Окислительно-восстановительные условия

Окислительно-восстановительные условия играют решающую роль в развитии микроорганизмов в почве. Каждый микроб имеет оптимальные значения Eh для своего развития или для проведения тех или иных процессов. Причем в каждой почве содержатся различные группы микроорганизмов по отношению к окислительно-восстановительным условиям. Всегда встречаются и соседствуют аэробы и анаэробы. Отмечается такая общая закономерность: с увеличением числа аэробов возрастает и число анаэробов, что обусловлено часто устанавливающимися между ними метабиотическими взаимодействиями, а также тем, что аэробы потребляют кислород и, таким образом, создают благоприятные условия для развития анаэробов. Специфика почвы как среды обитания состоит в том, что в ней аэробные и анаэробные микрозоны соседствуют и часто занимают небольшие объемы. Принято считать, что на поверхности почвенных агрегатов существуют аэробные условия, а внутри — анаэробные. Это возможно только при бурном развитии аэробов на поверхности и поглощении ими кислорода. В действительности же микроорганизмы в почве часто находятся в состоянии анабиоза и тогда кислород диффундирует и в центральную часть агрегата. Известно, что во всех почвах содержатся строгие анаэробы, например сульфатре- дукторы и метаногены, и, значит, анаэробные условия в определенные периоды времени существуют во всех почвах. Анаэробные зоны возникают в результате развития аэробных процессов, а не только из-за агрегированное™ почвы. Поэтому возникновение около корня микроаэрофильных или даже анаэробных условий более вероятно, чем в тех местах почвы, которые не содержат легкодоступного органического вещества. Микробы поверхности корня (ризопланы) осуществляют интенсивные процессы азотфиксации и денитрификации. Можно сделать заключение, что на поверхности корней растений, по крайней мере на некоторых участках, создаются восстановительные условия, необходимые для протекания этих процессов. Однако, если на поверхности корней возникают анаэробные зоны, то непонятно, как корни получают кислород для дыхания. В настоящее время установлено, что снабжение корней кислородом идет главным образом через почву, а не через ткани растений. Единственно возможным условием снабжения корня кислородом представляется микрозональность: одни участки корня интенсивно снабжаются кислородом, а другие находятся в условиях недостатка кислорода, выраженного в разной степени. Одни участки корня покрыты бактериями, а другие — свободны от них.

Господство в подстилке и верхних горизонтах почвы грибов свидетельствует о существовании достаточно аэробных условий в этих почвенных горизонтах. Напомним, что грибы являются аэробными организмами, правда, как показали последние исследования, некоторые из них являются факультативными анаэробами.

Микрозоны с различными окислительно-восстановительными условиями очень подвижны во времени. Анаэробные зоны

существуют сравнительно недолго. Отмечается следующая последовательность процессов в микрозоне, обогащенной органическим веществом. Сначала бурно развивается аэробный процесс и возникает недостаток кислорода. В глубину скопления органического вещества кислород не поступает, если сверху расположена пленка аэробов толщиной в несколько микрометров. В качестве источника кислорода начинают последовательно использоваться нитраты, сульфаты и, наконец, карбонаты, которые превращаются в метан. Затем жизнь замирает в связи с исчерпанием источников энергии для анаэробной жизни, и зона превращается в аэробную.

Известно, что в почвах могут возникать и длительно существовать обширные зоны, в которых господствуют восстановительные условия — глеевые горизонты. Обычно же даже нижние горизонты почвы содержат значительное количество кислорода. Часто насыщены кислородом и фунтовые воды. В естественных условиях в почве обычно одновременно существуют микрозоны со всей гаммой перехода условий от аэробных до строго анаэробных. Это относится даже к толще торфяников.

Температура

Температура почв в разных природных зонах резко различается и колеблется от +30 до -30 °С. Температура почвы отличается от температуры воздуха. Обычно она ниже летом и выше зимой. Температурные колебания в почве по сравнению с воздухом сглажены (суточные и сезонные). Почвы в зонах с холодным и умеренным климатом в течение длительного времени, часто на протяжении почти всего года, находятся при очень низких температурах, во многих почвах температура вообще не поднимается выше 5-10 °С, т.е. все микробиологические процессы должны идти при температурах гораздо ниже тех, которые обычно используются при выращивании почвенных микроорганизмов в лабораторных условиях (20-28 °С). Поэтому для средних широт особое внимание следует уделять изучению специфики развития микроорганизмов при низких температурах, исследованию психрофильных и психротолерантных микроорганизмов.

