосистему, а потенциальные воз­можности микроорганизмов и потенциальную биологическую активность почв (количество зачатков микроорганизмов, потен­циальная ферментативная активность почв). Общий запас и боль­шие потенциальные возможности часто говорят о высокой буферности системы. Отличие микроорганизмов от высших организмов состоит в том, что их количество может быть не про­порционально их реальному воздействию на экосистему и не пропорционально интенсивности проводимых ими процессов. Количество животных и растений, а также их биомасса в гораздо большей степени пропорциональны их вкладу в круговорот ве­ществ и поток энергии в экосистеме.

Большие потенциальные возможности говорят, как правило, о большей способности системы сохранять равновесие при из­меняющихся внешних воздействиях. В этом отношении экосис­темы с высокой потенциальной биологической активностью мо­гут быть устойчивее. Однако гипертрофированная полевая (реальная) биологическая активность скорее ведет к разрушению экосистемы, чем к ее поддержанию. Для естественных экосистем должен быть характерен свой оптимум реальной микробиологи­ческой активности, и выход за его пределы, как в сторону пони­жения, так и в сторону повышения вреден. Определение реаль­ной биологической активности, характерной для данной почвы, крайне необходимо, так как оно позволило бы устанавливать повреждения в функционировании комплекса почвенных мик­роорганизмов. Оптимумы полевой активности в естественных условиях меняются по сезонам, поэтому определение среднего оптимума реальной активности затруднительно. Среднюю потен­циальную биологическую активность почв по тому или другому показателю определить легче, так как эта величина более ста­бильная.

В общем случае колебания численности, биомассы микробных клеток, биологической активности, более или менее плавные отклонения от определенного минимума, который можно рас­сматривать как пул, характерный для данной почвы (например, количество микроорганизмов, которое почва может поддержи­вать в наиболее неблагоприятные для их развития периоды). Ве­личина пула не зависит от случайных колебаний температуры, влажности, поступления растительных остатков, а обусловлена типом почвы с присущими ему физическими и химическими свой­ствами, формирующимися в процессе почвообразования, а так­же факторами, которые приводят к изменению свойств почвы за относительно небольшие промежутки времени и обусловлены, как правило, антропогенными воздействиями (загрязнения, аг­ротехнические и агрохимические мероприятия). Верхние пределы численности микроорганизмов в значительной мере обусловле­ны непрогнозируемыми экологическими факторами — количест­вом осадков, изменением температуры почвы, поступлением органического вещества. Они могут совпадать для разных типов почв. Таким образом, при определении среднего значения для данного фактора в заданной почве они в большей мере отражают экологические условия периода наблюдений, чем свойства, при­сущие данному почвенному типу. Для определения минималь­ного пула надо экспериментально установить наименьшее зна­чение показателей.

Особо рассматривают агроценозы, в которых интенсифици­руются процессы для получения большого количества чистой продукции. В этом случае повышение природной биологической активности — явление необходимое и положительное, но в определенных пределах. Повышение скорости разложения ра­стительных остатков и органических удобрений — явление по­ложительное, а повышение интенсивности нитрификации и де­нитрификации при внесении азотных удобрений — вредное. Стратегия развития экосистем, идущих к климаксным сообщест­вам, и стратегия сельского хозяйства различны. Если развитие экосистемы ведет к снижению чистой продукции, то сельское хозяйство стремится к получению максимального урожая. В свя­зи с этим перестройка интенсивности микробиологических про­цессов, протекающих в почвах, занятых сельскохозяйственными угодьями, — явление вполне закономерное.

По потенциальной биологической активности любой комплекс почвенных микроорганизмов, находящихся в той или иной почве, надо рассматривать как климаксный (самый высокий в биосфере генофонд, потенциально узкая специализация по экологическим нишам, высокая потенциальная способность к поддержанию го­меостаза). Однако реализация этих возможностей будет идти по- разному в зависимости от условий, и микробный комплекс может функционировать и как молодая и как старая экосистема не толь­ко в зависимости от стадии сукцессии высших растений, но и от сезона и конкретных условий почвенной микрозоны.

1 Концепция комплекса почвенных микроорганизмов

Представление о комплексе почвенных микроорганизмов вво­дится вместо понятия «микробоценоз», которое не вполне удачно, так как в почве часть микроорганизмов связана с растениями, а часть— с животными, и нет функционально единой изолиро­ванной системы микроорганизмов (микробоценоза). Рассматри­ваемая концепция отрицает идею о глобальной строгой и жест­кой организованности почвенных микроорганизмов в единую систему. Однако на практике часто как равнозначные употреб­ляются термины микробное сообщество, микробоценоз, микро­биота, почвенные микроорганизмы.

