Микрофлора почвы

Одной из главных функций микроорганизмов является создание почвы, являющейся важнейшей средой обитания для них. Почва приобрела в процессе эволюции свойства живой системы, возможно, еще не до конца познанной человеком, извлекающим из нее многочисленные богатства. Самые плодородные почвы (черноземы) содержат в 1 грамме до нескольких миллиардов микробов. Почва является основным источником микробного обсеменения воды и воздуха, а также резервуаром многих патогенных для человека и животных микроорганизмов. В почве наиболее устойчивы споровые формы сибирской язвы, столбняка, ботулизма и газовой гангрены. Поступают в почву многие микроорганизмы вместе с отходами, при захоронениях и т.п. Наиболее богат микробными клетками слой почвы на глубине 15–20 см. На большой глубине в материнских породах (2–3 м) микробов нет.

Почва является важнейшим компонентом любого биогеоценоза, а следовательно, и биосферы в целом. Плодородие почвы в значительной мере определяет продуктивность естественных ценозов и агроценозов и зависит от жизнедеятельности организмов, ее населяющих. Подчеркивая роль биологических процессов в формировании плодородия почвы, академик Б.Б. Полынов писал: «Скудна жизнь, скудна и почва».

Основы учения о почве заложены трудами выдающихся русских ученых: В.В. Докучаева, В.И. Вернадского, Б.Б, Полынова, С.П. Костычева, В.Р. Вильямса и др. В.В. Докучаев определил почву как особое природное тело, развивающееся под влиянием ряда факторов – материнской породы, климата, рельефа местности, возраста почвообразовательного процесса, а также жизнедеятельности растительных организмов. Он первый обратил внимание на роль микроорганизмов в почвообразовательном процессе.

Современный уровень наших знаний о почве и ее обитателях свидетельствует о главенствующей роли микроорганизмов в процессах минерализации органических веществ, происходящих в почве и определяющих круговорот основных биогенных элементов в природе.

Почва как среда обитания микроорганизмов. Почва является средой обитания для макро- и микроорганизмов. Для макроорганизмов почва выступает как целостная среда обитания. Для микроорганизмов почву следует рассматривать как сложную гетерогенную систему с резко различными условиями обитания в каждом отдельном микролокусе.

Подавляющая масса микроорганизмов почвы (до 80–90%) находятся в адсорбированном состоянии на поверхности почвенных агрегатов, корней растений или веществах органического опада. Большая часть микроорганизмов пребывает в почве в неактивном состоянии – в виде эндоспор, микроцист, покоящихся вегетативных клеток. Вся масса микроорганизмов составляет так называемый пул почвы или микробный запас. Роль пула почвы заключается в поддержании гомеостаза – равновесного состояния данного микролокуса по содержанию органических и минеральных веществ, гумуса, физиологически активных веществ и т.п.

Структура каждого микролокуса почвы гетерогенна и включает три фазы: твердую, жидкую и газообразную.

Твердая фаза почвы представлена в основном минеральными компонентами, а также органическими соединениями.

На твердой фазе почвы адсорбирована основная масса микроорганизмов. Адсорбированное состояние обеспечивает микроорганизмам непосредственный контакт с питательным субстратом, предотвращает их вымывание, повышает устойчивость к неблагоприятным условиям среды.

Жидкую фазу почвы составляет почвенный раствор, поднимающийся по капиллярам. Из почвенного раствора микроорганизмы усваивают воду и питательные вещества. В клетках большинства микроорганизмов осмотическое давление составляет 3–5 мПа, при среднем значении влажности почвы 40–60 % от полной влагоемкости.

Содержание воздуха в почве зависит от ее структуры и влажности. Газовый состав почвенного воздуха существенно отличается от атмосферного. Содержание СО₂ и О₂ в почвенном воздухе определяет соотношение аэробных и анаэробных форм микроорганизмов в структуре микробоценоза.

Микробиологические процессы, происходящие в почве, оказывают существенное влияние на газовый состав атмосферы.

Из внешних факторов окружающей среды на развитие почвенной микрофлоры влияют температура, кислотность почвенного раствора, степень засоления, механический состав почвы и др.

Динамика численности микроорганизмов различных типов почв

Прежде чем рассмотреть вопрос о динамике численности микроорганизмов почвы, рационально определить основные группы почвенной микрофлоры:

Сапрофитные микроорганизмы, ведущие процессы минерализации веществ органического опада, С.Н. Виноградский предложил назвать зимогенной микрофлорой.

Микроорганизмы, разлагающие гумус почвы, С.Н. Виноградским названы автохтонной микрофлорой.

Микроорганизмы, развивающиеся за счет минимальных концентраций органических веществ, завершающие минерализацию органического опада в почве, получили название олиготрофной микрофлоры. Среди этой группы микрорганизмов выделяются олигонитрофилы, нуждающиеся в минимальной концентрации органических азотсодержащих веществ, и олигокарбофилы, потребляющие остаточные органические углеродосодержащие соединения. Олиготрофные микроорганизмы Г.А. Заварзиным трактуются как «микрофлора рассеяния». Эта группа микроорганизмов до сего времени слабо изучена.

Микроорганизмы, потребляющие в качестве источника углерода СО₂ или карбонаты и получающие энергию за счет реакций окисления минеральных соединений, объединены в группу автотрофной микрофлоры.

