Термодинамическая характеристика состояния почвенной влаги (термодинамический потенциал, активность воды)

Условия увлажнения в почве обычно характеризовали ее влаж­ностью, выраженной в процентах от веса. Однако эта величина недостаточно точно определяет степень доступности воды для организмов. Например, при 20%-й влажности глинистой и пес­чаной почв степень доступности воды для организмов различная. В глинистой почве она меньше, так как вода будет связана с огромной поверхностью глинистых частиц, а в песчаной — больше. Возможность объективно оценить состояние воды в поч­ве и ее влияние на жизнедеятельность микроорганизмов дает определение потенциала влаги (активности воды), так как в этом случае состояние воды в почве, растениях, микроорганизмах, ат­мосфере, снегу и во льду характеризуется при помощи единой, физически строго определенной величины — термодинамиче­ского потенциала. Этот показатель характеризует степень свя­занности и термодинамической подвижности воды в системе, причем он не зависит от того, связана ли вода с поверхностью почвенных частиц, ионов солей, макромолекул или кристаллов льда.

В микробиологии наиболее часто используется термин актив­ность воды (a_w), который характеризует степень связанности ее молекул и тем самым степень доступности для микроорганиз­мов. Активность воды соответствует проценту относительной влажности воздуха, о которой ежедневно сообщается в сводках погоды. Только эта величина выражена не в процентах, а в долях единицы. Активность свободной воды равна единице. При взаи­модействии воды с твердыми поверхностями, катионами и анио­нами, молекулами мономеров и полимеров, т.е. любыми гидро­фильными группировками, активность воды становится меньше единицы.

Состояние воды в системе часто определяется потенциалом влаги. Он характеризуется давлением, которое нужно приложить, чтобы при данных условиях началось удаление молекул воды из системы. Иначе можно сказать, что потенциал влаги измеряется количеством работы, которая должна быть затрачена для извле­чения воды.

Потенциал чистой воды равен нулю. По отношению к чистой воде все растворы имеют отрицательные потенциалы, которые выражаются в отрицательных атмосферах или мегапаскалях (МПа) (1 атм = 0,1 МПа).

Сопоставление различных величин, выражающих термодина­мическое состояние воды.

Водный потенциал часто выражается в барах (1 бар= 10⁶дин/см² = = 0,987 атм). Его также можно выразить через активность воды. Относительная влажность воздуха, активность воды и потенциал влаги при 20 °С

Относительная влажность, %	а*	Потенциал влага, атм	Относительная влажность, %		Потенциал влаги, атм
	1,00			0,80	-297
	0,99	-13		0,75	-383
	0,98	-27		0,70	-475
	0,97	-41		0,60	-680
	0,96	-54		0,50	-923
	0,94	-82		0,40	-1221
	0,90	-140		0,20	-2144
	0,85	-214		0,10	-3067

Потенциал воды может быть матричным или осмотическим. Матричное изменение водного потенциала обусловлено адсорб­цией молекул воды на поверхности почвенных частиц. Осмоти­ческое изменение водного потенциала происходит в растворе в результате взаимодействия молекул воды с растворенными ве­ществами.

Различные микроорганизмы имеют разные границы активно­сти воды, в которых возможно их развитие. Наиболее ксерофильными (ксеротолерантными) являются некоторые гри­бы. Они могут развиваться при = 0,60. Во многих работах ут­верждается, что те или иные микроорганизмы могут развиваться при a_w< 0,50, но пока все эти данные недостоверны.

Способность грибов развиваться при низких значениях ак­тивности воды, возможно, связана с их способностью «запирать» свободную воду в определенных участках клеток, ограниченных

липидными мембранами. Этой способностью обладают эукари- отные клетки, а прокариоты ее лишены. Следует отметить, что ряд микроорганизмов не развивается не только при низких ак­тивностях воды, но и при слишком высоких.

По имеющимся сведениям бактерии являются гигрофилами, но исключение составляют по крайней мере галофилы, для разви­тия которых необходима низкая активность воды, и нижний пре­дел их развития находится в области активности воды 0,75-0,85.

Раньше выделяли и рассматривали следующие формы воды в почве: 1) гигроскопическую; 2) пленочную; 3) капиллярную; 4) гра­витационную. В настоящее время показано, что выделение этих форм воды не вполне оправданно, так как границы между раз­ными формами весьма условны. Однако с позиций эколога-мик­робиолога полезно представить себе конкретное пространствен­ное расположение клеток микроорганизмов и определенных форм воды.