Концепция микробного пула

Гомеостаз в почве поддерживается с помощью механизмов, основанных в первую очередь на микробном пуле. В почвах все­гда имеется избыточный пул (запас) микробов, не обеспеченных органическим веществом и другими элементами питания. Бла­годаря наличию этих лимитирующих факторов непрерывное развитие и размножение микроорганизмов не осуществляют­ся. Первым лимитирующим фактором в развитии почвенных ге­теротрофных микроорганизмов является недостаток органического вещества и отчасти других питательных веществ, особенно фос­фора. Температура и влажность в качестве лимитирующих фак­торов выступают на протяжении определенных отрезков време­ни (зима, летняя засуха), но не влияют на валовую минерализацию органического вещества в климаксных экосистемах. В них, как известно, синтез органического вещества равен его разложению. Запас же органического вещества (живого и мертвого) остается постоянным.

При построении комплекса почвенных микроорганизмов вы­полняется общий закон развития экосистем — сукцессия дви­жется по пути поддержания единицей энергии все большей био­массы организмов. Это правило особенно справедливо для почвенных микроорганизмов. Оно четко проявляется в случае, если потенциальный пул микроорганизмов рассматривается как климаксная система. На протяжении всего развития почвенной микробиологии представления о численности микроорганизмов в почве, т.е. о ее микробном пуле, сильно изменилось, причем определяемая численность все время увеличивалась. Сначала применяли метод посева на питательные среды и, таким образом, учитывали сравнительно немного микроорганизмов. Коли­чество бактерий определялось миллионами клеток на 1 г почвы. Применение прямого микроскопического метода Виноградского позволило учесть в почве в тысячи раз больше бактерий: от сотен миллионов до 1-2 млрд. на 1 г почвы. Использование люмине­сцентной микроскопии в отраженном свете еще увеличило учи­тываемое количество микроорганизмов. По методу Виноградского часть клеток нельзя было учесть из-за адсорбции их на почвен­ных частицах и в агрегатах. Электронная микроскопия позволи­ла выявить в почве ультрамикроскопические формы, и, таким образом, определяемая численность почвенных микроорганиз­мов еще возросла. Количество бактерий в почвах колеблется от 1 до 10 млрд, иногда даже нескольких десятков миллиардов кле­ток на 1 г почвы, суммарная длина грибных гиф (окрашивание калькофлуором, люминесцентная микроскопия) составляет сот­ни метров и километров на 1 г почвы. Кроме того, в почве нахо­дится большое количество гиф актиномицетов (сотни метров на 1 г, окраска акридином оранжевым), а также более крупные мик­роорганизмы: водоросли, простейшие животные, другие беспоз­воночные и др. Вес живой биомассы на I га для бактерий может изменяться от сотен до нескольких тысяч килограммов, а для фибов — от сотен килофаммов до десятков тонн на 1 га.

Масса сухого микробного вещества, единовременно содержа­щегося в почве, составляет для богатых почв 5-10 т/га. Чистая первичная продуктивность растительных сообществ известна и составляет для продуктивных сообществ 20 т/га. По последним определениям, к чистой первичной продукции растений, учтен­ной старыми методами, нужно прибавить 20-50% (корневые вы­деления и корневой отпад, которые почти полностью исполь­зуются микроорганизмами ризопланы и ризосферы). Большинство микроорганизмов в почве представлено гетеротрофами и боль­шая часть энергии тратится на поддержание биомассы микроор­ганизмов. Комплекс почвенных микроорганизмов выполняет свои экологические функции и проводит процессы превращения не только при росте и размножении микроорганизмов, но подобно другим организмам и в процессе поддержания клеток, на что тратится часть органического вещества.

Таким образом, расчеты показывают, что почва в целом на протяжении большей части времени представляет собой среду, слабообеспеченную доступными органическими веществами в расчете на имеющуюся микробную биомассу.

Почвы в экологическом отношении представляют тип место­обитания с рассеянным доступным органическим веществом, с большим и разнообразным пулом только в небольшой части ак­тивных микроорганизмов. При этом проявляются специфические приспособления для переживания длительных периодов, небла­гоприятных для развития (способность усваивать вещества из рассеянного состояния, адсорбироваться на частицах, где проис­ходит накопление питания, переходить в состояние глубокого анабиоза). В последнее время установлено, что большинство ил и даже все прокариоты способны переходить в состояние глубоко­го анабиоза, подобного анабиозу эндоспор бактерий.

