Общие закономерности вертикальной стратификации микробных сообществ

Цель практического занятия:изучить общие закономерности вертикальной стратификации микробных сообществ и сравнить структурно-функциональной организации микробных сообществ различных природных зон: географический подход

Ключевые слова:Одноклеточные бактерии, мицелиальные бактерии, грибы и дрожжи, динамика микробных комплексов, актиномицеты

Вопросы:

1. Сравнение структурно-функциональной организации микробных сообществ различных природных зон: географический подход

1.2 Одноклеточные бактерии

1.3 Мицелиальные бактерии

1.4 Грибы и дрожжи

2 Динамика микробных комплексов

2.1 Грибы

2.2 Бактерии и актиномицеты

Анализ распределения микроорганизмов по компонентам вер­тикальной структуры биогеоценоза позволил выявить обшие зако­номерности в пространственном размещении и организации мик­робных сообществ: 1) изменение численности и таксономической структуры всех групп микроорганизмов по ярусам биогеоценоза, 2) максимальную концентрацию биоты в лесных подстилках, 3) от­ражение в стратификации подстилок этапов сукцессии, связанной с конвейерной переработкой растительного опада микроорганиз­мами, 4) корреляцию между местоположением микроорганизмов в вертикальной структуре биогеоценоза, их функциями, местом в сук­цессии, типом экологической стратегии. Все эти закономерности подтверждают, что явление вертикальной дифференциации при­родных сообществ распространяется и на микроорганизмы.

Рассмотренные группы биоты составляют основной сапротрофный блок, осуществляющий совместно с почвенными жи­вотными биогенную деструкцию органического вещества в лес­ных биомах. Ферменты, выделяемые микроорганизмами, столь разнообразны, что позволяют осуществлять деструкцию всех слож­ных полимеров, входящих в состав растительных и животных остатков — лигнина, целлюлозы, гемицеллюлозы, хитина, пек­тиновых веществ, крахмала и др.

Центром основной деятельности микроорганизмов по пере­работке растительного опада является лесная подстилка и при­мыкающий к ней верхний гумусированный почвенный горизонт. В этих биогеоценотических горизонтах сосредоточены все груп­пы микроорганизмов, которые тесно связаны в единые детритные пищевые цепи. Причем стратификация этих горизонтов яв­ляется отражением конвейерной переработки растительного опада и соответствует определенным стадиям сукцессии. В верхнем слое подстилки, состоящем из почти ненарушенных листьев, трав, хвои, мхов, происходит использование водорастворимых мономеров, вымываемых из опада либо образующихся в результате расщеп­ления сложных растительных полимеров. Здесь же происходит разложение белков, крахмала, пектиновых веществ.

В ферментационном слое подстилки начинается расщепление одного из главных полимеров, входящих в состав растительных клеток — целлюлозы. Оно осуществляется прежде всего гриба- мицеллюлолитиками. В деструкции целлюлозы участвуют также бактерии, представленные как аэробными, так и анаэробными фор­мами. Все эти организмы являются типичными гидролитиками, способными к синтезу комплекса целлюлазных ферментов. Это L-стратеги, образующие различные покоящиеся формы для вы­живания — споры, конидии, цисты.

В подстилке гидролизуется один из самых труднодоступных полимеров — лигнин. Его деструкцию осуществляют в основном базидиальные грибы, а также некоторые виды стрептомицетов. Промежуточные продукты распада лигнина — различные феноль­ные соединения типа ванилиновой и оксибензойной кислот, си­реневого альдегида и другие используются такими бактериями, как родококки, псевдомонады, азотобактер.

В почвенном горизонте А₁, где сосредоточено множество фи­бов, клеточные стенки которых инкрустированы хитином, скон­центрированы актиномицеты — организмы, образующие внекле­точные хитиназы, способные разрушать клеточные стенки фибов. В этом же горизонте происходит деструкция и гумусовых веществ под воздействием стрептомицетов, микромоноспор, нокардий.

На гифах фибов поселяются типичные олиготрофные бакте­рии — К-стратеги, относящиеся к «микрофлоре рассеяния». Они медленно растут и с трудом культивируются на искусственных питательных средах. В качестве источников питания они извле­кают из рассеянного состояния различные мономеры, освобож­дающиеся в процессе разложения полимеров гидролитиками. В почвенном ярусе (горизонты А и В) обнаруживаются олиготроф­ные бактерии, среди дрожжей — липомицеты.

Итак, при переходе от одного биогеоценотического горизонта к другому наблюдается изменение типа субстрата. Как результат конвейерной переработки растительного опада микроорганизма­ми, эти изменения определяют ход микробной сукцессии.