Гифоскопическая вода удерживается на поверхности почвен­ных частиц со сравнительно большой силой, которой достаточ­но, чтобы удержать движущиеся с большой энергией молекулы воды, находящиеся в газообразном состоянии. Почва насыщает­ся до максимальной гифоскопичности, когда относительная влаж­ность воздуха равна 98% (а„, = 0,98). Часто ошибочно считают, что насыщение до максимальной гифоскопичности происходит при относительной влажности 100%. Гигроскопическая вода об­разует очень тонкий слой, который, вероятно, составляет сотые доли микрометра, т.е. гораздо тоньше, чем даже самые мелкие почвенные частицы, но и гидрофильные участки клеток микро­организмов. Напомним, что ряд биополимеров спо­собен очень сильно гидратироваться, например многие белки и полисахариды адсорбируют до 30-100% воды от своего веса. Многие микроорганизмы развиваются при содержании воды го­раздо меньшем, чем максимальная гигроскопическая. Их следует рассматривать как развивающиеся «на суше, сухопутные». Не­правильно относить все микроорганизмы к гидробионтам, как это часто делается в экологии, когда утверждают, что микробы развиваются в объеме воды вне зависимости от того, где они находятся — в море или в почве. Можно разделить сухопутный и водный способы развития микроорганизмов в почве в зависимо­сти от того, идет ли их развитие в объеме жидкости или в тонкой пленке. Ксерофилы — это «сухопутные» микроорганизмы, гиг­рофилы — водные. Размножение, морфология и метаболизм мик­роорганизмов, развивающихся при резком дефиците влаги, весь­ма специфичны.

При очень тонких пленках и низкой активности воды можно предположить возможность развития микроорганизмов за счет метаболической воды, которая получается в результате окисле­ния органического вещества внутри клеток: С₆Н_!20₆ + 60₂ = 6С0₂ + + 6Н₂0. Исходя из уравнения можно рассчитать, что на 1 кг ис­пользованного сахара образуется 600 г воды.

При влажности воздуха больше 94% начинает формироваться пленочная вода, причем пленки могут быть значительно толще, чем при увлажнении до максимальной гигроскопической. Они могут быть и тоньше микробных клеток, и толще их — от долей микрометра до десятка или нескольких десятков микрометров. Условия развития микроорганизмов в пленках раз­ной толщины отличаются, что обусловлено скоростью диффузии газов к клеткам, спецификой условий диффузии других веществ и т.д. В почве обычно одновременно имеются пленки различной толщины.

Если две пленки соединяются вместе благодаря наличию двух близко расположенных поверхностей, то образуется капилляр, заполненный так называемой капиллярной водой. В каждой поч­ве капилляры не одинаковы по толщине, длине и конфигура­ции. Они могут быть и тоньше самой мелкой микробной клетки и иметь толщину в десятки и сотни микрометров. Развитие мик­роорганизмов в толстых и тонких капиллярах специфично. Об этом, в частности, говорят опыты по изучению роста некоторых аэробных, анаэробных и факультативно анаэробных микроорга­низмов в стеклянных капиллярах. Чем тоньше капилляр, тем медленнее размножаются микроорганизмы, причем это положе­ние относится к аэробным и к анаэробным микробам. Более круп­ные микроорганизмы (грибы) нуждаются для хорошего развития в наличии более толстых капилляров, чем более мелкие микро­организмы (бактерии).

В тонких капиллярах и пленках клетки мельчают. Возможно, одной из причин мелких размеров почвен­ных микроорганизмов по сравнению с водными формами и с формами, развивающимися на питательных лабораторных сре­дах, является их развитие в тонких капиллярах и пленках. Иног­да клетки принимают форму капилляра, в котором они развива­ются. В тонких капиллярах клетки лизируются, что было хорошо изучено для клеток, заключенных в полиакриламидный гель (ПААГ). В настоящее время трудно однозначно решить вопрос о причинах плохого развития микроорганизмов в тонких пленках и капиллярах. Вероятно, основную роль играет специфика диф­фузии веществ. Для проявления активности микробов в очень тонких пленках и капиллярах первостепенное влияние оказыва­ет изменение активности воды. Однако для более толстых пле­нок и капилляров наибольшее значение имеет скорость подтока к клеткам питательных веществ и оттока вредных метаболитов.

