Почвенная микробиология / Тема 1

Тема 1.

Вступ

1. Предмет, цель и задачи почвенной микробиологии. Основные направления развития.

2. История развития почвенной микробиологии.

Почва представляет собой огромный резервуар почти всех микроорганизмов, существующих на нашей планете. Однако необходимо с самого начала указать на имеющиеся между ними очень важные различия. Так, некоторые патогенные бактерии, например, возбудитель сибирской язвы Bacillus anthracis или столбняка Clostridium tetani, находятся в почве в виде спор, в латентном состоянии. Они начинают вегетативно размножаться только после того, как проникли в организм восприимчивого хозяина. В почве они не проявляют ни малейшей активности. Подобные микроорганизмы не входят в состав так называемой «общей микрофлоры» почвы; они не являются предметом изучения почвенной микробиологии.

Напротив, существуют микроорганизмы (они составляют подавляющее большинство), которые действительно размножаются в почве и ведут в ней активный образ жизни, по крайней мере при благоприятных условиях; они принимают участие в жизни почвы, если рассматривать почву как биологическую систему. Эти микроорганизмы и составляют область изучения почвенной микробиологии. Несмотря на указанные ограничения, эта область довольно обширна, т.к. она занимается изучением бактерий, актиномицетов, грибов, одноклеточных водорослей и микрофауны.

Целью почвенной микробиологии является изучение роли микроорганизмов во всех процессах, происходящих в почве (почвообразовании, в круговороте веществ в почве, питании высших растений и плодородии почвы). Эту цель можно сформулировать в виде 3 следующих положений:

- возможно более полное изучение биологического состояния почвы в определенный момент времени, как на ее поверхности, так и в различных ее горизонтах, которое включает количественное изучение численности и активности микроорганизмов, составляющих микрофлору в целом, а также физиологических групп, выполняющих определенную функцию в почве, как например, фиксация молекулярного азота или сбраживание клетчатки;

- изучение различных колебаний численности и активности физиологических групп микроорганизмов: сезонные колебания, колебания в процессе развития (возникновение, созревание, старение) почв, колебания в процессе превращения типов почв, колебаний в результате окультуривания (механическая обработка, внесение минеральных и органических удобрений, выращивание сельскохозяйственных культур, севообороты);

- подробное изучение, с одной стороны, состояние почвы в определенный момент, а с другой – протекающих в ней процессов позволяет сравнивать между собой различные горизонты одной и той же почвы и различные почвы; установить возможную связь протекающих в почве биологических явлений с ее плодородием; выявить нарушения равновесия; установить родственные отношения, или филогению почв.

Наконец, микробиологу часто приходится изучать физиологические и биохимические особенности отдельных видов почвенных микроорганизмов, выделенных в чистые культуры. Однако на основании изучения активности и поведения какого-либо вида бактерий в чистой культуре невозможно делать вывод о его активности и поведении в почве, где он находится в тесном взаимодействии со всеми остальными представителями микрофлоры. Подобные исследования могут служить источником дополнительных сведений, но их никогда не следует класть в основу микробиологического изучения почвы. Виноградский утверждал: «Метод анализа действительной активности микроорганизмов в природе должен основываться не на поведении отдельных видов вне их естественной среды, но на реакциях всего микробного сообщества в целом в этой среде».

Почва как среда обитания микроорганизмов и процессы, происходящие в ней, долго оставались вне поля зрения исследователей. Огромную роль в становлении почвенной микробиологии как науки сыграло учение Василия Васильевича Докучаева (1846-1903) о почве как об «особом естественно-историческом теле», имеющем свой генезис, свою историю развития. В 1883 г выходит его работа «Русский чернозем», в которой он утверждал, что те или иные почвы являются результатом совокупного действия следующих агентов: живого мира, материнской породы, климата, рельефа и времени. Мысль о взаимодействии всех природных факторов легла в основу его учения о почвах и природных зонах. Эта же мысль поддерживалась и развивалась его учениками и последователями В.И. Вернадским, Н.М. Симбирцевым, К.Д. Глинкой и др. В.И. Вернадский (1863-1945) придавал особое значение почвенному покрову как одной из сфер «ярко выраженного сгущения (плотности) жизни». Почву с населяющей ее фауной и флорой он назвал «живой пленкой» земной суши. Работы В.В. Докучаева и его последователей заложили основы почвоведения.