С экологической точки зрения необходимо установить функ­ции микробного пула, этого важного приспособления для под­держания гомеостатического состояния в почве. Известно, что каждый тип почвы имеет характерное для него содержание гуму­са, ряда нерастворимых и растворимых органических веществ (полисахаридов, липидов, белков, сахаров, органических кислот и спиртов, аминокислот, витаминов и ферментов), ряда неорга­нических веществ (нитратов, аммония, подвижного фосфора, закисного и окисного железа), определенные окислительно-вос­становительные условия и pH со специфическим распределени­ем их по микрозонам. В поддержании отмеченных факторов боль­шое, а часто и решающее значение имеет жизнедеятельность микроорганизмов. При возникновении сдвигов в системе, на­пример поступлении свежего органического вещества в виде рас­тительных остатков или внесении азотных удобрений, в процес­сы их трансформации включаются микроорганизмы, которые должны привести систему в состояние равновесия. Большой пул микроорганизмов в почве необходим по следующим причинам. Горизонтальное и вертикальное перемещение микроорганизмов в почве затруднено из-за адгезии микроорганизмов почвенными частицами и сложности их передвижения по мелкопористой сис­теме, каковой является почва. Между тем органическое, как и другие вещества, поступает в определенные микро- и мезозоны почвы случайно. Поэтому, чтобы обеспечить переработку веществ, в каждой мезо- или даже микрозоне должен присутствовать пол­ный набор микроорганизмов, необходимых для переработки всех поступающих в почву веществ. В разное время в данном месте могут возникнуть разные зоны: аэробная или анаэробная, с низ­кими или высокими температурами, с резко изменяющимися значениями pH и т.д. Каждый небольшой участок почвы должен содержать микроорганизмы, не только разлагающие органические вещества (целлюлозу, лигнин, хитин и др.), но и осущест­вляющие другие необходимые процессы: азотфиксацию, аммо­нификацию, гидролиз органофосфатов, трансформацию органиче­ских и минеральных соединений, минералов и т.д.

Небольшие по расстоянию миграции микроорганизмов в поч­ве возможны, и благодаря наличию у микробов хемотаксисов они осуществляются целенаправленно.

Микроорганизмы обладают способностью при благоприятных условиях чрезвычайно быстро размножаться. Пул дает микроор­ганизмам возможность быстрее реагировать на изменившиеся условия и таким образом способствовать более тонкому регули­рованию гомеостаза и быстрейшему его достижению. Размноже­ние начинается не от единичных клеток, а от тысяч и сотен ты­сяч, что способствует убыстрению процесса. Первоначальное содержание микроорганизмов важно для быстрого достижения достаточного уровня клеток, необходимого для ликвидации про­исшедшего в системе сдвига.

В природных условиях пул микроорганизмов особенно увели­чивается в тех экосистемах, в которых условия для протекания микробиологических процессов оказываются неблагоприятными, например в высокогорных почвах и почвах тундры, где лето очень короткое и гидротермические условия, благоприятные для раз­вития микроорганизмов, существуют в течение короткого периода времени. Микробный пул велик и в черноземах, где развитию микроорганизмов препятствуют то недостаток влаги, то морозы.

Пул почвенных микроорганизмов отличается не только боль­шой численностью, но и разнообразием. По микробному гено­фонду почва — самый богатый субстрат на Земле. Недаром при поисках микроорганизмов-продуцентов определенных ценных веществ (антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот) в большинстве случаев обращаются к почве как наиболее надеж­ному источнику разнообразных микробов.

Другая важная функция пула состоит в том, что он обеспечи­вает выживание каждого вида микроорганизмов. Почва представ­ляется средой весьма гетерогенной, со множеством различных микрозон. Только в части этих микрозон в определенном интер­вале времени создаются условия, благоприятные для размноже­ния и выживания определенного микроорганизма. Для выжива­ния микробов в почве в начале неблагоприятного периода общее число клеток должно быть большим, тогда они будут находиться во многих микрозонах и хотя бы часть их выживет в благоприят­ных микрозонах.

С точки зрения функции, в почве следует различать два пула микроорганизмов: на более высоком уровне — пул, имеющий существенное значение для микробиологических процессов, про­текающих в почве (в этом случае количество клеток бактерий должно быть больше 1 млн на 1 г почвы); и пул, обеспечиваю­щий главным образом выживание разных видов микроорганиз­мов в почве. Во втором пуле численность клеток гораздо мень­ше, но он очень разнообразен в видовом отношении. Этот пул не имеет существенного значения в метаболических процессах на данной стадии сукцессии, но может оказаться необходимым для обеспечения процессов на других стадиях сукцессии или при изменении экологических условий.

Следует отметить, что сама почва как среда обитания построена таким образом, что она чрезвычайно благоприятна для выжива­ния пула микроорганизмов (микрозональность).