Динамика численности микроорганизмов почвы подвержена резким колебаниям в зависимости от типа почвы, климатических условий, сезона года, генетического горизонта, характера растительного покрова и других факторов окружающей среды. Основы изучения биодинамики различных почв заложены С.П. Костычевым и далее развиты в трудах Н.М. Лазарева, Е.Н. Мишустина и его учеников.

Следует иметь в виду, что при учете численности микроорганизмов в почве разными методами получаемые цифровые данные могут отличаться на один, два и даже три порядка.

Однако при работе одним и тем же методом исследования получаются вполне сопоставимые данные, на основе которых можно сформировать достоверные выводы. Так, цифровой материал по учету численности микроорганизмов в разных типах почв, полученный одним и тем же методом исследования, свидетельствует о существенном возрастании численности микроорганизмов в почве по мере продвижения с севера на юг.

Распределение микроорганизмов по почвенному профилю соответствует содержанию в нем органических веществ. Основная масса микроорганизмов локализована в верхних, богатых органикой горизонтах почвы. Вглубь по почвенному профилю численность микроорганизмов заметно снижается, причем более или менее резко в зависимости от типа почвы. На распределение микроорганизмов по почвенному профилю большое влияние оказывает ризосфера растений, служащая для них одним из источников питательного субстрата.

Численность и качественный состав микроорганизмов в почве зависит и от сезона года. Почти во всех типах почв резко резкое увеличение численности и физиологической активности микроорганизмов наблюдается в сезон весны. В почвах южной зоны в сезон жаркого и засушливого лета численность микроорганизмов резко сокращается. Многие микроорганизмы переходят в состояние анабиоза и практически не принимают участия в процессах трансформации веществ. В почвах северной зоны в условиях достаточного увлажнения сезонные колебания численности микроорганизмов выражены менее резко (табл. 4).

Таблица 4

Содержание микроорганизмов в профиле различных почв, в тыс./г почвы (Е.Н. Мишустин, 1975).

Горизонт, см	Гумус, %	Общее количество бактерий	Спорообразующие бактерии	Актино- мицеты	Грибы
0–5 5–10 20–30 40–50 70–80 0–5 5–10 20–30 40–50 70–80	Дерново-подзолистая почва (Московская обл.)				40,0 18,9 0,9 0,5 0,3 37,0 36,5 19,3 17,2 0,3
	3,4 3,3 1,4 0,4 0,1	1600 780 148 77 20	180 175 59 16 12	177 61 33 9 4
	Чернозём (Харьковская обл.)
	9,2 9,1 7,7 4,5 2,7	8950 6650 835 200 147	815 945 825 169 127	835 1015 125 24 13

На сезонную динамику численности микроорганизмов в почве оказывают влияние не только влажность и температура, но и фаза развития растений, поступление в почву органического опада, накопление микробных метаболитов и т.д. Поэтому, помимо сезонных колебаний численности микроорганизмов, в почве наблюдаются изменения численности и структуры микробных группировок за относительно короткие промежутки времени – месяцы, недели и даже сутки.

Структура микробоценоза почвы

Процесс разложения веществ органического опада, поступающего в почву, начинает зимогенная микрофлора, представленная различными сапрофитными микроорганизмами. На первых этапах минерализацию легко доступных органических соединений ведут неспорообразующие бактерии родов Pseudomonas, Proteus, и др. Дальнейший процесс глубокой минерализации органических веществ сопровождается сукцессией микроорганизмов. На смену первых видов приходят спорообразующие виды бацилл.

Частично продукты растительного и животного опада, а также микробные метаболиты превращаются в перегной, который постепенно минерализуется автохтонной микрофлорой. Последняя представляет собой специфическую подгруппу сапрофитных микроорганизмов, обладающих более мощным ферментативным аппаратом. К таким микроорганизмам прежде всего относятся актиномицеты и проактиномицеты, роды нокардия, образующие колонии красной окраски.

Конечные этапы минерализации остаточных продуктов распада органических веществ и гумуса в минимальной концентрации осуществляют олиготрофные микроорганизмы. Эта группа микроорганизмов также тесно связана с типичными сапрофитами и, возможно, включает ряд видов сапрофитных микроорганизмов, приспособившихся к развитию на бедных субстратах. Среди олиготрофов описан ряд морфологически необычных бактерий. Это почкующиеся бактерии, образующие простеки, родов Prosthecomicrobium, Ancalomicrobium, и др.

Неорганические соединения (NH₃, H₂S, H₂ и др.), образующиеся при минерализации органических веществ, трансформируются в процессе жизнедеятельности автотрофных микроорганизмов.

Соотношение вышеперечисленных группировок микроорганизмов и определяет характерную структуру микробоценоза каждого зонального типа почвы.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие факторы обуславливают развитие микроорганизмов в почве?

2. Какие микроорганизмы преобладают в воздухе?

3. От каких факторов зависит загрязнение возхдуха микроорганизмами?

4. Какими показателями оценивают санитарно-гигиеническое состояние воды, воздуха?

5. Поясните негативное влияние цианобактерий на жизнь водоемов.

6. Каким образом происходит самоочищение водоемов?