В 70-80-х годах ХIХ в, независимо друг от друга ученые Франции, Германии и России начали систематическое изучение процессов, осуществляемых микроорганизмами в почвах. В 1877 г. опыты французских химиков Т. Шлезинга и А. Мюнца подтвердили предположение Л. Пастера о том, что нитрификация представляет собой бактериальный процесс. В 1882 г. французский ученый П. Дегерен установил микробиологический характер денитрификации, а двумя годами позднее он же установил микробиологическую природу анаэробного разложения растительных остатков. М. С. Воронин в 1867г. описал клубеньковые бактерии, а спустя почти двадцать лет Г. Гельригель и Г. Вильфарт показали их способность к азотфиксации.

Большой вклад в развитие общей микробиологии внесли русский микробиолог С. Н. Виноградский (1856—1953) и голландский микробиолог М. Бейеринк (1851—1931). Впитав идеи Л. Пастера о многообразии форм жизни в микромире, С. Н. Виноградский ввел микроэкологический принцип в исследование микроорганизмов. Для выделения в лабораторных условиях группы бактерий с определенными свойствами С. Н. Виноградский предложил создавать специфические (элективные) условия, дающие возможность преимущественного развития данной группы организмов. Так, С. Н. Виноградский предположил, что среди микроорганизмов есть виды, способные усваивать молекулярный азот атмосферы, являющийся инертной формой азота по отношению ко всем животным и растениям. Для выделения таких микроорганизмов в питательную среду были внесены источники углерода, фосфора и другие минеральные соли, но не добавлено никаких соединений, содержащих азот. В результате в этих условиях не могли расти микроорганизмы, которым необходим азот в форме органических или неорганических соединений, но могли расти виды, обладавшие способностью фиксировать азот атмосферы. Именно так С. Н. Виноградским в 1893 г. был выделен из почвы анаэробный азотфиксатор, названный им в честь Л. Пастера Clostridium pasteurianum. Пользуясь изящными методическими приемами, в основу которых был положен микроэкологический принцип, С. Н. Виноградский выделил из почвы микроорганизмы, представляющие собой совершенно новый тип жизни и получившие название хемолитоавтотрофных. В качестве единственного источника углерода для построения всех веществ клетки хемолитоавтотрофы используют углекислоту, а энергию получают в результате окисления неорганических соединений серы, азота, железа, сурьмы или молекулярного водорода. Микроэкологический принцип был успешно развит М. Бейеринком и применен при выделении различных групп микроорганизмов. В частности, спустя восемь лет после открытия С. Н. Виноградским анаэробного азотфиксатора, М. Бейеринк обнаружил в почве еще один вид бактерий, способных к росту и азотфиксации в аэробных условиях, Azotobacter chroococcum. Круг научных интересов М. Бейеринка был необычайно широк. Ему принадлежат работы по исследованию физиологии клубеньковых бактерий, изучению процесса денитрификации и сульфатредукции, работы по изучению ферментов разных групп микроорганизмов. С. Н. Виноградский и М. Бейеринк являются основоположниками экологического направления микробиологии, связанного с изучением роли микроорганизмов в природных условиях и участием их в круговороте веществ в природе. С.Н. Виноградский предложил метод «прямого» микроскопирования почвы.

В.Л. Омелянский (1867-1928) – ученик и последователь С.Н. Виноградского – глубоко изучил процесс анаэробного разложения целлюлозы и пектина. Следуя микроэкологическому принципу С.Н. Виноградского, ему впервые удалось выделить культуры анаэробных спорообразующих бактерий, сбраживающих клетчатку с образованием органических кислот и водорода. Омелянский изучал способность почвенных микроорганизмов связывать азот атмосферы, интересовался их геологической деятельностью, считал, что микроорганизмы могут выступать в роли индикаторов химических элементов.

П.А. Костычев (1845-1895) открыл роль почвенных микроорганизмов в разложении растительных остатков и формировании гумуса. Он показал, что почвообразование — биологический процесс, связанный с развитием на почве растительности, и что задача почвоведения заключается в изучении почв в связи с развитием их растительного покрова. Результаты своих исследований Костычев изложил в работе "Почвы черноземной области России. Их происхождение, состав и свойства" (1886). Он установил, что источником перегноя черноземов являются органические вещества корневых систем степных растений. Разлагаясь в почве под действием микроорганизмов, корневые остатки почти полностью превращаются в перегной. В лесу же, где растительные остатки накапливаются главным образом в виде опавших листьев, хвои и веток, разложение их происходит на поверхности почвы в условиях достаточной влажности и доступа воздуха почти до полного разрушения. Поэтому под хвойными и хвойно-широколиственными лесами образуются бедные перегноем подзолистые почвы. Большое внимание Костычев уделял изучению структуры чернозёмных почв, этого важнейшего условия их плодородия. Наилучшая структура, по Костычеву, – зернистая, мелкокомковатая. Она устойчива как против механического разрушения при обработке, так и против размывания талой снеговой и дождевой водой. Такой структурой обладает целинный, нераспаханный чернозём.

Большой вклад в дальнейшее развитие почвенной микробиологии внес В.Р. Вильямс (1863-1939). Вильямс интегрировал генетическое почвоведение В.В. Докучаева с почвенно-агрономическими концепциями П.А. Костычева и развил агробиологическое направление в изучении почвы. Он создал учение о малом биологическом круговороте веществ. Под биологическим круговоротом понимается циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. Малый биологический круговорот - это поступление химических элементов из почвы, воды и атмосферы в живые организмы, превращение в них поступающих элементов в новые сложные соединения и возвращение их обратно в процессе жизнедеятельности с ежегодным опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав экосистемы.

Вильямсом был сформулирован и развит взгляд на почву как продукт жизнедеятельности микроорганизмов. На основе этого положения было разработано учение о почвообразовательном процессе. Оно пронизано идеей о взаимосвязи живых организмов – бактерий, грибов, водорослей, лишайников, высших растений – с минеральным субстратом, в результате чего горная порода постепенно превращается в почву, приобретая новое качество – плодородие. Выдвинул стройную теорию образования специфических гумусовых веществ и их роли в почвообразовании. Наряду с изучением водных, физических свойств и гранулометрического состава почв В.Р. Вильямс, вслед за П.А. Костычевым, изучал структуру почв как одно из важнейших условий ее плодородия. 

Примерно в это же время Н.Г. Холодный (1882-1953) – выдающийся украинский ботаник, микробиолог и почвовед, разработал и ввел в практику микробиологических исследований ряд методов количественного учета почвенных бактерий ("пластинки обрастания", почвенные камеры), которые позволили исследователям наблюдать микроорганизмы в их естественной среде обитания. А в Казахстане Д.М. Новогрудский (1898-1953) разработал новые в то время методы определения численности грибов, актиномицетов, азотобактера в почвах, предложил оригинальный прием изучения микрофлоры отдельных почвенных частиц.

Методами С.Н. Виноградского, Н.Г. Холодного и Д.М. Новогрудского микробиологи пользуются до сих пор.

Бурное развитие общей экологии, в частности учения об экосистемах и биогеоценозах, не могло не сказаться на формировании экологического направления почвенной микробиологии. Были усовершенствованы традиционные и разработаны новые методические приемы, позволившие изучить жизнедеятельность почвенных микроорганизмов в их естественном местообитании. Б.В. Перфильев и Д.Р. Габе (1961) сконструировали специальный капиллярный прибор-педоскоп, который служит для изучения ассоциаций почвенных микроорганизмов. Т.В. Аристовская модифицировала метод Перфильева, использовав фракции гуминовых веществ для обработки стенок капиляров перед закладкой педоскопов в почву (1965). Это позволяет приблизить развитие микробов в педоскопах к почвенным условиям. Д.Г. Звягинцев (1963) предложил использовать люминесцентную микроскопию для исследований прижизненно окрашенных почвенных микроорганизмов непосредственно на поверхности почвенных монолитов, корней растений и др.

Фундаментальные исследования по изучению отдельных групп микроорганизмов и микрофлоры различных типов почв проведены Е.Н. Мишустиным (1901-1991). Была сформирована концепция о микробных ценозах (ассоциациях, сообществах, комплексах) различных типов почв (Н.М. Лазарев, Е.Н. Мишустин, Е.И. Андреюк, Д.Г.Звягенцев). Микробный ценоз – самая крупная единица классификации микробных сообществ, является подсистемой биогеоценоза. Это открытая биологическая система, представляющая собой совокупность бесчисленного множества ассоциаций микроорганизмов, населяющих участок средфы (педосферу) с более или менее однородными условиями и осуществляющих трансформацию органических и минеральных веществ данного биогеоценоза. Для современного этапа развития почвенной микробиологии характерны исследования ответных реакций микробных ценозов почв на антропогенную нагрузку (применение высоких доз удобрений, ядохимикатов, различных способов орашений и других агротехнических и агрохимических мероприятий), разработка теоретических основ устойчивости микробных сообществ, решения вопросов биодиагностики почвы как системы.