Концепция пула метаболитов

В почве все время поддерживается пул легкодоступных орга­нических веществ. Только часть общего количества зачатков мик­роорганизмов находится в состоянии глубокого покоя (эндоспо­ры бактерий, анабиотические формы бактерий (некультивируемые формы), споры актиномицетов и грибов). Почва является идеаль­ной средой для поддержания микроорганизмов. В этом важную роль играет пул внеклеточных метаболитов, который подобно пулу внутриклеточных метаболитов, обеспечивающих функциониро­вание обмена веществ, способствует выживанию микробных кле­ток в неблагоприятных условиях. В почве все время находится некоторое количество сахаров, органических кислот и спиртов, аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований и др. Этот пул не дает погибнуть микробам в периоды, когда в данную поч­ву или в данную микрозону не поступают свежие органические вещества. В почве имеется механизм для поддержания пула ме­таболитов на определенном уровне. Он основывается на запасе внеклеточных иммобилизованных гидролитических ферментов, благодаря работе которых пул простых органических веществ пополняется в результате гидролиза гумуса и других органиче­ских полимеров, имеющихся в почве. Пул гидролитических фер­ментов обеспечивает пул простых органических веществ, а пос­ледний дает возможность существовать в почве колоссальному пулу микроорганизмов. При оптимальных для протекания фер­ментативного процесса условиях он может переработать за сутки или несколько суток такое количество веществ, которое посту­пает в почву в естественных условиях за год. Об этом свидетельст­вуют результаты опытов по определению ферментативной актив­ности почв с помощью обычно применяемых методов и подсчеты величин возможного поступления тех или иных веществ в почву за год, например фосфорорганических соединений, белков, ли­пидов и др. В почве очень много ферментов, особенно гидроли­тических, и, казалось бы, в почвах не должен накапливаться суб­страт, т.е. биополимеры и другие соединения, которые могут подвергаться воздействию гидролаз, но это не так. Дело в том, что на протяжении длительных отрезков времени существуют крайне неблагоприятные условия для проявления ферментатив­ной активности (низкие температуры, низкий потенциал влаги). Однако самое главное — это разобщенность в почве фермента и субстрата. Фермент адсорбирован (иммобилизован) в одних мик­розонах, а субстрат— в других. Иногда адсорбированный суб­страт вообще недоступен для фермента, так как закрыт другими органическими полимерами или минеральным гелем — Si0₂, А1₂0₃, Fe(OH)₃.

2 Принцип дублирования

Каждый существенный физиолого-биохимический процесс в почве строится на функционировании нескольких дублирующих друг друга микроорганизмах. Известно, что такой важный про­цесс, как разложение целлюлозы, осуществляется разными в си­стематическом отношении микроорганизмами: грибами, миксо- бактериями, актиномицетами, аэробными и анаэробными бактериями. Причем представители многих перечисленных групп находятся в каждой почве. Если раньше предполагалось, что азот- фиксацию осуществляют только клубеньковые бактерии, азото­бактер и клостридиум, то в настоящее время с помощью ацети­ленового метода показано, что этот процесс проводится многими и весьма различными, правда, только прокариотными, микроор­ганизмами. Этот процесс вызывается аэробными и анаэробными бактериями, автотрофами и гетеротрофами, синезелеными и дру­гими фотосинтезирующими бактериями, архебактериями, термо­филами и др. Не все прокариоты исследованы на эту способ­ность и не у всех удалось ее обнаружить, но, вероятнее всего, это общая способность всех прокариот. Однако интенсивность про­цесса и условия его проведения у разных прокариот различные.

Долгое время процесс нитрификации приписывался исклю­чительно узкой группе хемолитоавтотрофных нитрифицирую­щих бактерий. В настоящее время хорошо изучена так называе­мая гетеротрофная нитрификация, которая в широких масштабах вызывается многими грибами и гетеротрофными бактериями. Гидролиз органофосфатов и перевод труднорастворимых фос­фатов в доступную для организмов форму осуществляются мно­гими группами микроорганизмов. Разнообразнейшие микро­организмы участвуют в окислении железа и марганца и в их восстановлении. Широкий набор организмов принимает участие в разрушении силикатов и алюмосиликатов, в синтезе новых минералов. Прежние представления об узости функций опреде­ленных микроорганизмов в почвенной микробиологии явно пре­увеличены. Для удобства изучения микроорганизмы были раз­биты на физиологические группы, например азотфиксаторы, денитрификаторы, нитрификаторы, аммонификаторы, целлюло- золитические, сахаролитические, пектинолитические, протеоли- тические и др. Исследователь, изучив какой-либо процесс, осу­ществляемый микроорганизмом и часто являющийся для его жизнедеятельности только одним из многих возможных процес­сов, называл даже микроорганизм по тому процессу, который был обнаружен. Например, азотфиксаторы, железобактерии, во­дородные бактерии и др.

Все это имеет закономерные исторические причины, но в даль­нейшем вольно или невольно происходила абсолютизация пред­ставлений и складывалось мнение, что Azotobacter— основной азот- фиксатор в почвах, Ps. denitrificans — основной денитрификатор и Metallogenium — основной рудообразователь. Однако по мере изу­чения новых микроорганизмов стало ясно, что каждая из пере­численных функций широко распространена среди почвенных микроорганизмов. В последнее время выяснилось, что нет отдель­ных физиологических групп бактерий азотфиксаторов и денитри- фикаторов. Один и тот же микроорганизм проводит тот или иной процесс в зависимости от конкретных условий окружающей сре­ды. При наличии органического вещества и недостатке связанно­го азота в среде происходит азотфиксация. Если же имеется орга­ническое вещество при избытке нитратов и недостатке кислорода — идет денитрификация. Отметим, что чрезвычайно важно было бы установить, насколько отличаются окислительно-восстановитель­ные условия (концентрация кислорода) для протекания этих двух процессов. Если тот же микроорганизм азотфиксатор-денитрифи- катор в процессе своего роста использует белки или аминокисло­ ты, то он становится аммонификатором. Обычно он может прово­дить и гетеротрофную нитрификацию. Таким образом, генетиче­ские возможности микробов оказываются весьма обширными и, скорее, нужно говорить о физиологических процессах, проводи­мых микроорганизмами, а не о физиологических группах микро­бов. Многие микробиологи-экологи считают, что имеются специ­фические группы микроорганизмов, использующие определенные органические вещества. Особенно это касается грибов. Существует мнение о наличии специфических групп сахаролитических, пек- тинолитических, целлюлозолитических, хитинолитических, лиг- нинолитических грибов. Однако такое деление во многом услов­но. В отношении сахаролитических грибов нужно заметить, что вообще нет микроорганизмов, которые не обладали бы гидрола- зами. Поэтому наряду с использованием сахаров и других моно­мерных органических соединений сахаролитические грибы мо­гут использовать и некоторые полимеры, особенно крахмал, белки и др. Кроме того, гидролазы всегда содержатся в почве, и микроор­ганизмы могут использовать для своей жизнедеятельности «чужие» гидролазы. Даже микроорганизм, который обладает специфиче­скими гидролазами типа целлюлаз, вполне может использовать ряд мономеров.

Конечно, из сказанного нельзя делать вывод об отсутствии физиологических различий между микроорганизмами, однако, на данном этапе развития экологии микроорганизмов особенно нуж­но подчеркнуть полифункциональность каждого вида микроор­ганизма. Принцип дублирования в проведении определенных физиолого-биохимических процессов широко распространен. Чем больше дублеров, тем быстрее идет процесс (разложение саха­ров, спиртов, органических кислот), чем меньше дублеров, тем медленнее протекает процесс (разложение фенола, анилина, наф­талина, ряда пестицидов и др.).

Принцип дублирования широко действует в почвах и, очевид­но, дает возможность более точно и тонко поддерживать гомео­стаз даже в изменяющихся физико-химических условиях.

Принцип дублирования касается того или иного важного про­цесса (азотфиксации, нитрификации, разложения целлюлозы, фосфорорганических соединений), а также синтеза веществ (раз­личных групп гидролитических ферментов, меланинов, прини­мающих важное участие в гумусообразовании, витаминов и др.). Аналогичные процессы проводятся в аэробных и анаэробных ус­ловиях, при низких и высоких температурах разными системати­ческими группами микроорганизмов.

Принцип дублирования может быть в некоторой степени рас­пространен и среди близких таксономических групп микроор­ганизмов. Например, можно утверждать, что в каждой почве встречаются и одновременно функционируют виды микроорга- низмов-дублеров. Таким образом, для почвы, взятой в-целом, как бы не соблюдается правило Гаузе о том, что два вида не могут занимать одну и ту же нишу в экосистеме. Правило Гаузе в совокупной массе почвы и не должно действовать, так как почва представляет собой множество экологических ниш, разделен­ных в пространстве и времени. В разных частях почвы как чрез­вычайно структурированного биотопа микробные ассоциации функционируют относительно изолированно. Почва для мик­робов— это не единая среда обитания, а множество различных микросред.

Принцип дублирования тесно связан с принципом пула мик­роорганизмов.

3 Принцип обратимости микробиологических процессов

Любой процесс превращения вещества микроорганизмы ве­дут в двух взаимно противоположных направлениях. Обычно микроорганизмы разлагают органические вещества с выделени­ем С0₂. Однако в процессе автотрофной и гетеротрофной фик­саций они связывают С0₂ в органические вещества. Микроорга­низмы разрушают белки, целлюлозу, хитин, но они и образуют все эти соединения. Микробы совершают противоположные про­цессы — азотфиксацию и денитрификацию. Они осуществляют восстановление и окисление соединений азота, а также окисле­ние и восстановление всех элементов с переменной валентно­стью (железа, серы, марганца, сурьмы). Иногда противополож­ные процессы совершает один и тот же микроорганизм, иногда — разные. Следует особо подчеркнуть, что в этом удивительном свойстве микроорганизмов заложена основа их тонкой способ­ности к поддержанию гомеостаза в экосистемах, и в частности в почве. Равновесие устанавливается не по принципу простого хи­мического равновесия, а более сложным образом.

4 Принцип множественного лимитирования

В почве, взятой в совокупной массе, благодаря ее микрозо- нальному строению наблюдается множественное лимитирование, т.е. лимитирование по нескольким или множеству факторов. В почве почти всегда имеются микрозоны с недостатком органи­ческого вещества, азота, фосфора, калия, кальция, микроэлемен­тов и др. Поэтому наблюдается такое явление, при котором вне­сение в почву любого из этих органических веществ и насыщение им всех микрозон приводят к развитию в ней дополнительного количества микроорганизмов. Возможно наличие двойного или даже множественного лимитирования и в некотором числе от­дельных микрозон. Последний вопрос в настоящее время иссле­дуется в экспериментах по проточному культивированию микро­организмов, но для почвы он пока не ясен.