Таким образом, процесс разложения растительных остатков осу­ществляется в результате сложной, многообразной и многоступен­чатой деятельности комплекса редуцентов, состоящего из фибов, бактерий, почвенных животных, тесно связанных между собой.

1 Сравнение структурно-функциональной организации микробных сообществ различных природных зон: географический подход

Одноклеточные бактерии

Ведущими экологическими факторами, определяющими струк­туру конкретной фуппировки в бактериальных сообществах на­земных экосистем, являются физико-химические особенности ее непосредственного местообитания, которое далее называют «тип субстрата». Влияние типа субстрата на бактериальное разнообра­зие наиболее четко прослеживается при анализе вертикального распределения бактерий в биогеоценозах в ряду: филлоплана ра­стений — подстилка — почвенные горизонты. Такие вертикаль­ные ряды являются пространственно-сукцессионными, так как отражают смену сообществ во времени в процессе разложения растительных остатков, реализованную в пространстве в виде стратифицированных слоев подстилки и почвенных горизонтов. В таксономическом отношении смена бактериальных ярусных доминант соответствует схеме: псевдомонады-бациллы-бактерии актиномицетной линии-олиготрофы. Такой сукцессионный ряд был выявлен в модельных опытах при деструкции растительного опада. В целом, тенденция к смене бактериальных доминант про­слеживается во всех типах зональных почв, однако, в каждой из природно-климатических зон вырисовываются свои детали в структуре бактериальных комплексов разных ярусов, включая почвенный.

Влияние типа субстрата на состав бактериальных сообществ можно также проследить, анализируя соотношение между содержа­нием органического вещества в почве и встречаемостью некоторых бактериальных таксонов. В примитивных почвах, на поверхно­сти которых первоначально поселяются лишь лишайники, пионе­рами среди бактерий являются представители актиномицетной линии — Корине- и нокардиоподобные бактерии. О доминиро­вании этой группы бактерий, объединяемых ранее под названи­ем «микобактерии», в таких примитивных биогеоценозах сооб­щалось еще в работах Н.А. Красильникова и Н.Н. Сушкиной, которыми была показана роль микобактерий в процессах вывет­ривания и первичного почвообразования. Если перейти на со­временный уровень таксономического лексикона, то из этой сбор­ной группы следует вычленить род Arthrobacter как организм, доминирующий в олиготрофных местообитаниях. Это было под­тверждено и при изучении бактериальных комплексов в почвах тундры Западного Таймыра. Бактерии рода Arthrobacter преобла­дали на поверхности голых пятен, в глеевых горизонтах, осадоч­ных породах, т.е. в олиготрофных эконишах. В диаметрально противоположных биотопах по содержанию органического ве­щества — очес мха, торфянистые почвы трещин — доминирова­ли спорообразуюшие бактерии рода Bacillus. Встречаемость арт- робактера и бацилл в зависимости от типа субстрата была прослежена при исследовании бактериальных сообществ в поч­вах сухих субтропиков. Было показано, что артробактер — ти­пичный обитатель примитивных каменистых почв и почв пус­тынь, его доля составляла 55-80% от общего числа бактерий сапротрофного блока. При переходе к более гумусированным серо­коричневым и коричневым почвам содержание артробактера па­дало, а доля бацилл значительно увеличивалась. Из других форм коринеподобных бактерий в почвах сухих субтропиков были об­наружены бактерии родов Rhodococcus и Micrococcus. Однако их процентное содержание составляло не более 2-10%. В почвах тундр артробактер был единственным представителем группы корине­подобных бактерий.

Другая пара родов, контрастных по местообитанию и физио­логии, — Arthrobacter и Pseudomonas. Если обратиться к тундро­вым почвам, то для псевдомонад в качестве благоприятных мес­тообитаний называются влажные почвы со слаборазложившимся опадом — осоково-моховые и ерниково-моховые тундры, а для артробактера — щебнистые, лишайниковые и куртинные тундры с почвами, лишенными моховой дернины. Доминирование арт­робактера в почвах или горизонтах, характеризующихся низким содержанием органического вещества, объясняется его способ­ностью не только выживать в условиях голодания, но и функционировать за счет экономного энергетического обмена. Наблюда­ется корреляция между местообитанием коринеподобных бакте­рий и их жизненной стратегией.