В почвах теплых и холодных зон, как это ни странно, встречаются все температурные фуппы микроорганизмов: мезофилы, психрофилы и термофилы, которые резко различаются по кардинальным температурным точкам. Исключение составляют только экстремальные термофилы. В почвах всех зон преобладают мезофилы, но всегда встречаются и умеренные термофилы и психрофилы. Среди последних преобладают психротолерантные, т.е. такие, которые могут расти и при 0°С, но
оптимум у них находится при 20-30 °С. Истинные психрофилы характерны для местообитаний с постоянными низкими температурами: пещеры, нижние слои воды в морях и озерах.

Трудно объяснимо наличие во всех почвах, хотя и небольшого, но существенного количества термофилов, причем не удается проследить четкой закономерности падения их количества при про- движении по природным зонам на север. Нижний предел их развития лежит при 25 °С, т.е. при температуре, которая во многих почвах вообще не достигается. Нужно отметить, что в противоположность pH и окислительно-восстановительным условиям в почве вряд ли возможно существование микрозон, резко отличающихся по температуре. Наблюдающееся саморазогревание вплоть до возгорания компостных куч обусловлено выделением тепла интенсивно развивающимися микробами при наличии большой массы органических веществ. Некоторые исследователи полагают, что в ризоплане возможно повышение температуры на 2-3 °С.

Температурные изменения происходят в основном не в пространстве, а во времени (зима, лето). Конечно, в разных почвенных горизонтах единовременно может быть разная температура. Например, зимой верхние горизонты почвы могут быть замерзшими, а нижние могут находиться при положительных температурах.

Однако все это не объясняет причин обнаружения термофилов в почвах. Возникла гипотеза о том, что почва не является местом обитания термофилов и что они являются аллохтонными микроорганизмами, занесенными в почву из других источников (экскременты теплокровных животных, навоз, кучи саморазогревающихся гниюших остатков). Можно предложить и другое объяснение: в специфических почвенных условиях кардинальные температурные точки у микроорганизмов могут смещаться по сравнению с установленными на искусственных питательных средах. Например, показано, что недостаток в среде двухвалентных катионов приводит к понижению температурного минимума у термофилов. Отметим, что в северных почвах (почвы тундры, подзолы, дерново-подзолистые почвы) двухвалентных катионов содержится мало. Возможно влияние и других факторов. С экологической точки зрения возникает и другой вопрос, который требует объяснения. Температурный оптимум большинства почвенных микроорганизмов оказывается значительно выше тех температур, которые господствуют в почвах северных и умеренных зон. Казалось бы, что почва является естественной средой обитания микроорганизмов, и они должны были бы приспособиться к существованию в соответствующих условиях. Оптимум развития в лаборатории обычно устанавливается по температуре, при которой микроорганизм дает наибольшую биомассу за кратчайший промежуток времени, и эта температура не является лучшей для длительного нормального сбалансированного роста. Наиболее благоприятным для микроба можно назвать сбалансированный рост, т.е. когда удельные скорости синтеза различных клеточных компонентов соответствуют общей удельной скорости роста клеток. Как правило, такой рост осуществляется при температурах более низких, чем так называемый температурный оптимум, и идет он гораздо медленнее. Мало изучено, насколько меняются кардинальные точки в зависимости от условий среды. Во всяком случае, экологически оптимальные температуры, безусловно, лежат гораздо ниже так называемых оптимальных температур, когда микроорганизмы за наименьший срок наращивают наибольшую биомассу, причем рост не является сбалансированным, часто накапливается много запасных питательных веществ и излишки определенных метаболитов. Длительное выживание бактериальных клеток связано с успешным протеканием вторичного метаболизма и образованием вторичных метаболитов. С вторичным метаболизмом связано образование спор, цист, кокковидных клеток у артробактера, стебелька у каулобактера и др. Микроорганизмы выживают лучше всего, если вторичный метаболизм протекает при оптимальных условиях. Оптимальные условия для протекания вторичного метаболизма нередко лежат намного ниже оптимума роста, иногда на 5-10 °С.