5 Концепция ненасыщенности комплекса почвенных микроорганизмов

Правило Бейеринка в отношении микроорганизмов гласит: «Все есть везде» и «Среда отбирает». Очевидно, это правило нельзя понимать в буквальном смысле. Работы некоторых авторов и осо­бенно российских ученых показали, что для разных почв харак­терны разные ассоциации (комплексы доминирующих почвенных микроорганизмов). Во многих почвах определенные микроорга­низмы не обнаруживаются. Это относится к азотобактеру, клу­беньковым бактериям, актиномицетам и грибам. Существующие микробиологические методы дают возможность обнаруживать тот или иной микроорганизм в почве только при довольно высоком уровне его содержания. Иногда это миллионы, в лучшем случае тысячи клеток на 1 г почвы. Кроме того, во многих случаях клет­ки могут не обнаруживаться даже при их большом содержании, что обусловлено следующими причинами: отсутствием достаточ­но элективной среды, незнанием оптимальных условий для вы­деления, нахождением клеток в состоянии стресса, адгезией кле­ток почвенными частицами, существованием данного вида в почве в измененной форме, наличием у клеток глубокого покоя и ката- болитной репрессией, из которых их не удается вывести, помеха­ми при выделении со стороны сопутствующих микроорганизмов, мешающим действием твердых почвенных частиц при посеве из малых разведений и т.д. Таким образом, пока нельзя достоверно утверждать, что определенный микроорганизм в данной почве абсолютно отсутствует. Тем более, что для почвы характерна чрез­вычайная мезо- и микрозональность, и микроорганизм может не обнаруживаться в одних образцах, отобранных для анализа, но он может присутствовать в значительных количествах в других образцах или в другие сроки. К сказанному следует прибавить трудности, возникающие из-за резких сезонных, а также сукцес- сионных колебаний численности видов. Неопределенность са­мого понятия вида у бактерий также затрудняет получение точ­ного ответа на вопрос о наличии или отсутствии микроорганизма в данной почве. Таким образом, проверка правила Бейеринка в абсолютном его понимании в настоящее время представляется весьма затруднительной или даже невозможной. Положение о том, что многие виды, если и присутствуют, то в очень малом числе и не встречаются в количествах, превышающих сотни кле­ток на 1 г, не вызывает сомнения. Если определенные микроор­ганизмы и отсутствуют в почве, то они должны время от времени привноситься в нее благодаря широко распространенной воздуш­ной дисперсии почвенных микроорганизмов. Достаточно вспом­нить пыльные бури, во время которых переносятся тысячи тонн почвы, чтобы представить масштабы перемещения почвенных микроорганизмов. Насколько установлено, подавляющее большин­ство их при перенесении по воздуху с почвенными частицами, а часто и внутри почвенных агрегатов сохраняет свою жизнеспо­собность. Таким образом, каждая почва на Земле на протяжении определенного отрезка времени, длительность которого, к сожа­лению, неизвестна (годы, десятки, сотни, тысячи лет), получает все или почти все микроорганизмы.

Конкретные условия среды определяют, будут ли эти привне­сенные микроорганизмы входить в пул доминирующих, или в пул переживающих микроорганизмов, или вообще будут вымирать.

Очень длительное время господствовало мнение, что посто­ронний аллохтонный микроорганизм, попадающий в почву, как правило, быстро погибает. Однако исследования, проведенные в последнее время, показали, что внесенный микроорганизм, ко­торого не было в почве (или он присутствовал в неопределяемо малом количестве), после внесения обычно стабилизируется на значимом уровне и долго сохраняется в почве. При внесении в почву различных видов микроорганизмов случаи гибели вида отмечаются довольно редко, причем в первую очередь проявля­ется неблагоприятное действие сильной кислотности, щелочно­сти или засоленности. В то же время внесенный микроорганизм никогда не занимает господствующего положения среди других микроорганизмов.

Это свойство описывается как «ненасыщенность комплекса почвенных микроорганизмов». В этот комплекс на довольно вы­сокой популяционной плотности могут входить новые члены, причем они находятся не в состоянии покоя, а в динамическом равновесии, т.е. некоторое количество клеток постоянно отми­рает и такое же количество появляется вновь. Количественно определить размеры отмирания и образования новых клеток в популяции весьма сложно, но решение этой проблемы позволи­ло бы сделать популяционные подходы еще более ценными. Пока о размножении клеток можно судить с использованием относи­тельных методов, определяя количество живых и мертвых клеток по дифференцированному окрашиванию (диацетат флуоресцеи- на, акридин оранжевый и др.). В последнее время разработан метод по разделению живых и мертвых клеток после суточной инкубации почвенной суспензии. Большинство живых клеток делится и образует микроколонии, а мертвые клетки остаются одиночными. Другим методом являются периодические посевы из почвы на агаризованные питательные среды на протяжении нескольких дней или недель.