Влажность также определяет качественное разнообразие бак­териальных комплексов почв. Наиболее наглядно это демонст­рируется при сравнении бактериальных сообществ в почвах, рас­положенных в контрастных по влажности биомах: болотах и пустынях. В почвах с постоянным переувлажнением — торфяни­ках — и сопряженных с ними почвах окраин болот доминируют грамотрицательные формы бактерий, выделенные недавно в само­стоятельный класс Proteobacteriae. Это подвижные, палочковидные либо спиральные и вибриоидные формы бактерий, апигментные, с простым жизненным циклом. Большинство протеобактерий, оби­тающих в торфяниках, представлены спириллами либо факультативно-анаэробными формами, относящимися к пяти родам из семейств Enterobacteriaceae и Vibrionaceae, т.е. типичными гидробионтами. В почвах пустынь и опаде пустынных растений до­минируют бактерии актиномицетной линии — континентальная ветвь прокариот. Это бактерии со сложным жизненным циклом, характеризующиеся мицелиальной стадией хотя бы на одной из стадий развития либо тенденцией к мицелиальному росту, как приспособление к обитанию в твердофазном субстрате. Все они устойчивы к высушиванию и повышенной инсоляции, чему спо­собствует образование ими конидий и каротиноидных и меланоидных пигментов. У большинства представителей родов актинобактерий колонии окрашены в желтые, оранжевые, красные или черные цвета. Бактерии актиномицетной линии — монолитная группа бактерий с высоким содержанием ГЦ в ДНК — 60-75%. Считается, что генофоры, содержащие ДНК ГЦ-типа, более ус­тойчивы к УФ-облучению.

Все перечисленные признаки бактерий можно рассматривать в качестве адаптивных к окружающим условиям среды. Неда­ром в спектрах потенциальных доминант болотных и пустын­ных экосистем почти нет общих групп. Представляет­ся, что бактериальные комплексы этих контрастных экосистем можно рассматривать как сообщества, отражающие ступени эво­люции микробного мира при переходе от водного образа жизни к наземному. Следует напомнить, что самые древние из амфи- биальных ландшафтов — это прибрежные цианобактериальные маты докембрия, в которых в качестве постоянных симбионтов были обнаружены протеобактерии, т.е. те группы, которые и сейчас доминируют в современных амфибиальных экосистемах.

Пустыни являются примером ландшафтов, где адаптация организмов к условиям суши выражена наиболее резко. Актиномицеты и родственные им бактерии служат примером приспособления к наземному существованию на прокариотном уровне.

Влажность определяет и сез0нные изменения в таксономическом составе бактериальных
комплексов почв, расположенных в пределах одной природно-климатической зоны. Изучение динамики структуры бактериальных сообществ в почвах Центрального лесного биосферного государственного заповедника и в почвах Окского биосферного заповедника показало, что в периоды длительного переувлажнения почв (затяжные дожди) преобладают типичные представители водной фазы почв, т.е. гидробионты. Они представлены большей частью спириллами, миксобактериями и другими формами подвижных грамотрицательных бактерий. И наоборот, при иссушении почв доминантами становились бациллы и бактерии актиномицетной линии. Таким образом, в одном и том же типе почв в зависимости от степени насыщенности почв влагой таксономический состав бактериальных комплексов будет разным. Поэтому сравнивать разные почвы по составу бактериальных сообществ и делать выводы о различиях в их бактериальном разнообразии следует с большой осторожностью и только на основании сезонных наблюдений с обязательным отбором образцов во влажные и сухие периоды года.

Кислотность почв — селективный фактор, который ограни­чивает либо способствует распространению бактерий определен­ных таксономических групп. Азотобактер обнаруживается толь­ко в нейтральных либо слабощелочных почвах, его нет ни в почвах тундр, ни в болотных, ни в подзолистых почвах. Максимальная концентрация бактерий этого рода зарегистрирована в богатых, с нейтральной реакцией среды почвах (черноземах и каштано­вых). Артробактер также чувствителен к низким значениям pH среды и не обнаруживается в подзолистых почвах и торфяниках. В то же время спириллы и факультативно-анаэробные бактерии с успехом развиваются и часто доминируют в кислых почвах таеж­ной зоны.

Многие формы бактерий чувствительны к повышенной кон­центрации солей в почве. В солончаках, где концентрация солей достигает наивысших значений, бактериальные комплексы харак­теризуются небольшим разнообразием. Галотолерантными явля­ются лишь бациллы, микрококки и некоторые стрептомицеты. Из этих биотопов выделяются и экстремальные галофилы — архебак­терии, требующие для роста 20-25% соли в среде. Это представи­тели родов Halobacterium, Haloferax, Haloarcula, Halococcus и др.

Таким образом, бактериальное разнообразие разных типов почв определяется многими экологическими факторами: содержани­ем органического вещества, влажностью, кислотностью среды, концентрацией солей. От сочетания этих факторов, определяю­щих тип почвообразования, зависит соотношение таксонов в бак­териальных комплексах почв. Температура определяет лишь ин­тенсивность и скорость биологических процессов. Известно также, что в южных почвах, по сравнению с северными, максимальные температуры роста многих групп бактерий выше.