До последнего времени недостаточно изучались психрофильные и психротолерантные группы почвенных микроорганизмов, так как это требует затраты большого времени. Между тем можно думать, что именно они ведут основные процессы в почвах северных и средних широт. Вероятным представляется, что в ряде почв основная масса органических веществ, синтезируемых растениями, разлагается при температуре 5-0 °С, а часть и при отрицательных температурах. Здесь должны вступать в действие психрофильные и ксерофильные микроорганизмы, которые могут развиваться при низких значениях потенциала почвенной влаги или активности воды.

Местообитания с переменными по сезонам температурами содержат много психротолерантных микроорганизмов. Они часто переходят от покоя к развитию (/--стратеги), отличаются широкой областью температур пригодных для роста. Важным фактором для их выживания является эффективный вторичный метаболизм, который должен осуществляться при низких температурах. Местообитания с постоянными низкими температурами (холодные моря, пещеры) содержат много психрофилов.

Для более полного выделения микроорганизмов из любой почвы необходимо вести культивирование при низких, средних и высоких температурах. Температура является одним из важных факторов создания элективных условий для развития определенных групп микроорганизмов. Почти во всех почвах господствуют мезофилы (даже в тундре и тропиках), хотя встречаются все группы. Исключение составляют только горячие источники (80-120 °С). Температурный фактор используют также для подавления конкурентов и выделения искомых микроорганизмов. Относительно низкие температуры (20 °С) используются для выделения из почвы дрожжей, что дает возможность подавить быстрый рост грибов. При низких температурах грибы растут медленно и не занимают на чашках Петри пространство, необходимое для формирования колоний дрожжей.

При проведении физиологических и биохимических исследований (определение дыхания, азотфиксации, нитрификации, образования токсинов и антибиотиков) нужно помнить, что изменение температуры даже на один градус приводит к существенным изменениям скорости процессов и вообще метаболизма. Важным условием нормального метаболизма является сохранение определенной степени вязкости цитоплазматической мембраны, осуществляющей транспорт всех веществ в клетку. При изменении температуры вязкость должна была бы меняться. Чтобы этого не происходило, клетка изменяет состав жирных кислот в фосфолипидах цитоплазматической мембраны. Более жидкими являются ненасыщенные жирные кислоты, более твердыми — насыщенные.

Разные температурные группы микроорганизмов отличаются рядом черт своего биохимического строения. В частности термофилы содержат специфические термоустойчивые ферменты. Психрофилы не могут расти при повышенных температурах, так как при этом некоторые их ферменты инактивируются.

Рассмотрена проблема роста микроорганизмов в различных диапазонах температур. Особую проблему составляет сохранение жизнеспособности микробов при разных температурах. При низких температурах жизнеспособность сохраняется очень хорошо. Лучшим способом сохранения микроорганизмов считается хранение их в жидком азоте, они хорошо сохраняются и в сухом льду (замороженная С0₂), в почве они хорошо переносят зимние морозы, а также хорошо сохраняются и в вечной мерзлоте.

Микробы могут быть очень устойчивы к воздействию высоких температур, особенно покоящиеся формы (споры, цисты, анабиотические формы). Более устойчивы сухие клетки, чем оводненные. Для того чтобы простерилизовать почву, применяют автоклавирование, обработку сухим жаром, у-лучами или антисептиками. Отметим, что аборигенные микроорганизмы, находящиеся непосредственно в почве, отличаются особой устойчивостью и полностью простерилизовать почву весьма трудно, часто приходится прибегать к многократной стерилизации с интервалами для прорастания покоящихся клеток и спор.

Можно было бы рассматривать влияние на развитие микроорганизмов еще большого количества факторов, которые воздействуют на микроорганизмы в почве как естественной среде обитания. Это осмотическое давление и концентрация солей, содержание и концентрация питательных элементов (N, Р, К, Fe, Са, Mg, микроэлементы), растворимые и нерастворимые органические вещества для катаболизма и анаболизма, наличие тяжелых металлов и других загрязнителей, присутствие физиологически активных веществ. Это будет сделано в других разделах.

Слайды, презентации

Контрольные вопросы: