Лекция 6. Почвенные экосистемы.

ПОЧВЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ.

Почва представляет освещаемую твердую поверхность Земли, покрытую растительным покровом, и, начиная с силура, примерно 350-400 млн лет назад, обеспечивает выход растений в аэротоп - слой атмосферы между верхушками растений и поверхностью зем­ли. Как операционное биологическое понятие почву удобнее всего определить как "корнеобитаемый слой земной поверхности". При этом за пределами определения окажутся лишенные высшей растительности участки с водорослевой или моховой растительностью и лишенные органического вещества области первичного почво-образовательного процесса: обнаженные грунты, пески, скалы.

Растение пересекает две среды обитания и становится мощным транспортным агентом для потоков вещества. Растение создает своей корне­вой системой особую область для развития микроорганизмов. В пер­вую очередь это обусловлено эвапотранспирацией растения, обеспе­чивающей тягу почвенного раствора корнями. Следующим фактором служат корневые выделения, обеспечивающие рост органотрофных организмов ризосферы. Далее, растение вступает в симбиотические отношения прежде всего с грибами-микоризниками, но также и с симбиотическими бактериями, из которых наибольшее внимание за­служили симбиотические фиксаторы азота. Таким образом, задаю­щим параметром становится экофизиология растительного покро­ва, характеризующего ландшафт.

Примитивные почвы, лишенные растительного покрова, гос­подствовали на поверхности Земли в докембрии и были представле­ны наземными циано- и альго-бактериальными матами с вероятным ранним появлением грибов, предварительным условием для кото­рых служило появление кислорода в атмосфере. Переходный пери­од к покрову сосудистых растений могли составлять лишайники и мхи. Вынос фотосинтезирующей поверхности в аэротоп мог про­изойти лишь при создании жестких структур углеродного скелета, представляющего композитную конструкцию из лигноцеллюлозы, включающей фибриллы целлюлозы, склеенные сетью гемицеллюлозы и армированной лигнином. Лигноцеллюлоза у древесных растений на 1/3 состоит из лигнина и в общем синтезе органического вещества в наземных экосистемах составляет не менее 20 Гт/год. Лигноцеллюлоза не подвергается автолизу при отмирании растения и составляет основ­ную массу поступающего в почву органического вещества.

В почвенно-растительном покрове следует различать фотоавтотрофную наземную часть, дополняемую гетеротрофной под­земной корневой частью растения, и органотрофную группировку грибов и бактерий. Фотоавтотрофы осуществляют фотосинтез только в дневные часы и зависят от света. Гетеротрофное дыхание идет круглосуточно. Органотрофы действуют круглосуточно, а так­же вне вегетационного сезона, разлагая листьевой и корневой опад. Разложение лигноцеллюлозы осуществляется в первую очередь грибами. Отсюда вытекают три трофических маршрута:

Миколитический, Целлюлозолитический, Лигнолитический (вторичная биомасса грибов).

Физические условия существования в почве с пористым про­странством между минеральными частицами, недостатком влаги обусловливают преимущества для мицелиального строения микро­организмов. Мицелий может обволакивать твердые растительные остатки и осуществлять гидролиз в непосредственном контакте с ни­ми. Поэтому почву можно рассматривать как растительно-грибную систему. Бактерии развиваются в почвенной влаге и образуют био­пленки на поверхности минеральных и органических частиц.

В почвенной системе можно выделить три подраздела с разны­ми условиями жизни для микробиоты: а) первичные продуценты растения с их корневой системой, населенной консорциумом микро­организмов, включающим микоризу, бактерии ризосферы; б) мик­робное сообщество, осуществляющее деструкцию мортмассы, конечным продуктом которого является гумус; в) микробное сооб­щество, взаимодействующее с минеральной частью, конечным результатом чего является превращение минералов материнской породы в педогенные минералы с наиболее характерной группой глинистых минералов. Между этими подразделами системы сущест­вует тесное взаимодействие, обусловленное, например, действием корневых выделений и продуктов разложения мортмассы на мине­ралы, но, тем не менее, каждый из разделов удобнее рассматривать отдельно.

Почвенная влага, в том числе пленочная, является местом оби­тания бактерий и отчасти грибов, мицелий которых может выхо­дить в газовую фазу. Почвенная вода имеет матричный потенциал, зависящий от ее связывания с поверхностью частиц, и осмотический потенциал, зависящий от растворенных веществ. Почвенная вода рассматривается как гравитационная, капиллярная, гигроскопиче­ская. После удаления гравитационной воды остается вода, определя­емая почвенной влагоемкостью. Капиллярная вода имеет водный потенциал от -0,01 до -0,03 МПа и доступна для роста микробов, ко­гда наблюдается их наибольшая активность. Ниже -1,5 МПа начи­нается завядание растений. При -30 МПа организмы сохраняют лишь 10% активности, измеряемой по скорости разложения органи­ческого вещества.

Вода в почве входит в состав почвенного раствора, служащего местообитанием бактерий. Состав почвенного раствора определяет­ся прежде всего карбонат-бикарбонатным равновесием, от которо­го зависят его рН, а также и растворимость минералов как почво-образующей породы, так и педогенных. Важнее всего поведение ти-поморфных элементов: Са, Fe, Al, Si. Почвенный раствор подвержен испарению при засухе и промывному режиму при дождях, и состав его непостоянен. Поэтому почвенная биота должна приспосабли­ваться к переменному режиму в отношении осмотического давления. Кроме минеральных компонентов, в почвенный раствор поступают органические вещества из корневой системы растений и продукты микробного разложения. Устойчивую часть составляют коллоиды гуминовых веществ, обладающие комплексообразующим действи­ем. Физико-химическая система почвенного раствора зависит от многих переменных и очень сложна. От нее зависит состояние поч­венной биоты, и прежде всего бактерий.

Распределение микроорганизмов в почве.

Очень важным показателем является так называемый "подсти­лочный коэффициент" - отношение ежегодного опада к подстилке, который показывает скорость разложения растительных остатков. На севере в тундре он составляет 1 : 200, а на юге в субтропиках 200 : 1. Продукты разложения грибами опада и ветоши служат субстратом для микофильных бактерий, при­чем особое значение приобретает разложение фенольных соедине­ний. Отмерший мицелий грибов также служит субстратом для бак­терий с актиномицетами как характерной группой, идущей по от­мершему мицелию. Разложение остатков в хвойных лесах приводит к формированию темноокрашенных гумусовых вод.

Наибольший интерес представляет ассоциация микроорганиз­мов с корневой системой живых растений. Корни располагаются в почвенном горизонте, наиболее богатом органическим веществом. Взаимодействие с корневой системой включает три области: 1) об­ласть почвы с непосредственным воздействие корней - ризосфера; 2) поверхность корня - ризоплана; 3) ткань корня.

В ризосфере наблюдается действие корневых экссудатов, содер­жащих разнообразные органические вещества, и корневого опада. Экссудаты содержат широкий набор углеводов, аминокислот, орга­нических кислот. Корневой опад дает лигноцеллюлозу и полисаха­риды слизи (mucigel), составляющие 80% потери углерода корнем. Из суточной ассимиляции 11% уходит на микробное дыхание и 2% -в органическое вещество почвы.

Разнообразие микроорганизмов вблизи корня определяется раз­нообразием поступающих веществ, разнообразием трофических взаимодействий микроорганизмов между собой (гидролитики и дис-сипотрофы, бактериолитическая петля) и влиянием специфических веществ растений. Здесь можно ожидать очень широкий круг орга-нотрофных аэробных организмов, пищевые потребности которых ориентированы на экссудаты. Как правило, эта область развития микроорганизмов характеризуется избытком органического углеро­да и лимитирующим содержанием азота и фосфора.

На поверхности листьев в филлосфере развиваются организмы, специфически взаимодействующие с растением, а также паразиты -бактериальные и грибные. Сапрофиты используют гуттацию, сли­зетечение.

Разложение растительных остатков.

Органическое вещество почвы прирастает за счет фотоавтотрофной ассимиляции углекислоты из воздуха растительным по­кровом. При этом работает циклический механизм, при котором углекислота, образуемая при дыхании гетеротрофных корней и органотрофном дыхании биоты почвы в неосвещенной части почвенного профиля, возвращается в аэротоп - приземный слой атмосферы в пределах растительного покрова. Дисбаланс в цикле приводит к выводу части С_орг в соединения с большим временем пребывания углерода, составляющие малую часть по­тока углерода, но за счет необратимости процесса создающие главные резервуары С_орг на Земле. Вход в систему представляет С0₂, ассимилированная растением, вы­ход — устойчивые гумусовые вещества почвы. Пути углерода в сис­теме для разных ландшафтных зон различны: в черноземах под тра­вянистым покровом происходит накопление гумуса, в гидроморфных почвах избыточного увлажнения накапливается торф, при дос­таточной аэрации происходит полное сгорание органического веще­ства, как в подзолах и глеевых почвах, противопоставляемых в ка­честве "минеральных почв" почвам "органическим". Различие меж­ду этими почвами определяется полнотой деструкции растительной мортмассы.

Главным маршрутом деградации для растительного покрова со­временного типа, утвердившегося на Земле около 350 млн лет назад, служит разложение скелетного материала наземных растений, пред­ставленного лигноцеллюлозой. Она составляет около 1/2 всего уг­лерода, ассимилированного растениями. Лигноцеллюлоза представ­ляет медленно метаболизируемый углерод растительной мортмас­сы. Для России поступление лигноцеллюлозы составляет величину порядка 2 Гт С/год. Из них не менее 250 Мт С/год поступает в виде лесной древесины.

Древесина появилась на Земле поздно, через 200 млн лет после появления скелетных животных и начала фанерозоя. В это время на Земле уже давно была полностью оксигенированная атмосфера. Ра­стительный покров, которому было суждено существенно модифи­цировать атмосферный гидрологический цикл, в своем существова­нии зависел от атмосферной влаги. Поэтому с растительным покро­вом связаны аэробные ксерофильные мицелиальные эукариотные органотрофные организмы - грибы, являющиеся основными дест­рукторами и в своей главной трофической роли в биосфере ответст­венные за разложение растительной мортмассы. В палеонтологиче­ской летописи растения и грибы появляются одновременно, грибы, возможно, несколько раньше.

Древесина представляет собой композитный скелетный матери­ал, состоящий из волокон целлюлозы, армирующих сеть из гемицеллюлоз, связанных, в свою очередь, с лигнином, физически обле­кающим волокна целлюлозы. По химическому составу все эти безазотистые соединения различаются. Композитный состав древеси­ны предопределяет необходимость ее разложения сообществом спе­циализированных организмов, способных разлагать отдельные ком­поненты. Ключевым этапом служит дезинтеграция скелетных стру­ктур, требующая деполимеризации макромолекул. При этом про­цесс должен происходить в субаэральных условиях, при достаточ­ной, но не избыточной влажности.

Химический состав растений включает 2-15% белка и 10% рас­творимых соединений, 10-60% целлюлозы, 10-30% гемицеллюлозы, 5-30% лигнина. Итак, основная проблема для микроорганизмов на­земных систем - гидролиз органических полимеров. Разложение азотистых соединений - белка и нуклеиновых кислот - не представ­ляет значительной проблемы. Его и аэробно, и анаэробно осуществ­ляют разнообразные организмы пептолитического пути, деятель­ность которых оценивается по образованию аммиака и которые по­этому давно получили название аммонификаторов. Деградация до­минирующих в растительных остатках нерастворимых безазоти­стых соединений осуществляется в сахаролитическом пути.

Хитин состоит из полимера N-ацетил-Б-глюкозамина. Как уже отмечалось, это основной компонент клеточной стенки грибов. Хитин ассоциируется с другими полимерами. Его разложение в большой степени зависит от физического состояния и доступности поверхности для действия хитиназы и других гидролаз. Темноокрашенные пигменты меланины обусловлены связью сахаров с феноль­ными соединениями. Аминосахара, включая ацетилглюкозамин и ацетилмурамовую кислоту, присутствуют и в стенке бактерий. Раз­ложение стенок грибов идет относительно быстро и легко под действием, как бактерий, так и микофильных грибов, которые домини­руют в более кислых условиях. Однако в целом стенки и мембраны представляют относительно устойчивый компонент микробной мортмассы. Считается, что аминосоединения микробных стенок служат предшественниками азота й гумусе.