Характеристика бактериального разнообразия почв на видо­вом уровне осложняется прежде всего трудностями, существую­щими в видовой идентификации бактерий. Дифференциация видов на основании физиолого-биохимических признаков по таблицам, приводимым в определителях Берджи (1997), представ­ляется весьма условной, так как многие виды по этим признакам практически невозможно разделить. Сложные генетические ме­тоды, которые представляются наиболее надежными при уста­новлении видового диагноза бактерий, невозможно использовать в экологических исследованиях в связи с их трудоемкостью, не­обходимостью привлечения к работе специалистов-генетиков и др. Видовая дифференциация несколько упрощается лишь в тех группах бактерий, где первоначальное деление на группы видов возможно на основании сочетании простых признаков, таких
как цвет колоний и некоторые микроморфологические особенности цикла развития (коринеподобные бактерии). Например, удалось охарактеризовать на видовом уровне сообщество коринеподобных бактерий чернозема типичного. Максимальное разнообразие бактерий этой группы обнаруживается в подстилке, где происходит
интенсивное накопление и разложение растительного материала. К этому ярусу биогеоценоза приурочены представители четырех родов коринеподобных бактерий, окрашенные в желто-оранжево-красные тона. Обращает на себя внимание значительная доля среди коринеподобных бактерий представителей рода Mycobacterium. О широком распространении микобактерий, представленных видами M.fortuturn, М.smegmatis, М.phlei в степных почвах Украины, известно от разных исследователей. В нижележащем дерновом горизонте микобактерии практически не обнаруживались, здесь наиболее часто встречались артробактерии, представленные тремя видами, родококки и представители родов Cellulomonas u Promicromonospora. В почвенных горизонтах доминировали бактерии рода Arthrobacter. Следует отметить, что в подстилке и дерновом горизонте преоб­ладали виды с яркой окраской колоний, в то время как в почвен­ных горизонтах — апигментные виды артробактера. Таким обра­зом, разные виды приурочены к разным ярусам биогеоценоза.

По таксономическому составу бактериальных сообществ можно составить представление об их экологических функциях. Напри­мер, доминирование протеобактерий в торфяниках и почвах, испытывающих временное избыточное увлажнение, свидетель­ствует о замедленной скорости минерализации растительных ос­татков, так как среди протеобактерий практически отсутствуют гидролитики (кроме скользящих бактерий). Преобладание в пус­тынных почвах бактерий актиномицетной линии, большинство из которых обладает гидролитической активностью, коррелирует с быстрыми темпами деструкции растительного опада в пустын­ных экосистемах. В качестве примера корреляции между таксоно­мическим составом бактерий, их местообитанием и функциями могут быть приведены следующие: доминирование представи­телей родов Cytophaga, Cellulomonas и порядка Myxobacterales в подстилке свидетельствует об участии бактерий этих таксонов в разрушении целлюлозы; обилие родококков в нижних слоях под­стилок связано с их способностью использовать всевозможные ароматические соединения, образующиеся в качестве промежу­точных продуктов в процессе деструкции лигнина; обнаружение бактерий рода Hyphomicrobium в торфяниках позволяет предпо­ложить участие этих бактерий в использовании метанола — про­дукта окисления метана, образующегося в болотах в результате деятельности метаногенных бактерий; доминирование бацилл в нижних слоях лесных подстилок и верхних почвенных горизон­тах связано с их способностью разрушать крахмал, пектин, лизировать клеточные стенки грибов и дрожжей, т.е. реутилизировать микробную биомассу.

Таким образом, изучение бактериального разнообразия в поч­вах разных природно-климатических зон дает представление о функциях бактериальных сообществ, их участии в процессах раз­ложения растительного опада и круговорота элементов в биогео­ценозе. Однако разнообразие бактерий столь велико, а функции их столь многогранны, что собрать всю информацию о составе и функциях бактериального мира почв практически невозможно, так как для этого потребовались бы усилия всех бактериологов специалистов по разным таксономическим группам бактерий. В настоящем учебнике изложены материалы, касающиеся эколо­гии бактерий сапротрофного блока, включающего аэробные и факультативно-анаэробные формы (около 50 родов), характерны­ми обитателями растений, подстилок и почв. Все они растут на среде, предложенной авторами для выделения эпифитных и сапротрофных бактерий из почв и растительных субстратов.

Использование синэкологических методов анализа для оценки таксономической структуры этого деструктивного блока бакте­рий позволило выявить четкие различия в бактериальном насе­лении почв и сопряженных субстратов в разных типах экосис­тем, в пределах которых можно обнаружить разнообразные случаи перехода от достаточно простой клеточной дифференцировки к более сложной.