Форма воды в почве, которая появляется после дождя или поли­ва, но быстро исчезает и имеет большее значение для транспорта веществ, чем для развития микроорганизмов. Установлено, что бурное развитие микроорганизмов в почве после выпадения дождя связано не только с появлением доступной влаги, но и с тем, что вода несет растворимые органические вещества.

Следует четко дифференцировать: 1) выживаемость в усло­виях низкой активности воды, 2) специфику метаболизма в этих условиях.

Среда обитания микроорганизмов, как уже отмечалось, может быть прерывистой в пространстве и во времени. В этом отноше­нии, очевидно, во всех почвах, за исключением неоттаивающих постоянно мерзлотных, имеются хотя бы кратковременные пе­риоды с обильным увлажнением, и микробы даже в пустыне мо­гут после дождя развиваться в условиях высокой активности воды. Такие периоды в ряде засушливых зон бывают очень редко, и большую часть времени микроорганизмы находятся в условиях низкой влажности. При этом они находятся в состоянии анабио­за или замедленного метаболизма. К почвам с постоянно низкой активностью воды относятся солончаки, где могут развиваться только галофилы.

Активность воды в системе (почве) зависит от наличия ряда веществ, в том числе и растворимых солей. В солевых растворах активность воды (потенциал влаги) резко падает. В связи с этим следует отметить, что понятия ксерофилии и осмофилии по су­ществу имеют один и тот же смысл. В солевых растворах микро­бы развиваются как бы в условиях засухи, так как получить воду для клетки становится трудно. В солевых растворах на развитие микроорганизмов влияют два фактора: 1) низкая активность воды, токсичность высоких концентраций определенных катионов и анионов для клетки. Поэтому развитие микроорганизмов в соле­вых растворах даже при одинаковой активности воды будет зави­сеть от природы соли.

На земле существует много разнообразных засоленных почв — солончаков. Разные типы солончаков могут содержать очень вы­сокие концентрации сульфатов, хлоридов, нитратов и карбона­тов. В некоторых солончаках должны развиваться только экстре­мально галофильные микроорганизмы, которые имеют особое строение и относятся к архебактериям. Однако систематическо­го изучения галофилов из засоленных почв до настоящего време­ни не проводилось, хотя солончаки, по крайней мере, теорети­чески, представляются более благодатным объектом для выделения этих форм по сравнению с засоленными природными водами, из которых они обычно выделяются.

Штаммы одного вида гриба, выделенные из почв гумидной и аридной зон, отличаются по способности развиваться при низ­кой активности воды.

Необходимо кратко рассмотреть вопрос об устойчивости поч­венных микроорганизмов к высушиванию. Устойчивость к высу­шиванию не связана непосредственно со способностью разви­ваться при низкой влажности.

В природе есть почвы, которые никогда не подвергаются пол­ному высыханию (почвы под лесами, болотами, почвы тундры), хотя активность воды в них зимой в период промерзания низкая. Есть почвы, которые подвергаются длительному и сильному ис­сушению (почвы пустыни и полупустыни). Распахиваемые поч­вы подвергаются сильному иссушению, по крайней мере, с повер­хности — это новое антропогенное воздействие для этих почв, которому они раньше не подвергались.

Известно, что после высушивания почвенных образцов до воздушно-сухого состояния определяемое в них количество бак­терий уменьшается в 5-10 раз. Резко уменьшается и количество актиномицетов и грибов, но обычно не так, как бактерий. В вы­сушенных образцах почв меняется качественный состав микро­организмов. Считается, что некоторые микроорганизмы, напри­мер некоторые неспороносные палочки, полностью погибают. Однако последнее утверждение нельзя считать доказанным. Уста­новлено, что их количество резко снижается и их не удается учесть, но в большинстве случаев, если провести «оживление почвы», т.е. почву увлажнить и инкубировать в течение некоторого вре­мени, то исчезнувшие формы можно обнаружить, особенно, если выбрать благоприятную для их выделения стадию микробной сукцессии в почве.

Процент гибели микроорганизмов в высушенных образцах оказывается не таким высоким, как считалось ранее. Большая часть клеток при высушивании прочно адгезируется на почвен­ных частицах, в почве образуются новые агрегаты, и клетки про­сто перестают учитываться обычными методами посева. Однако применение ультразвуковой или другой предварительной обра­ботки почвы перед проведением микробиологического анализа, направленной на дезагрегацию почвы и десорбцию микроорга­низмов, позволяет найти часть этих исчезнувших клеток (иногда до 90%), которые считались погибшими. Фактическая гибель даже в количественном отношении, не говоря о качественном соста­ве, оказывается не такой большой, как это ранее предполагалось. При хранении воздушно-сухих образцов на протяжении первых двух недель происходит значительное сокращение определяемо­го методом посева количества микроорганизмов, а затем оно за­медляется. Первоначальное падение больше связано с адсорбци­ей клеток, чем с их действительной гибелью. Существует много данных, подтверждающих, что воздушно-сухая почва является очень хорошей средой для хранения внесенных культур микро­организмов и тем более для собственно почвенных.

Причины хорошего сохранения микроорганизмов в воздуш­но-сухой почве не совсем ясны, однако можно привести следу­ющие гипотезы. В почве микроорганизмы попадают в много­численные микрозоны, и хотя бы часть из них оказывается благоприятной для сохранения микробов. В почве поддержива­ется сравнительно постоянный уровень относительной влажно­сти (активности воды), что также может благоприятствовать со­хранению микроорганизмов. Известно, что их выживанию, правда, обычно в меньшей степени, чем почва, способствует ряд адсор­бентов (глины, уголь, мел и др.). Предполагается, что собственно адсорбция клеток на твердой поверхности, обволакивание кле­ток мелкими органоминеральными частицами, заключение их в тонкие капилляры и попадание в закрытые пространства, где за­труднен обмен с окружающей средой, будут способствовать вы­живанию клеток.

В условия засухи микроорганизмы попадают и зимой при от­рицательных температурах. При зимней засухе отрицательное действие на клетки может оказывать не только недостаток воды, но еще и тот фактор, что образующиеся кристаллики льда могут механически разрушать клетки. Однако при морозе создаются отчасти и более благоприятные условия для выживания, так как при низких температурах крайне замедленны все биохимические процессы. Поразительна длительность сохранения бактерий в замерзших почвах (Арктика, Антарктика). При высевах из по­стоянно мерзлых почв (зона вечной мерзлоты) обнаружилось, что на 1 г погребенной почвы, пролежавшей при температуре - 10-30 °С в течение 1-10 млн лет, обнаруживается 100 тыс. клеток живых бактерий. Если учесть, что в современных тундровых поч­вах содержится 1 млн клеток бактерий на 1 г, также обнаружи­ваемых методом посева, то можно допустить, что за 1-10 млн лет число жизнеспособных клеток уменьшилось всего в 10 раз и клет­ки в погребенных почвах могут сохраняться еще очень долго.

Эукариотные микроорганизмы (грибы, дрожжи, водоросли) так­же были обнаружены в слоях этого возраста. Можно с уверенно­стью утверждать, что это эндогенная микрофлора, а не случай­ное загрязнение, так как обнаруживаются целые сообщества, а случайное загрязнение могло быть вызвано одним-тремя вида­ми. Обнаружение высокой заселенности микроорганизмами веч­номерзлых пород дает веские основания для астробиологической концепции поиска жизни на планетах криогенного типа, в пер­вую очередь на Марсе и его спутниках. Методологический опыт микробиологических и биохимических (ДНК и активные фер­менты сохраняются еще лучше, чем микроорганизмы) исследо­ваний земной мерзлоты необходим для решения такого рода за­дач, а они уже начаты с запуском космических кораблей на Марс.

Однако степень увлажнения почвы влияет на развитие микро­организмов не только в связи со степенью доступности воды, но и в связи с тем, что количество воды во многом определяет газо­вый режим почв и отдельных микрозон. Диапазон для макси­мального роста почвенных аэробных микроорганизмов очень узок и, с одной стороны, лимитируется активностью воды, а с дру­гой — недостатком кислорода.

Касаясь способов выражения доступности воды для микроор­ганизмов, нужно отметить, что в противоположность принятому в микробиологии показателю активности воды лучше пользоваться показателем потенциала влаги, как это делают физиологи расте­ний, так как изменения этой величины измеряются целыми чис­лами, а не дробями, и более наглядны.