Лигнин представляет условие появления наземной растительно­сти. Это разветвленный полимер фенил-пропаноида. Лигнин образуется химической поликонденсацией фенола под действием свобод­ного радикала и не имеет закономерного строения. Он связывается с целлюлозой и гемицеллюлозами, инкрустируя их. В результате получается устойчивое, вследствие своей гетерогенности и неупоря­доченности, соединение, которое не поддается прямому энзиматиче-скому гидролизу. Деградация лигнина осуществляется почти исклю­чительно аэробными микроорганизмами. Исключение составляет микробное сообщество пищеварительного тракта термитов. Дегра­дация лигнина почти недоступна прокариотам, и о возможности их участия в деградации меченого по углероду лигнина идут споры. Во всяком случае, процесс если и есть, то очень слабый.

Деградацию лигнина осуществляют грибы "белой гнили" Polyporus, Pleurotus, Phanerochaete. Обычно для начала деградации необходимо наличие легкодоступного субстрата дыхания. Напро­тив, грибы "бурой гнили" разлагают углеводные компоненты и ос­тавляют фенольную часть, которая окисляется и темнеет. Продук­ты деградации лигнина, в том числе ароматические соединения, доступны как аэробным, так и анаэробным бактериям. Проведено очень большое число работ по разложению модельных компонен­тов лигнина, таких, как кофеиновая кислота. Особенно быстро раз­ложение идет в аэробно/анаэробном сообществе.

Гидролитические экзоферменты бактерий могут либо распола­гаться на внешней поверхности клетки, либо секретироваться в среду. Во втором случае продукты гидролиза могут стать доступными не только продуценту, но и случайным организмам в окружении. Типич­ную группировку такого типа и составляют диссипотрофы. Располо­жение гидролитических ферментов на клеточной поверхности пред­полагает их заякоривание в липидной части поверхностных струк­тур, что, в свою очередь, предполагает необходимость тесного физического контакта клетки с гидролизуемым материалом. Отсю­да физическая организация взаимодействия клетки с гидролизуе­мым материалом приобретает первостепенное значение. С однойстороны, организм должен выработать механизмы адгезии к гидролизуемому субстрату, а с другой — сохранить способность переме­щаться с уже выработанных участков на свежие. Это требование может быть выполнено для организмов, образующих подвижные клетки для расселения, или же, что еще выгоднее, для организмов со скользящим типом движения, расползающихся по поверхности суб­страта. Образование слизистой капсулы на поверхности гидролизуемого сложного субстрата создает возможности для кооперативно­го действия сообщества разнородных организмов, воздействующих на разные компоненты сложного нерастворимого субстрата. Регу­ляция синтеза экзоферментов подчиняется общим правилам катаболитной репрессии и индукции. Считается, что обычно организмы не способны синтезировать экзоферменты в присутствии растворимых легкоусваиваемых веществ, в том числе продуктов гидролиза.

Альтернативой гидролитическому пути разложения полимеров служит расщепление взвешенного органического вещества с нерегу­лярным строением под действием активного кислорода. Примером такого способа деградации служит процесс разложения лигнина эк-зоферментами, использующими как источник активного кислорода Н₂0₂, образующуюся при дыхании клетки, он носит общее название соокисления труднодоступных субстратов. Очевидно, что этот спо­соб деградации доступен только аэробам. Он распространен преиму­щественно у грибов. Разложение негидролизуемого полимерного вещества анаэробами происходит медленно и в водных экосистемах часто требует участия сообщества микроорганизмов с сульфатреду-кторами как терминальной группировкой. В наземных условиях сульфидогенез ограничен, и основным путем разложения в анокси-ческой обстановке служит метаногенез.