Способность популяции длительно сохраняться можно исполь­зовать для практических целей. Микроорганизмы могут сохра­ниться, а затем проявить свою активность в специфической эко­логической нише, например, внутри растения (клубеньковые бактерии, микоризные грибы, фитопатогены и др.). Длительное сохранение ставит под сомнение целесообразность внесения в почву каких-либо «полезных» микроорганизмов, которые, как предполагается, должны проявлять активную деятельность в почве (свободноживущие азотфиксаторы, микроорганизмы, разруша­ющие нефтяные загрязнения). Если бы определенный микроор­ганизм мог достигнуть в почве доминирующего положения, он достиг бы его и без внесения. Особый случай представляет вне­сение микроорганизмов одновременно или после изменения об­щей экологической обстановки. После изменения параметров экосистемы внесение микроорганизма может ускорить его появ­ление, однако, как правило, комплекс почвенных микроорганиз­мов многообразен, и в нем находятся микроорганизмы, которые с наибольшим эффектом занимают новые экологические ниши. В то же время внесение одного какого-либо «полезного» микро­организма ничего не может дать, так как его ниша заведомо бу­дет очень ограничена, и он войдет как малая доля в число сотен видов. Если даже предположить, что он займет господствующее положение, что, видимо, происходит очень редко, если вообще происходит, то это означает гибель экосистемы, т.е. явление, которое в гидробиологии называют «цветением». При господстве одного микроорганизма комплекс почвенных микроорганизмов, конечно, не может выполнять все многообразие функций, которые он берет на себя в естественных биогеоценозах. Внесение мик­роорганизмов на корни растений через семена будет рассмотре­но ниже.

6 Концепция почвы как множества сред обитания микроорганизмов

С микробиологических позиций почва представляет собой крайне гетерогенную среду и не может рассматриваться как еди­ная однородная среда обитания. Благодаря своей структуриро­ванности и микрозональности она должна рассматриваться, как набор различных микро- и мезосред, в каждой из которых созда­ются различные и часто прямо противоположные условия для развития отдельных групп микроорганизмов. Множество таких микросред может находиться в каждом грамме почвы. Микро- и мезозоны разделены в пространстве и времени. Микроорганиз­мы — это как раз такие организмы, которые адаптированы к развитию в микрозонах. Микроскопические размеры дают им возможность осваивать микросреду. Способность быстро размно­жаться и быстро переходить к покою или крайне замедленному метаболизму дает им возможность за короткий срок освоить мик­розону и выжить при исчерпании запасов питания. Микрозоны могут быть очень небольшими и занимать всего несколько десят­ков или сотен кубических микрометров. При этом в микрозоне часто развивается одна микроколония, состоящая из нескольких десятков клеток одного вида. Иногда такие зоны имеют значи­тельные размеры, например кусок разлагающихся растительных остатков. Они могут иметь большую протяженность при неболь­шой толщине, например, поверхность однородного участка кор­ня (ризоплана).

Микрозональность основывается на локальном поступлении органических остатков и корневых выделений, а также на мик­розональности распределения физико-химических условий (окис­лительно-восстановительного потенциала, pH, концентрации элементов питания и т.д.), минералогических факторов.

Несмотря на огромное количество микроорганизмов, содер­жащихся в почве (миллиарды на 1 г), оказывается, что клетки, как правило, собраны в микроколонии, разделенные пустыми пространствами, которые по площади в сотни и тысячи раз пре­восходят пространства, занятые микроорганизмами. Таким об­разом, микроколонии, состоящие из клеток одного или несколь­ких видов, могут развиваться сравнительно изолированно. Отсюда следует важный вывод о том, что в почве часто развиваются чи­стые микрокультуры микроорганизмов. Это положение было под­тверждено экспериментально при изучении разных почв с помо­щью люминесцентной микроскопии. Пространства, разделяющие микроколонии, настолько велики по сравнению с размерами са­мих колоний, что трудно ожидать их тесного взаимовлияния. Следовательно, изучение чистых культур имеет более прямое от­ношение к почвенной микробиологии, чем считалось ранее. Ос­новной вопрос, который в настоящее время нуждается в разре­шении: насколько развитие в микрокультуре (микроколония) соответствует развитию в макрокультуре на чашках Петри (мак­роколония). Если такое соответствие можно признать достаточ­но полным, то данные, полученные в лабораторных условиях на чистых культурах, можно переносить на почвенные условия. Если развитие в тонких пленках воды, в капиллярах, а также просто в микрокультурах отличается (например, есть сведения, что мик­рокультуры клостридиума не образуют ботулина), то необходимо разрабатывать методы для изучения микрокультур. Метод чис­тых культур дает возможность изучать только генетические воз­можности культуры, а конкретное проявление будет зависеть от экологических условий.

В связи с концепцией микрозональности становятся понят­ными многие аспекты строения и функционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Один из важных вопросов состоит в связи микрозональности с широким географическим распро­странением каждого вида микроорганизма. Дисперсия микроор­ганизмов, особенно воздушная, обеспечивает попадание всех почвенных микроорганизмов во все почвы. Если учесть, что сре­да обитания микроорганизмов является микросредой, которая может быть прерывистой во времени, то понятно, что все или почти все почвенные микроорганизмы могут выживать в некото­рых микрозонах любых почв («все есть всюду» — правило Бейе- ринка). Однако в глобальных процессах круговорота веществ су­щественное экологическое значение будут иметь не все почвенные микроорганизмы, а только те, которые многочисленны и прояв­ляют активную жизнедеятельность (пул высокого уровня). При проведении экологических исследований в большинстве случаев нет необходимости устанавливать все существующее в почве раз­нообразие микроорганизмов, а достаточно ограничиться установ­лением доминирующих в важных экологических процессах форм. Таким образом, критерии доминирования приобретают первосте­пенное значение для почвенной микробиологии, причем имеется в виду не только и не столько численное доминирование, а до­минирование в проведении процессов. В одних случаях это мо­гут быть такие глобальные процессы, как разложение целлюлозы или азотфиксация, а в других — синтез определенного витамина или определенной аминокислоты. К сожалению, в настоящее время в большинстве случаев почвоведы-микробиологи могут учитывать только численность определенных видов или даже ро­дов микроорганизмов в почве, да и то с большим трудом и боль­шими погрешностями. Интенсивность процессов, вызываемых определенным видом, почти не поддается определению. Комби­нация методов иммунолюминесценции и авторадиографии позво­ляет не только видеть клетки определенного штамма микроорга­низма в нестерильной почве, но и оценить активность каждой обнаруженной при микроскопии клетки. Но такие методы слож­ны и трудоемки. В связи с этим часто приходится довольствовать­ся условными критериями численности. Для бактерий может бьггь принят условный критерий, который гласит, что существенное экологическое значение бактерии имеют в том случае, если число их клеток не менее 1 млн на 1 мл или 1 г субстрата.

Поиски более редких бактерий могут иметь значение для ин­дикации почв и других целей, но мало дают для оценки процес­сов, происходящих на данном этапе развития экосистемы. Для грибов, дрожжей, водорослей и других необходимо разрабаты­вать свои критерии экологической значимости, учитывая коли­чество микроорганизмов, их размеры и интенсивность метабо­лизма. Поскольку эти организмы по массе приблизительно в 100 раз крупнее, чем бактерии, то для них может быть принят критерий 10 тыс. на 1г.

Физиологически активные вещества в почве (антибиотики, токсины, витамины, аминокислоты, стимуляторы и ингибиторы роста растений) важны для развития микроорганизмов в микро­зонах. В то же время их глобальная регулирующая роль в мас­штабах всей почвы, хотя и признавалась некоторыми авторами, нуждается в дальнейшем экспериментальном подтверждении или опровержении. Первое место в качестве таких регуляторов, оче­видно, могут занимать газообразные вещества, так как они наи­более быстро диффундируют и могут передавать информацию, являясь «средовыми гормонами». Действие физиологически ак­тивных веществ, в том числе газов или летучих органических ве­ществ, в качестве «средовых гормонов» легко обнаружить в ис­кусственных условиях, когда в почву вносятся большие количества органического вещества, и она перестает функционировать как система микросред и действует как единая система, т.е. перехо­дит в другой тип микробных экосистем. Такое состояние воз­можно для больших частей естественной почвы на небольших отрезках времени, но оно не характерно для всей массы почвы. В почве имеются определенные зоны, функционирующие по дру­гим законам. Прежде всего, это зона ризопланы и в какой-то мере ризосферы, пищеварительный тракт беспозвоночных животных, а также подстилка в лесу, степной войлок, разлагающийся торф и др. В этих случаях можно ожидать и искать большую организо­ванность процессов, чем в других частях почвы.

Важным открытием, которое должно использоваться в эколо­гии почвенных микроорганизмов, является кометаболизм. Уста­новлено, что микроорганизмы могут разрушать некоторые труд­нодоступные вещества, в том числе и неприродные органические вещества. Принципы строения и функционирования комплекса почвенных микроорганизмов должны широко использоваться при разработке критериев целостности и повреждения этого комп­лекса в связи с применением удобрений, пестицидов, загрязне­нием почвы, а также при решении вопросов о целесообразности внесения в почву тех или иных «полезных» микроорганизмов или регулирования комплекса почвенных микроорганизмов путем изменения среды обитания.

Слайды, презентации

Контрольные вопросы:

1. Концепция комплекса почвенных микроорганизмов?

2. Концепция микробного пула?

3. Концепция пула метаболитов?

4. Принцип дублирования?

5. Принцип обратимости микробиологических процессов?

6. Принцип множественного лимитирования?

7. Концепция ненасыщенности комплекса почвенных микроорганизмов?

8. Концепция почвы как множества сред обитания микроорганизмов?

Литература:

1. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

2. Мирчинк Т. Г. Почвенная микология. М., 1988.

3. Мишустин Е. Н., Емцев В. Т. Микробиология. М., 1987.

4. Мюллер Э., Лёффлер В. Микология. – М.: Мир, 1995.

5. Зенова Г.М., Степанов А.Л., Лихачева А.А., Манучарова Н.А. Практикум по биологии почв. М.: Изд-во МГУ, 2002. 120 с.

6. Кафедре биологии почв МГУ им. М.В. Ломоносова — 50 лет (1953—2003). М.: Природа, 2003. 116 с.